守恒法在化学计算中的应用

守恒法在化学计算中的应用 白双桃 守恒法是中学化学常用的一种解题技巧 它不纠缠过程细节 即只看结果 不要过程 这样往往能抓住本质 突破难点 避繁就简 尤其是在解选择题时 可节省做题时间 提 高解题速率 化学计算中常用到的守恒法有得失电子守恒 质量守恒 电荷守恒 物料守 恒等 现将适宜于从守恒角度进行解析的常见问题例举如下 一 得失电子守恒 得失电子守恒法 或化合价升降守恒法 常用于氧化还原反应中氧化产物 还原产物 的判断及相关计算 得失电子守恒式 氧化剂的物质的量 化学式中变价元素的原子个数 化合价的变化值 还原剂的物质 的量 化学式中变价元素的原子个数 化合价的变化值 例 1 250 mL 2 4 mol L 的 Na2SO3溶液恰好把 0 2 mol 的还原 则 X 在还原产 2 72O X 物中的化合价为多少 答案 3 价 解析 设 X 在还原产物中的化合价为x 根据氧化还原反应中得失电子守恒式得 2 4 mol L 0 25 L 2 0 2 mol 6 x 2 x 3 例 2 某温度下 将 Cl2通入 KOH 溶液中 反应后得到 KCl KClO KClO3的混合液 经测定 ClO 和个数比为 1 2 则 Cl2与 KOH 溶液反应时 被还原的氯原子与被氧化ClO3 的氯原子的物质的量之比为 A 3 1 B 4 3 C 11 3 D 2 3 答案 C 解析 设 ClO 为x个 由题意知 为 2x个 它们共失去电子为 11x个 由电子ClO3 得失守恒知必有 11x个 Cl 生成 所以被还原的氯与被氧化的氯的原子个数比为 11x x 2x 11 3 故选 C 例 3 在一定条件下 分别以高锰酸钾 氯酸钾和过氧化氢为原料制取氧气 当制得 同温同压下相同体积的氧气时 三个反应中转移的电子数之比为 A 1 1 1 B 4 3 2 C 2 3 1 D 2 2 1 答案 D 解析 一般化学或离子方程式中氧化剂或氧化产物只有 O2时 方程中只要有过氧化物 参加或生成 反应或生成 1molO2 转移 2mol 电子 方程中无过氧化物参加或生成 反应 或生成 1molO2 转移 4mol 电子 假设各生成 1molO2 利用上述规律可得反应中转移的电 子的物质的量分别为 4mol 4mol 2mol 所以电子数之比为 2 2 1 故选 D 例 4 金属铜的提炼多从黄铜矿开始 在黄铜矿的焙烧过程中主要反应之一的化学方 程式为 2CuFeS2 O2 Cu2S 2FeS SO2 下列说法不正确的是 A O2只作氧化剂 B CuFeS2既是氧化剂又是还原剂 C SO2既是氧化产物又是还原产物 D 若有 1 mol O2参加反应 则反应中共有 4 mol 电子移转 答案 D 解析 因为 Fe3 能氧化 S2 所以 CuFeS2中 Fe 为 2 价 元素的化合价变化为 Cu 由 2 价降到 1 价 S 由 2 价升高到 4 价 既作氧化剂又作还原剂 O2中氧元素降到 2 价 因此 SO2既是氧化产物又是还原产物 反应中除 O2得电子外 2 价 Cu 也得电子 若有 1 mol O2参加反应 则反应中有 6 mol 电子转移 故选 D 例5 5 12 g Cu 和一定质量的浓硝酸反应 当 Cu 反应完时 共收集到标准状况下的 气体3 36 L 若把装有这些气体的集气瓶倒立在盛水的水槽中 需通入多少升标准状况下 的氧气才能使集气瓶充满溶液 答案 0 896 L 解析 铜失去电子的物质的量 被还原的硝酸得到电子的物质的量 氧化还原产 物 NO NO2消耗的氧气得电子的物质的量 省去中间计算过程 即可简化为 铜失去电子 的物质的量 氧气得电子的物质的量 则有 n Cu 2 n O2 4 n O2 5 12 g 64 g mol 1 2 0 04 mol V O2 0 04 mo 22 4L mol 0 896 L 例 6 铜和镁合金 4 6 克完全溶于浓硝酸 若反应中硝酸被还原的产物只有 4480ml 的 NO2和 336mlN2O4 标况下 在反应后的溶液中加入足量的 NaOH 溶液 生成的沉淀质量 A 9 02g B 8 51g C 8 26g D 7 04g 答案 B 解析 反应中铜镁合金失去电子 最终转化为 Cu OH 2 和 Mg OH 2 沉淀 