應用守恒法解決化學計算問題

◇ 江蘇 徐 磊

化學是以實驗為基礎的自然學科.實驗分為定性實驗和定量實驗,所以化學計算是化學的一個重要方面,它體現了學生對實驗數據的分析和處理能力.高考化學中每年都有一些定量運算類試題,這些試題一般來說都可以根據化學方程式及反應的過程,篩選數據并應用數據進行計算,但這樣的運算過程會比較繁雜,其實可以用守恒法解決問題.通過化學中的三個定量守恒法則,即原子數目守恒、電荷守恒以及氧化還原反應中的電子得失數目守恒,找到反應中的守恒關系即可正確解決相關問題.

例單質硫在Na OH的熱溶液中發生歧化反應:3S＋6Na OH＝2 Na2S＋Na2SO3＋3 H2O,若硫過量,進一步反應生成 Na2Sx(x≤5)和 Na2S2O3.將2.56 g S與含0.06 mol Na OH的熱溶液充分反應恰好生成amol Na2Sx和bmol Na2S2O3,再加入足量的NaCl O與Na OH的混合溶液,硫元素全部轉化為Na2SO4,轉移電子nmol,則以下各選項正確的是( ).

A.a＝2bB.x＝2

C.n＝0.48 D.b＝0.02

解析

本題是一個關于氧化還原反應計算的選擇題,涉及的氧化還原反應比較多,我們可以將試題進行抽象描述如圖1所示.

圖1

由圖示表征我們可以看出在該題中發生的氧化還原反應有5個(這里就不一一寫出),如果根據氧化還原反應的方程式計算,則計算的過程過于繁雜.氧化還原反應中不僅存在反應前后的原子數目守恒,同時還存在著氧化還原反應的電子得失數目守恒,因此可通過守恒法簡化解決問題的過程.

根據題中所給的已知條件可以把題中反應分為兩個階段:第一階段,硫與氫氧化鈉反應生成的產物是硫代硫酸鈉(Na2S2O3)和多硫化鈉(Na2Sx);第二階段,在所得的硫代硫酸鈉和多硫化鈉溶液中加入足量的Na Cl O和Na OH混合溶液,將所有價態的硫元素都氧化為Na2SO4中的＋6價硫元素.

根據鈉原子數目守恒,Na OH溶液中鈉原子物質的量等于amol Na2Sx和bmol Na2S2O3中的鈉原子的物質的量,所以可得方程

根據硫原子數目守恒,可得方程

再根據氧化還原反應中得失電子數目相等尋找第三個方程:得電子的變化是從硫變為多硫化鈉(Na2Sx),這里我們可以用整體法即將S2－x看成整體為－2價,也可以根據化合價代數和為零,標出單個硫原子的化合價為,在應用時是一樣的,因此我們可以得出生成amol Na2Sx時得到的電子數為2amol;同樣發生氧化反應失去電子的過程是從硫變為硫代硫酸鈉(Na2S2O3),其中硫元素的化合價為＋2價,則得到生成bmol Na2S2O3時失電子數為4bmol,從而就可以根據電子得失數目守恒得到第三個方程

同樣,由于nmol電子是在第二階段氧化還原中發生的電子轉移,所以我們可以根據第二階段發生的氧化還原反應的電子得失數目守恒解決問題.在此變化中由于加入的是足量的氧化劑,無法計算氧化劑得電子數,但還原劑多硫化鈉和硫代硫酸鈉的物質的量已知,所以我們可以根據氧化還原反應中電子轉移數等于氧化劑總的得電子數也等于還原劑總的失電子數進行計算,即根據amol Na2Sx轉化為Na2SO4失電子數為(6xa＋2a)mol,而bmol Na2S2O3轉化為Na2SO4失電子數為8bmol,從而可以得到如下方程

將以上①②③④4個方程式聯立,就可以解得a＝0.02,b＝0.01,x＝3,n＝0.48.

我們再來看一看n的求算,其實雖然從表面看是在求第二個階段的電子得失數目或者說轉移數目,但實際上同樣可認為是硫元素由0價最終變成了＋6價,所以可得轉移的電子數即為n＝0.08×6＝0.48.

由以上典例的問題解決我們可以看到,應用反應中的原子守恒、氧化還原反應中得失電子數目守恒以及離子反應中的電荷守恒,可以將動態的反應過程簡化,根據守恒的法則就可以更為簡便地解決問題.