守恒觀在高中化學(xué)計算教學(xué)中的建模初探

郭朝明

摘?要：積極培養(yǎng)學(xué)生的守恒意識，構(gòu)建守恒觀，運用守恒法，快速、準(zhǔn)確地幫助學(xué)生解決化學(xué)問題，提升化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，提高化學(xué)問題的解題能力?；瘜W(xué)學(xué)科中的守恒主要包括質(zhì)量守恒、物料守恒、得失電子守恒和電荷守恒。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué)?守恒觀?方法和技巧?建模

發(fā)展心理學(xué)認為，守恒是指物體的形式并未改變，但途徑具有同一性、補償性和可逆性。高中化學(xué)計算教學(xué)，知識難度較大，學(xué)生往往難于掌握。守恒觀的構(gòu)建和應(yīng)用，能很好地幫助學(xué)生開啟思維，快速找尋知識突破點，實現(xiàn)有效教學(xué)并提高學(xué)習(xí)效率。

一、課堂教學(xué)中守恒意識的培養(yǎng)

高中學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)計算知識時常感到難度大，思維打不開，容易產(chǎn)生畏難情緒。教師在化學(xué)計算教學(xué)過程中應(yīng)有意識地培養(yǎng)學(xué)生守恒意識，訓(xùn)練守恒思維，在許多計算試題中，若能巧妙運用守恒法，?？蛇_到事半功倍的效果。長期堅持使用守恒法解題，有助于形成高效思想，提高學(xué)習(xí)效率。

比如，質(zhì)量守恒意識的培養(yǎng)。質(zhì)量守恒定律是指化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和相等。其本質(zhì)是：化學(xué)反應(yīng)前后，各元素原子的種類和數(shù)目沒有改變。質(zhì)量守恒是初三化學(xué)的重點，高中階段一般要求學(xué)生能快速靈活運用。質(zhì)量守恒運用于化學(xué)計算時，題意往往不是單一的化學(xué)反應(yīng)，因此，解題時應(yīng)從思維上跳出題目，宏觀把握題意，再結(jié)合守恒思想以達成解決問題的目的。

例1：有一塊鋁鐵合金溶于足量鹽酸中，再用過量的NaOH溶液處理，將產(chǎn)生的沉淀過濾、洗滌、干燥、灼燒后，剩余固體粉末的質(zhì)量與原合金質(zhì)量恰好相等，則合金中鋁的質(zhì)量分數(shù)是多少？

分析：鋁鐵合金溶于足量鹽酸時，兩種金屬全部可溶解，溶解后分別生成Al和Fe，再用過量的NaOH溶液處理，則有Al全部轉(zhuǎn)化為[Al（OH）]，F(xiàn)e全部轉(zhuǎn)化為Fe（OH）白色沉淀，經(jīng)過濾、洗滌、干燥、灼燒等過程，F(xiàn)e（OH）白色沉淀迅速變?yōu)榧t褐色的Fe（OH）沉淀，而后灼燒分解得到FeO固體粉末。相關(guān)方程式為Al+ 4OH=[Al（OH）]，F(xiàn)e+ 2OH=Fe（OH）↓，4Fe（OH）+O+2HO=4Fe（OH），2Fe（OH）= FeO+3HO（加熱）。因剩余固體粉末的質(zhì)量與原合金質(zhì)量恰好相等，且合金中的Fe元素全部轉(zhuǎn)至剩余固體粉末（FeO），所以合金中鋁的質(zhì)量即與固體粉末中氧元素的質(zhì)量相等，即鋁的質(zhì)量分數(shù)等于固體粉末中氧元素的質(zhì)量分數(shù)。則有3×16/（2×56+3×16）=0.3 ，答案：30%。

例2：將20.6g由Fe、Al、Cu組成的合金溶于足量的NaOH溶液中，合金質(zhì)量減少了5.4g。另取等質(zhì)量的合金溶于過量稀硝酸中，生成了8.96LNO（標(biāo)準(zhǔn)狀況），向反應(yīng)后的溶液中加入適量NaOH溶液，使Fe、Al、Cu恰好完全轉(zhuǎn)化為沉淀，則沉淀的質(zhì)量為（?）