比较始态和终 态 固体增加的质量为 OH 的质量 而 OH 的物质的量等于转移的电子的物质的量 再根据气 体计算转移的电子的物质的量 n 4 48 22 4 0 336 22 4 2 0 23mol 所以沉淀的质量 为 4 6 0 23 17 8 51 g 故选 B 例5 6若用常规方法 计算步骤多且容易出错 用电子守恒法能使计算过程大大简化 二 电荷守恒 电荷守恒即电解质溶液中的阴离子所带的负电荷总数等于阳离子所带的正电荷总数 电荷守恒法适合已知溶液中几个离子的量 求另外一种离子的量的计算题 也适合缺数 据而不能直接求解的混合物的计算题如比较溶液中离子浓度的大小 电荷守恒法解题时的计算公式 阳离子所带电荷数 阳离子的浓度或物质的量或微 粒个数 阴离子所带电荷数 阴离子的浓度或物质的量或微粒个数 易错点 忘记乘以阴阳离子所带的电荷数 例 1 测得某溶液中仅含有 Na Mg2 SO42 Cl 四种离子 其中离子个数比 Na Mg2 Cl 4 5 8 如假设 Na 为 4n 个 则 SO42 可能为 A 2n 个 B 3n 个 C 6n 个 D 8n 个 答案 B 解析 根据电荷守恒知 4n 1 5n 2 8n 1 n SO42 2 解得 n SO42 3n 故选 B 例 2 某市对大气进行监测 发现该市首要污染物为可吸入颗粒物 PM2 5 直径小于等 于 2 5 m 的悬浮颗粒物 将 PM2 5样本用蒸馏水处理制成待测试样 若测得该试样所含水 溶性无机离子的化学组分及其平均浓度如下表 离子K Na NH4 SO42 NO3 Cl 浓度 mol L4 10 66 10 62 10 54 10 53 10 52 10 5 根据表中数据判断 PM2 5的酸碱性为 试样的 pH 答案 酸性 4 解析 根据电荷守恒得 c K c H c Na c NH4 c OH 2c SO42 c NO3 cCl 而 c OH c H 10 14 代入具体数据计算可得 c OH 10 10mol L c H 10 4 mol L 故 pH 值为 4 显酸性 例 3 常温下 将甲酸 HCOOH 与 NaOH 溶液混合 所得溶液的 pH 7 则此溶液中 A c HCOO c Na B c HCOO c Na C c HCOO c Na D 无法确定c HCOO 和c Na 的大小关系 答案 C 解析 用电荷守恒法进行分析 混合后溶液中所存在的离子共有 HCOO Na H OH 四种 根据电荷守恒法可得出c Na c H c HCOO c OH 由于溶液的 pH 7 溶液呈中性 则有c H c OH 进而可推出c Na c HCOO 答案为 C 习题变形 将所得溶液的 pH 7 改为所得溶液的 pH 7 即c H c OH 可推出 c Na c HCOO 答案为 B 若改为所得溶液的 pH 7 即c H c OH 可推出 c Na c HCOO 答案为 A 例 4 将 8g Fe2O3投入 150mL 某浓度的稀硫酸中 再投入 7g 铁粉收集到 1 68L H2 标准状况 同时 Fe 和 Fe2O3均无剩余 为了中和过量的硫酸 且使溶液中铁元素完 全沉淀 共消耗 4mol L 的 NaOH 溶液 150mL 则原硫酸的物质的量浓度为 A 1 5mol L B 0 5mol L C 2mol L D 1 2mol L 答案 C 解析 粗看题目 这是一利用关系式进行多步计算的题目 操作起来相当繁琐 但如 能仔细阅读题目 挖掘出隐蔽条件 不难发现 反应后只有 Na2SO4存于溶液中 且反应过 程中 SO42 并无损耗 根据电荷守恒原则 2 n SO42 n Na 则原硫酸的浓度为 0 3mol 0 15L 2mol L 故选 C 三 原子守恒 原子守恒法的依据是基于化学反应前后原子的种类和数目不变的守恒现象 原子守恒 即反应前后各元素种类不变 各元素原子个数不变 其物质的量 质量也不变 以此为基 础可求出与该原子 或原子团 相关连的某些物质的数量 如质量 原子守恒是一切化学反 应的依据 例 1 将 0 8molCO2完全通入 1L1mol LNaOH 溶液中充分反应后 所得溶液中 HCO3 和 CO32 的物质的量之比为 A 3 1 B 2 1 C 1 1 D 1 3 答案 A 解析 因为反应前后质量守恒 