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在物质的变化过程中,不管是化学反应还是物理反应,都存在下列一种情形,即反应前后的某些特定量保持不变,基于这一点,可以忽略物质变化中的复杂环节,仅抓住其中的守恒关系,快速地求解问题.
一、高中化学解题中常见的守恒法
1.元素守恒
元素守恒指的是化学反应过程中,元素种类不变,改变的仅是元素的存在形式,根据这一点对化学问题进行求解,可以使解题又快又准.特别是对于一些含有“恰好”“刚好”“全部”“完全”等字眼的题目,要格外注意其中的元素守恒关系.
例1标准状况下,76.8 g Cu与适量的浓HNO3发生反应,反应完毕后,Cu全部消失,并生成气体44.8 L,则反应中消耗的n(HNO3)可能是()
(A)2.0 mol(B) 3.2 mol(C)4.4 mol(D)4.8 mol
分析:这道题目中包含一个隐性条件,即随着反应的不断进行,浓HNO3逐渐变为稀HNO3,所生成的气体中既有NO2也有NO,虽可求出气体总的物质的量为2 mol,但由于无法确定两种气体的物质的量之比,许多同学会觉得无从下手.如果抛开反应的中间过程,直接分析HNO3中N元素的归属,可知N元素共有三种去处,分别是NO2、NO、Cu(NO3)2,因此所消耗HNO3中的N元素与三种含氮产物中的N元素是等量的,则
n(HNO3)=n(NO2)+n(NO)+2n[Cu(NO3)2]=2 mol+2×76.8 g/64 g•mol-1=4.4 mol.
2.电子守恒
电子守恒即氧化还原反应中,氧化剂得电子总数等于还原剂失电子总数.
例2现有28 g铜银合金,将其加入足量的硝酸中进行反应,所生成的气体先与2.24 L氧气混合,然后通入水中,发现气体刚好被完全吸收,则此铜银合金中所含银的质量为()
(A)6.4 g(B)9.6 g (C)12.8 g (D)21.6g
分析:本题有几个思维的难点,一是混合气体与水的反应是一个多步反应,二是题目中未注明硝酸是浓硝酸还是稀硝酸,因此无法确定铜与硝酸发生的是何种形式的反应,反应生成的气体有可能是NO,也有可能是NO2和NO的混合物,如果按照一贯的解题思路,就会在这里陷入困境.如果将整个反应过程进行合并,那么铜和银就是反应的还原剂,氧气就是反应的氧化剂,NO2和NO只是反应的中间产物.根据电子守恒,铜和银所失去的电子总数等于氧气得到的电子总数,由此可得:①m(铜)+m(银)=n(铜)×64 g•mol-1 +n(银)×108 g•mol-1=28 g;②2n(铜)+n(银)=4n(氧气)=2.24 L/22.4 L•mol-1,联立两式可以解得:n(银)=0.2 mol,m(银)=21.6 g.
3.电荷守恒
电荷守恒指的是在离子化合物及电解质溶液中,阴离子所带的负电荷数等于阳离子所带的正电荷数,离子化合物及溶液本身呈电中性.
例3已知HCN的酸性弱于HF,现有体积及物质的量浓度都相等的KF和KCN溶液两份,KF溶液中的离子总数为a,KCN溶液中的离子总数为b,则下面选项中错误的是()
(A)a=b(B)a>b
(C) ac(CN-)
分析:一般碰到电解质溶液中有关离子含量的问题时,都会用到电荷守恒,以本题为例,所涉及的知识点有以下几点:一是电荷守恒,二是越弱的电解质,对应离子水解程度越高,三是相同温度下,稀溶液中的Kw是定值.
由电荷守恒可知:
①c(F-)+c1(OH-)=c(K+)+c1(H+),②c(CN-)+c2(OH-)=c(K+)+c2(H+).由于HCN的酸性弱于HF,可知KCN的水解程度高,则c(F-)>c(CN-),c1(OH-)c2(H+).又由①、②两式可知,KF溶液的离子浓度大于KCN溶液,即KF溶液的离子数目大于KCN溶液,a>b.
4.化合价守恒
化合价守恒即氧化还原反应中化合价升降总数相等.
例4Zn与HNO3发生反应,如果每10 mol HNO3参与反应时,发生转移的电子数为8 mol,则HNO3的还原产物中N的化合价为()
分析:题目中提到“每10 mol HNO3参与反应时,发生转移的电子数为8 mol”,说明Zn与HNO3反应的情况比较复杂,要确定本题中所发生反应的化学方程式是比较麻烦的.但我们可以确定的是该反应中只有一种还原剂Zn,且每1mol Zn发生反应时就有2 mol电子发生转移,因此,转移8 mol电子时,一定有4 mol Zn发生反应,生成4 mol Zn(NO3)2,剩下的2 mol NO-3分两种情况,一是NO-3全部被还原,则(5-n)×2=8,n=1;二是只有1 mol NO-3被还原,则5-n=8,n=-3,因此还原产物中N的化合价为+1或-3.
二、高中化学解题中守恒法的选择原则
在高中化学解题中,快速地选择正确的守恒法对于提高解题速率是十分关键的,下面就对化学守恒法的几种选择原则进行分类阐述:(1)涉及多步反应时,某元素的物质的质量保持恒定,可以考虑元素守恒法.(2)涉及溶液中离子浓度、数量有关问题时,常用电荷守恒法.(3)涉及氧化还原反应中得失电子问题或化合价问题时,常用电子守恒法或化合价守恒法.
