例談守恒原理的應用

朱 宏

(云南師范大學實驗中學 650031)

守恒定律是指在化學反應前后,參與化學反應的各物質質量、元素種類、原子間的類型、數目、電子轉移數保持不變;元素的化合價可能改變,但前后化合價升降數不變,即電子轉移數不變.守恒現象很多,本文依托常見原子守恒、電子守恒、電荷守恒原理總結了中學化學中常見的一些題目的解題思路.

1 原子守恒原理

原子守恒即在化學反應前后,各元素原子個數相等.

例1以38.4g銅和適量的濃硝酸發生反應,銅完全反應后,共獲得了標準狀況下22.4L氣體,而反應中消耗的硝酸物質的量可能為( ).

A.1.0mol B.1.6mol C.2.2mol D.2.4mol

解析因為隨著化學反應的發生,以及HNO3含量的變化,所收集的氣體必然是NO2與NO的混合物,則硝酸在和金屬反應時生成的二氧化氮與一氧化氮的總量,即為硝酸呈現氧化性的那組成部分量,而呈現酸性的那部分硝酸則生成硝酸銅,由于化學反應前后氮原子守恒,則化學反應耗費HNO3的物質的量為:

n(硝酸)=2×n[硝酸銅]+n(氮氧化物)

=38.4g÷64g/mol×2+22.4L÷22.4L/mol

=2.2mol

所以,C正確.

例2有一在空氣中暴露后變質的氫氧化鉀固體溶液,分析知其水分為7.62%,碳酸鉀2.83%,氫氧化鉀90%.若把此樣品加在1mol/L的鹽酸溶液46.00mL里,將過量的鹽酸溶液用27.65mL 1.07mol/L氫氧化鉀溶液恰好中和,蒸發溶液可得固體約為( ).

A.3.43g B.4.00g C.4.50g D.1.07g

解析氯元素原子守恒,固體中KCl的質量為:

1.0mol/L×46.00mL/1000×74.5g/mol

=3.43g

故A正確.

例3 將100mL 1mol/L的鹽酸加入一定量的鐵、氧化亞鐵和三氧化二鐵的混合物中,恰好溶解,并收集到標準狀況下224mL氫氣,向所得溶液加入硫氰化鉀后不呈紅色,再加足量氫氧化鈉溶液,使水溶液中的金屬陽離子全部轉成沉淀,并將沉淀在空氣中充分煅燒,將之后的固體在高溫下用足夠量一氧化碳還原,得到Fe的總質量是( ).

A.11 B.2.8g C.5.6g D.無法計算

解析(1)向混合物中加入鹽酸至混合物完全溶解,發生反應:

加入足量的NaOH水溶液,金屬陽離子全部轉成沉淀并完全氧化.

整體分析各元素關系如下:

Fe-FeO-FeCl2-Fe(OH)2-Fe(OH)3-Fe2O3-Fe

根據原子守恒則得出如下關系:

即n(Fe)=n(FeCl2)=1/2n(Cl-)

n(Fe)=1/2×0.1L×1mol/L=0.05mol

故m(Fe)=56g/mol×0.05mol=2.8g

故B答案正確.

例4 把0.4mol二氧化碳水溶液通入1L 0.5mol/L氫氧化鈉水溶液中充分化學反應后,可得到水溶液中NaHCO3與Na2CO3的物質的量的比為( ).

A.1∶3 B.1∶2 C.1∶1 D.3∶1

解析本題如果通過化學方程式來進行計算:

根據原子守恒,在該反應中Na+和碳原子的物質的量將始終不變,即

n(Na+)=0.5mol,n(C)=0.4mol

設NaHCO3和Na2CO3的物質的量分別為xmol、ymol,即可列出兩個等式:

x+y=0.4x+2y=0.5

解得x=0.3mol、y=0.1mol,故x∶y=3∶1

故D正確.

2電子守恒原理

電子守恒是指在氧化還原反應過程中,氧化劑與還原劑轉移電子的物質的量不變.

例5將一份含硫酸銅為0.4mol、氯化鉀為0.2mol的混合水溶液為1L,用惰性電極為陰極電解一段時間后,在其中某電極上析出0.3mol Cu,則另一電極上收集標準狀態下氣體的體積是( ).

A.4.48L B.6.72L C.5.60L D.13.44L

解析根據電化學原理,Cu2+在陰極得電子生成為Cu,即

陰極生成0.3mol Cu,得電子為0.6mol.

陽極中Cl-失電子生成Cl2：

共0.2mol Cl-失去0.2mol電子生成0.1mol Cl2,而根據電子數守恒,在溶液中的OH-應失去電了0.4mol.因

則放出的O2氣體0.1mol,而氣體總物質的總數是0.2mol,故在標準狀況下氣體的體積是0.2mol×22.4 L/mol=4.48L.

故A正確.

例6通入標準狀況下2.24L的氯氣到100mL的溴化亞鐵水溶液中，充分反應后,水溶液中溴離子約1/3被氧化生成溴單質,則原溴化亞鐵溶液物質的量濃度為( ).

A.0.6mol/L B.1.2mol/L C.1.8mol/L D.2.24mol/L

解析設FeBr2溶液濃度為xmoL/L,按照電子守恒原則可知從氯氣得電子的物質的量,相當于亞鐵離子和溴離子失電子的物質的量之和,則:

2.24L/22.4L/mol×2

=0.1x×1+(0.1x/3)×2×1

解得x=1.2mol/L.

故B正確.

例7在一定量的濃硝酸中加入1.92g銅單質,銅全部溶解,生成氣體顏色逐漸變淺,收到標準狀況下的氣體為672mL,把盛氣體的儀器倒扣到水內，標準狀況下一定體積的氧氣恰好使氣體溶于水中,則通入氧氣的體積為( ).

A.112mL B.224mL C.336mL D.448mL

解析向HNO3反應還原生成NO2、NO,則銅失電子數目應等于硝酸得電子數目,向容器中通入氧氣，使二氧化氮、一氧化氮轉變為硝酸時,則二氧化氮、一氧化氮失去電子的量應等于氧氣得電子的量.Cu失去的電子最終給了O2,由得失電子守恒可得:

4n(O2)=2n(Cu)

故V(O2)=n(O2)×Vm=n(Cu)/2×Vm

=1.92g÷64g/mol÷2×22.4L/mol

=0.336L=336mL.

故C正確.

3 電荷守恒原理

主要指在電解質水溶液中或某化合物里陰陽離子所帶的正負電荷數量相等.

例8常溫下,將稀硫酸與氨水混合,所得溶液的pH=7,則此溶液中( ).

解析根據電荷守恒原理,在溶液中

故C正確.

例93.2g銅和30mL 8mol/L硝酸溶液充分反應,硝酸的還原物質有二氧化氮和一氧化氮,反應后H+的物質的量為amol,則此時溶液含硝酸根離子的物質的量為( ).

A.(a+0.1)mol B.(a+0.2)mol

C.(2a+0.1)mol D.(2a+0.2)mol

n(Cu2+)×2+n(H+)×1=n(NO3-)×1

故A正確.

A.3 B.4 C.5 D.6

解析先按照題意把系統內存在的全部帶電粒子都寫出：

故C正確.

A.0.15mol/L B.0.2mol/L

C.0.3mol/L D.0.4mol/L

解析依據電荷守恒原理,在溶液中

c(K+)+c(H+)+3c(Al3+)=2c(SO42-)+c(OH-)

c(OH-)忽略不計,故c(K+)=0.3mol/L.

故C正確.