守恒觀在高中化學計算教學中的建模初探

郭朝明

摘?要：積極培養學生的守恒意識，構建守恒觀，運用守恒法，快速、準確地幫助學生解決化學問題，提升化學學科素養，提高化學問題的解題能力。化學學科中的守恒主要包括質量守恒、物料守恒、得失電子守恒和電荷守恒。

關鍵詞：化學教學?守恒觀?方法和技巧?建模

發展心理學認為，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。高中化學計算教學，知識難度較大，學生往往難于掌握。守恒觀的構建和應用，能很好地幫助學生開啟思維，快速找尋知識突破點，實現有效教學并提高學習效率。

一、課堂教學中守恒意識的培養

高中學生在學習化學計算知識時常感到難度大，思維打不開，容易產生畏難情緒。教師在化學計算教學過程中應有意識地培養學生守恒意識，訓練守恒思維，在許多計算試題中，若能巧妙運用守恒法，常可達到事半功倍的效果。長期堅持使用守恒法解題，有助于形成高效思想，提高學習效率。

比如，質量守恒意識的培養。質量守恒定律是指化學反應前后各物質的質量總和相等。其本質是：化學反應前后，各元素原子的種類和數目沒有改變。質量守恒是初三化學的重點，高中階段一般要求學生能快速靈活運用。質量守恒運用于化學計算時，題意往往不是單一的化學反應，因此，解題時應從思維上跳出題目，宏觀把握題意，再結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，將產生的沉淀過濾、洗滌、干燥、灼燒后，剩余固體粉末的質量與原合金質量恰好相等，則合金中鋁的質量分數是多少？

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全部轉化為[Al（OH）]，Fe全部轉化為Fe（OH）白色沉淀，經過濾、洗滌、干燥、灼燒等過程，Fe（OH）白色沉淀迅速變為紅褐色的Fe（OH）沉淀，而后灼燒分解得到FeO固體粉末。相關方程式為Al+ 4OH=[Al（OH）]，Fe+ 2OH=Fe（OH）↓，4Fe（OH）+O+2HO=4Fe（OH），2Fe（OH）= FeO+3HO（加熱）。因剩余固體粉末的質量與原合金質量恰好相等，且合金中的Fe元素全部轉至剩余固體粉末（FeO），所以合金中鋁的質量即與固體粉末中氧元素的質量相等，即鋁的質量分數等于固體粉末中氧元素的質量分數。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，合金質量減少了5.4g。另取等質量的合金溶于過量稀硝酸中，生成了8.96LNO（標準狀況），向反應后的溶液中加入適量NaOH溶液，使Fe、Al、Cu恰好完全轉化為沉淀，則沉淀的質量為（?）

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的性質的應用。可有多種解法。用電量守恒法，快速簡便。依題意知，三種金屬與稀硝酸反應時，硝酸過量，則三種金屬失去的電子數之和與硝酸被還原成NO時所獲得的電子總數相等，另，金屬失電子后轉變成金屬陽離子，每失1mol電子，在金屬陽離子轉化成沉淀時要結合1mol的OH，因此，由原先合金最終轉化為沉淀固體所增加的質量即為增加的OH質量，而增加的OH物質的量又等于轉移的電子總數，即n（OH）=n（電子）=8.96L/22.4L·mol×3=1.2mol，最后沉淀的質量為1.2mol×17g/mol+20.6g=41.0g，答案：C。

二、問題解決中守恒方法的應用

守恒法是中學化學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變化的始態和終態，利用某種不變量建立關系式，從而達到簡化思路，快速解題。應用化學守恒方法解決相關問題，主要依據是化學反應的實質是原子間的重新組合，所以一切化學反應都存在著物料守恒和質量守恒，氧化-還原反應中還存在電子得失守恒與電量守恒，化合物及電解質溶液中因為陰陽離子電荷數守恒，所以呈電中性。若在化學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。求鎂帶的質量為多少。

分析：此題可單一應用電荷守恒，即根據電解質溶液中，陰陽離子所帶電荷數相等，整個體系仍呈電中性。依題意，知2n（Mg）+n（NH）+n（Na）=n（Cl），代入數據：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，按常規解法非常復雜，計算容易出錯。若根據質量守恒思想，忽略各反應的過程，抓住反應結果，即可知反應后的溶液只是NaSO溶液，再根據電荷守恒，溶液中Na所帶正電荷數等于SO所帶負電荷數，再結合物料守恒，Na的物質的量等于NaOH的物質的量，SO的物質的量等于HSO的物質的量。則有， C（HSO）×0.5L×2=2mol/L×0.5L，所以C（HSO）=1mol/L。

總之，守恒觀的構建，是教學理念的落實，是學習思維的成長，是學生學習能力的提升。守恒法的巧妙應用，能大大提高學生的自信心，獲得學習的滿足感，激發學生的創造欲望和智慧潛能，充分發揮學生內在能動力，有利于培養學生發現的技巧，提高學習效率，促進課堂教學的有效性。