综上所述,守恒思想是高中化学中非常重要的一种解题思想,在解题时不但要掌握守恒法的运用思路,还要掌握守恒法的选择原则.只有认真挖掘题目中的守恒关系,将各种守恒法准确、灵活的运用到解题之中,才能简化解题思路,有效提高解题的速率.
一、高中化学解题中常见的守恒法
1.元素守恒
元素守恒指的是化学反应过程中,元素种类不变,改变的仅是元素的存在形式,根据这一点对化学问题进行求解,可以使解题又快又准.特别是对于一些含有“恰好”“刚好”“全部”“完全”等字眼的题目,要格外注意其中的元素守恒关系.
例1标准状况下,76.8 g Cu与适量的浓HNO3发生反应,反应完毕后,Cu全部消失,并生成气体44.8 L,则反应中消耗的n(HNO3)可能是()
(A)2.0 mol(B) 3.2 mol(C)4.4 mol(D)4.8 mol
分析:这道题目中包含一个隐性条件,即随着反应的不断进行,浓HNO3逐渐变为稀HNO3,所生成的气体中既有NO2也有NO,虽可求出气体总的物质的量为2 mol,但由于无法确定两种气体的物质的量之比,许多同学会觉得无从下手.如果抛开反应的中间过程,直接分析HNO3中N元素的归属,可知N元素共有三种去处,分别是NO2、NO、Cu(NO3)2,因此所消耗HNO3中的N元素与三种含氮产物中的N元素是等量的,则
n(HNO3)=n(NO2)+n(NO)+2n[Cu(NO3)2]=2 mol+2×76.8 g/64 g•mol-1=4.4 mol.
2.电子守恒
电子守恒即氧化还原反应中,氧化剂得电子总数等于还原剂失电子总数.
例2现有28 g铜银合金,将其加入足量的硝酸中进行反应,所生成的气体先与2.24 L氧气混合,然后通入水中,发现气体刚好被完全吸收,则此铜银合金中所含银的质量为()
(A)6.4 g(B)9.6 g (C)12.8 g (D)21.6g
分析:本题有几个思维的难点,一是混合气体与水的反应是一个多步反应,二是题目中未注明硝酸是浓硝酸还是稀硝酸,因此无法确定铜与硝酸发生的是何种形式的反应,反应生成的气体有可能是NO,也有可能是NO2和NO的混合物,如果按照一贯的解题思路,就会在这里陷入困境.如果将整个反应过程进行合并,那么铜和银就是反应的还原剂,氧气就是反应的氧化剂,NO2和NO只是反应的中间产物.根据电子守恒,铜和银所失去的电子总数等于氧气得到的电子总数,由此可得:①m(铜)+m(银)=n(铜)×64 g•mol-1 +n(银)×108 g•mol-1=28 g;②2n(铜)+n(银)=4n(氧气)=2.24 L/22.4 L•mol-1,联立两式可以解得:n(银)=0.2 mol,m(银)=21.6 g.
3.电荷守恒
电荷守恒指的是在离子化合物及电解质溶液中,阴离子所带的负电荷数等于阳离子所带的正电荷数,离子化合物及溶液本身呈电中性.
例3已知HCN的酸性弱于HF,现有体积及物质的量浓度都相等的KF和KCN溶液两份,KF溶液中的离子总数为a,KCN溶液中的离子总数为b,则下面选项中错误的是()
(A)a=b(B)a>b
(C) ac(CN-)
分析:一般碰到电解质溶液中有关离子含量的问题时,都会用到电荷守恒,以本题为例,所涉及的知识点有以下几点:一是电荷守恒,二是越弱的电解质,对应离子水解程度越高,三是相同温度下,稀溶液中的Kw是定值.
由电荷守恒可知:
①c(F-)+c1(OH-)=c(K+)+c1(H+),②c(CN-)+c2(OH-)=c(K+)+c2(H+).由于HCN的酸性弱于HF,可知KCN的水解程度高,则c(F-)>c(CN-),c1(OH-)
4.化合价守恒
化合价守恒即氧化还原反应中化合价升降总数相等.
例4Zn与HNO3发生反应,如果每10 mol HNO3参与反应时,发生转移的电子数为8 mol,则HNO3的还原产物中N的化合价为()
分析:题目中提到“每10 mol HNO3参与反应时,发生转移的电子数为8 mol”,说明Zn与HNO3反应的情况比较复杂,要确定本题中所发生反应的化学方程式是比较麻烦的.但我们可以确定的是该反应中只有一种还原剂Zn,且每1mol Zn发生反应时就有2 mol电子发生转移,因此,转移8 mol电子时,一定有4 mol Zn发生反应,生成4 mol Zn(NO3)2,剩下的2 mol NO-3分两种情况,一是NO-3全部被还原,则(5-n)×2=8,n=1;二是只有1 mol NO-3被还原,则5-n=8,n=-3,因此还原产物中N的化合价为+1或-3.
二、高中化学解题中守恒法的选择原则
在高中化学解题中,快速地选择正确的守恒法对于提高解题速率是十分关键的,下面就对化学守恒法的几种选择原则进行分类阐述:(1)涉及多步反应时,某元素的物质的质量保持恒定,可以考虑元素守恒法.(2)涉及溶液中离子浓度、数量有关问题时,常用电荷守恒法.(3)涉及氧化还原反应中得失电子问题或化合价问题时,常用电子守恒法或化合价守恒法.
综上所述,守恒思想是高中化学中非常重要的一种解题思想,在解题时不但要掌握守恒法的运用思路,还要掌握守恒法的选择原则.只有认真挖掘题目中的守恒关系,将各种守恒法准确、灵活的运用到解题之中,才能简化解题思路,有效提高解题的速率.