守恒法在化学解题中的应用

守恒思想贯穿着中学化学始终，守恒法的灵活运用能够简化解题过程，从而快速准确地解答题目。现将守恒法的类型及应用归纳如下：

一．守恒法的类型

1．电荷守恒法

在溶液中阳离子所带正电荷总数等于阴离子所带负电荷总数，溶液电中性。

例1.1L混合溶液中含SO₄^2－0.00025mol，Cl^－0.0005mol ,NO₃^－0.00025mol ,Na^＋0.00025 mol ,其余为H^＋，则H^＋物质的量浓度为（  ）。

A．0.0025 mol·L^－1   B．0.0001 mol·L^{－1     C}．0.001 mol·L^－1  D．0.005 mol·L^－1

【分析】由电荷守恒知：

n（Na^＋）＋n（H^＋）= 2n（SO₄^2－）＋n（Cl^－）＋n（NO₃^－）

即     0.00025 mol＋n（H^＋）=2×0.00025 mol＋0.0005 mol＋0.00025 mol

n（H^＋）=0.001 mol  

故c（H^＋）=0.001mol/1L = 0.001mol/L  答案选C

2．电子守恒法

氧化还原反应中，氧化剂失电子总数等于还原剂失电子总数，得失电子守恒。

例2.某氧化剂中，起氧化作用的是X₂O₇^2－离子，在溶液中0.2 mol该离子恰好能使0.6molSO₃^2－离子完全氧化，则X₂O₇^2－离子还原后的化合价为（  ）。

A．＋1        B．＋2        C．＋3          D．＋4

【分析】在上述反应中，氧化剂为X₂O₇^2－，还原剂为SO₃^2－。设反应后X元素的化合价为a.则X元素化合价由＋6降为a，S元素化合价由＋4升为＋6。1molX元素得电子（6－a）mol，1molS元素失电子（6－4）mol=2 mol。由电子守恒知：

2×0.2（6－a）=0.6×2

    a=＋3          答案选C

3．元素守恒法

在一些复杂多步的化学过程中，虽然发生的化学反应多，但某些元素的物质的量、浓度等始终没有发生变化，整个过程中元素守恒。

 例3.有一在空气中暴露过的KOH固体，经分析知其内含水7.62%，K₂CO₃2.88%，KOH90%，若将此样品1g加入到46.00ml的1 mol·L^－1盐酸中，过量的酸再用1.07mol·L^－1KOH溶液中和，蒸发中和后的溶液可得固体多少克？

【分析】此题中发生的反应很多，但仔细分析可知：蒸发溶液后所得固体为氯化钾，其Cl^－全部来自于盐酸中的Cl^－，在整个过程中Cl^－守恒。即     

n（KCl）= n（HCl）

故m（KCl）=0.046L×1 mol·L^－1×74.5 g · mol^－1=3.427 g

4．质量守恒法

在化学反应中，参加反应的反应物的总质量等于反应后生成物的总质量，反应前后质量不变。

 例4.在臭氧发生器中装入100mlO₂，经反应3O₂=2 O₃，最后气体体积变为95ml（体积均为标准状况下测定），则反应后混合气体的密度为多少？

【分析】根据质量守恒定律反应前后容器中气体的质量不变，等于反应前100ml O₂的质量。则反应后混合气体的密度为：

d=（0.1 L /22.4 L·mol^－1 ×32g·mol^－1）/0.095 L =1.5 g·L^－1

5．物料守恒法

物料守恒，即溶液中某一组分的原始浓度应该等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和。

例5.0.1mol/L的NaOH溶液0.2L，通入标准状况下448mL H₂S气体，所得溶液离子浓度大小关系正确的是   （D）

A．c(Na⁺)＞c(HS^－)＞c(OH^－)＞c(H₂S)＞c(S^2－)＞c(H⁺)

B．c(Na⁺)+c(H⁺)=c(HS^－)＋c(S^2－)＋c(OH^－)

C．c(Na⁺)＝c(H₂S)＋c(HS^－)＋c(S^2-)＋c(OH^－)      

D．c(S^2－)＋c(OH^－)＝c(H⁺)＋c(H₂S)

〖分析〗对于溶液中微粒浓度（或数目）的比较，要遵循两条原则：一是电荷守恒，即溶液中阳离子所带正电荷总数等于阴离子所带负电荷总数；二是物料守恒，即溶液中某一组分的原始浓度应该等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和。

   上述溶液实际上是含0.02mol NaHS的溶液。根据上面的规律：

电荷守恒：溶液中阳离子有Na⁺ 、H⁺，阴离子有HS^－、S^2－、OH^－。

c(Na⁺)+c(H⁺)=c(HS^－)＋2c(S^2－)＋c(OH^－)              …………………①

物料守恒：HS^－由于水解和电离，其存在形式为HS^－、S^2－、H₂S。

S=c(S^2-)＋c(HS^－)＋c(H₂S)

而钠元素物质的量等于硫元素物质的量即c(Na⁺)=c(S^2-)＋c(HS^－)＋c(H₂S)②

②代入①中，得c(S^2－)＋c(OH^－)＝c(H⁺)＋c(H₂S) …………………③

另在溶液中，H⁺ 、OH^－都由H₂O电离而来，故H⁺ 、OH^－二者的总量应相等，而H⁺由于HS^－水解的原因存在形式为H⁺、H₂S，OH^－由于HS^－电离的原因存在形式为OH^－、S^2－。同样可得到③。        综上所述，答案选D

二．守恒法的选取

在进行解题时，如何选择并应用上述方法对于正确快速地解答题目十分关键。首先必须明确每一种守恒法的特点，然后挖掘题目中存在的守恒关系，最后巧妙地选取方法，正确地解答题目。

1． 在溶液中存在着离子的电荷守恒和物料守恒。因此涉及到溶液（尤其是混合溶液）中离子的物质的量或物质的量浓度等问题可考虑电荷守恒法物料守恒法。

2．在氧化还原反应中存在着得失电子守恒。因此涉及到氧化还原反应中氧化剂、还原剂得失电子及反应前后化合价等问题可考虑电子守恒法。

3．在某些复杂多步的化学反应中，某些元素的质量或浓度等没有发生变化。因此涉及到多步复杂的化学过程的问题可考虑元素守恒法。

4．在一个具体的化学反应中，由于反应前后质量不变，因此涉及到与质量有关的问题可考虑质量守恒法。

三．习题练习

1．在AlCl₃, Na₂SO₄, NaCl三种盐的混合溶液中，若Na^＋0.7 mol ，SO₄^2－0.2 mol， Cl^－0.6 mol，则溶液中Al^3＋的物质的量为                 （0.1 mol）

2．向100mlFeCl₃溶液中通入标准状况下的H₂S气体2.24L，设H₂S全部被吸收后，再加入过量铁粉，待反应停止后，测得溶液中含有0.6金属阳离子，则原FeCl₃溶液的物质的量浓度为多少？           （4 mol·L^－1）

3．向KI溶液中滴入AgNO₃溶液直至完全反应，过滤后滤液的质量恰好与原溶液质量相等，则AgNO₃溶液中溶质的质量分数为多少？       （72.3%）