A.29.8g??B.35.2g??C.41.0g??D.47.2g

分析：本題是金屬元素與酸或堿反應(yīng)的性質(zhì)的應(yīng)用?？捎卸喾N解法。用電量守恒法，快速簡便。依題意知，三種金屬與稀硝酸反應(yīng)時，硝酸過量，則三種金屬失去的電子數(shù)之和與硝酸被還原成NO時所獲得的電子總數(shù)相等，另，金屬失電子后轉(zhuǎn)變成金屬陽離子，每失1mol電子，在金屬陽離子轉(zhuǎn)化成沉淀時要結(jié)合1mol的OH，因此，由原先合金最終轉(zhuǎn)化為沉淀固體所增加的質(zhì)量即為增加的OH質(zhì)量，而增加的OH物質(zhì)的量又等于轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)，即n（OH）=n（電子）=8.96L/22.4L·mol×3=1.2mol，最后沉淀的質(zhì)量為1.2mol×17g/mol+20.6g=41.0g，答案：C。

二、問題解決中守恒方法的應(yīng)用

守恒法是中學(xué)化學(xué)計算中的一種很重要的方法和技巧，其主要特點是抓住有關(guān)變化的始態(tài)和終態(tài)，利用某種不變量建立關(guān)系式，從而達到簡化思路，快速解題。應(yīng)用化學(xué)守恒方法解決相關(guān)問題，主要依據(jù)是化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是原子間的重新組合，所以一切化學(xué)反應(yīng)都存在著物料守恒和質(zhì)量守恒，氧化-還原反應(yīng)中還存在電子得失守恒與電量守恒，化合物及電解質(zhì)溶液中因為陰陽離子電荷數(shù)守恒，所以呈電中性。若在化學(xué)計算中能夠巧妙地運用守恒的思想，常常能夠避繁就簡，達到事半功倍的效果。在具體解題中，可應(yīng)用單一守恒原理，也可綜合運用多種守恒。

例4：鎂帶在空氣中燃燒生成氧化鎂和氮化鎂。將燃燒后的產(chǎn)物溶解在60 mL 2.0 mol/L的鹽酸中，再用20 mL 0.5 mol/L NaOH溶液恰好中和多余的鹽酸，最后在此溶液中加入過量的堿，把氨全部蒸出來，用稀鹽酸吸收，稀鹽酸增重0.17 g。求鎂帶的質(zhì)量為多少。

分析：此題可單一應(yīng)用電荷守恒，即根據(jù)電解質(zhì)溶液中，陰陽離子所帶電荷數(shù)相等，整個體系仍呈電中性。依題意，知2n（Mg）+n（NH）+n（Na）=n（Cl），代入數(shù)據(jù)：2n（Mg）+0.17/17+0.5×0.02=2.0×0.06，解得：n（Mg）=0.05 mol，m（Mg）=1.2g。

依題意知，本題至少有六個反應(yīng)，按常規(guī)解法非常復(fù)雜，計算容易出錯。若根據(jù)質(zhì)量守恒思想，忽略各反應(yīng)的過程，抓住反應(yīng)結(jié)果，即可知反應(yīng)后的溶液只是NaSO溶液，再根據(jù)電荷守恒，溶液中Na所帶正電荷數(shù)等于SO所帶負電荷數(shù)，再結(jié)合物料守恒，Na的物質(zhì)的量等于NaOH的物質(zhì)的量，SO的物質(zhì)的量等于HSO的物質(zhì)的量。則有， C（HSO）×0.5L×2=2mol/L×0.5L，所以C（HSO）=1mol/L。

總之，守恒觀的構(gòu)建，是教學(xué)理念的落實，是學(xué)習(xí)思維的成長，是學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升。守恒法的巧妙應(yīng)用，能大大提高學(xué)生的自信心，獲得學(xué)習(xí)的滿足感，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望和智慧潛能，充分發(fā)揮學(xué)生內(nèi)在能動力，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的技巧，提高學(xué)習(xí)效率，促進課堂教學(xué)的有效性。