原子的种类及数目不会改变 所以在反应中钠离子与 碳原子守恒 假设 NaHCO3和 Na2CO3的物质的量分别为 X Y 则根据碳原子守恒有 X Y 0 8mol 根据钠原子守恒有 X 2Y 1mol 解之得 X 0 6mol Y 0 2mol 故 X Y 3 1 选 A 例 2 有镁铁混合物 12g 将其溶于 500ml 4mol L 盐酸里 若要使沉淀质量达到最大值 则需要加入 2mol L KOH 溶液的体积为 A 1000ml B 500 ml C 100ml D 1500ml 解析 根据 Cl K 原子守恒得 n HCl n KCl n KOH 4mol L 1 0 5 L 2 mol 故 KOH 溶液的体积为 1000ml 例 3 38 4 g 铜跟适量的浓 HNO3反应 铜全部作用后 共收集到气体 22 4 L 标准状 况 反应消耗的 HNO3物质的量可能为 A 1 6mol B 2 0 mol C 2 2mol D 2 4 mol 答案 C 解析 经分析 Cu 与 HNO3反应生成了 Cu NO3 2和 NOx 不管生成的 22 4 L 气体为何成 分 都是 HNO3的还原产物 在反应中 HNO3起两种作用 一种是酸性 另一种是氧化性 由 反应前后 N 原子守恒列出 n 消耗的 HNO3 n 酸性 HNO3 n 氧化性的 HNO3 Cu Cu NO3 2 2HNO3 酸性 NOx HNO3 氧化性 1 1 2 1 1 0 6mol 1 2 mol 1mol 1 mol 反应中共消耗 HNO3 1 2 mol 1 mol 2 2 mol 所以答案为 C 四 上述三个守恒的综合应用 1 燃料电池电极反应式的书写 负极先根据电子守恒写出失去的电子数及产物 同时遵循变价元素的原子守恒 然后 根据电荷守恒配 H 或 OH 最后使用原子守恒配平 正极一般是 O2得电子 遵循 1molO2 得 4mol 电子 根据电解质溶液的酸碱性依据电荷守恒即可写出电极反应式 例 1 乙醇 氧气 H2SO4溶液 负极 C2H5OH 12 e 2CO2 左边 12 个正电荷 所以右边需配 12 H C2H5OH 12 e 2CO2 12 H 根据 H 守恒左边配 3H2O C2H5OH 12 e 3H2O 2CO2 12 H 正极 O2 4e 4 H 2H2O 例 2 乙醇 氧气 KOH 溶液 负极 C2H5OH 12 e 2CO32 右边 4 个负电荷 所以左边需配 16 OH C2H5OH 12 e 16 OH 2CO32 根据 H 守恒右边配 11H2O C2H5OH 12 e 16 OH 2CO32 11H2O 正极 O2 4e 4 OH O2 4e 2H2O 4 OH 2 配平化学方程式 例 1 在xR2 yH O2 mR3 nH2O 的离子反应中 化学计量数x 解析 氧化剂 O2得电子总数为 2 2e 还原剂 R2 失电子总数为x 3 2 e 由电子 守恒得 2 2 x 3 2 x 4 例 2 Cr2O7x 与 S2 能在酸性溶液中发生如下反应 aCr2O7x bS2 cH dCr3 eS fH2O 若 b 3 d 2 则 Cr2O7x 中 Cr 的化合价为 A 4 B 5 C 6 D 7 答案 C 解析 aCr2O7x bS2 cH dCr3 eS fH2O 若 b 3 由 S 守恒得 e 3 若 d 2 由 Cr 守恒得 a 1 进而由 O 守恒可知 f 7 由 H 守恒得 c 14 原离子方程式为 Cr2O7x 3S2 14H 2Cr3 3S 7H2O 由电荷守恒可得 14 x 2 3 3 2 则 x 2 所以 Cr2O7x 中 Cr 的化合价为 6 价 练习 高铁酸钠 Na2FeO4 是一种新型净水剂 制取高铁酸钠的离子反应方程式为 Fe3 OH Cl2 FeO42 Cl H2O 该反应的离子方程式中 H2O 的化学计量数是 A 4 B 6 C 10 D 8 答案 D Br 与 BrO3 在酸性条件下可发生氧化还原反应生成 Br2和水 请写出其离子 方程式 答案 5Br BrO3 6H 3Br2 3H2O 3 向 27 2gCu 和 Cu2O 的混合物中加入某浓度的稀硝酸 0 5L 固体物质完全反应 生 成 NO 和 Cu NO3 2 在所得溶