應(yīng)用守恒法解決化學(xué)計(jì)算問題

◇ 江蘇 徐 磊

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科.實(shí)驗(yàn)分為定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn),所以化學(xué)計(jì)算是化學(xué)的一個(gè)重要方面,它體現(xiàn)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理能力.高考化學(xué)中每年都有一些定量運(yùn)算類試題,這些試題一般來說都可以根據(jù)化學(xué)方程式及反應(yīng)的過程,篩選數(shù)據(jù)并應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,但這樣的運(yùn)算過程會(huì)比較繁雜,其實(shí)可以用守恒法解決問題.通過化學(xué)中的三個(gè)定量守恒法則,即原子數(shù)目守恒、電荷守恒以及氧化還原反應(yīng)中的電子得失數(shù)目守恒,找到反應(yīng)中的守恒關(guān)系即可正確解決相關(guān)問題.

例單質(zhì)硫在Na OH的熱溶液中發(fā)生歧化反應(yīng):3S＋6Na OH＝2 Na2S＋Na2SO3＋3 H2O,若硫過量,進(jìn)一步反應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)化為Na2SO4,轉(zhuǎn)移電子nmol,則以下各選項(xiàng)正確的是( ).

A.a＝2bB.x＝2

C.n＝0.48 D.b＝0.02

解析

本題是一個(gè)關(guān)于氧化還原反應(yīng)計(jì)算的選擇題,涉及的氧化還原反應(yīng)比較多,我們可以將試題進(jìn)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(fā)生的氧化還原反應(yīng)有5個(gè)(這里就不一一寫出),如果根據(jù)氧化還原反應(yīng)的方程式計(jì)算,則計(jì)算的過程過于繁雜.氧化還原反應(yīng)中不僅存在反應(yīng)前后的原子數(shù)目守恒,同時(shí)還存在著氧化還原反應(yīng)的電子得失數(shù)目守恒,因此可通過守恒法簡化解決問題的過程.

根據(jù)題中所給的已知條件可以把題中反應(yīng)分為兩個(gè)階段:第一階段,硫與氫氧化鈉反應(yīng)生成的產(chǎn)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(jià)態(tài)的硫元素都氧化為Na2SO4中的＋6價(jià)硫元素.

根據(jù)鈉原子數(shù)目守恒,Na OH溶液中鈉原子物質(zhì)的量等于amol Na2Sx和bmol Na2S2O3中的鈉原子的物質(zhì)的量,所以可得方程

根據(jù)硫原子數(shù)目守恒,可得方程

再根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)目相等尋找第三個(gè)方程:得電子的變化是從硫變?yōu)槎嗔蚧c(Na2Sx),這里我們可以用整體法即將S2－x看成整體為－2價(jià),也可以根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和為零,標(biāo)出單個(gè)硫原子的化合價(jià)為,在應(yīng)用時(shí)是一樣的,因此我們可以得出生成amol Na2Sx時(shí)得到的電子數(shù)為2amol;同樣發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子的過程是從硫變?yōu)榱虼蛩徕c(Na2S2O3),其中硫元素的化合價(jià)為＋2價(jià),則得到生成bmol Na2S2O3時(shí)失電子數(shù)為4bmol,從而就可以根據(jù)電子得失數(shù)目守恒得到第三個(gè)方程

同樣,由于nmol電子是在第二階段氧化還原中發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移,所以我們可以根據(jù)第二階段發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的電子得失數(shù)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(jì)算氧化劑得電子數(shù),但還原劑多硫化鈉和硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量已知,所以我們可以根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)等于氧化劑總的得電子數(shù)也等于還原劑總的失電子數(shù)進(jìn)行計(jì)算,即根據(jù)amol Na2Sx轉(zhuǎn)化為Na2SO4失電子數(shù)為(6xa＋2a)mol,而bmol Na2S2O3轉(zhuǎn)化為Na2SO4失電子數(shù)為8bmol,從而可以得到如下方程

將以上①②③④4個(gè)方程式聯(lián)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(shí)雖然從表面看是在求第二個(gè)階段的電子得失數(shù)目或者說轉(zhuǎn)移數(shù)目,但實(shí)際上同樣可認(rèn)為是硫元素由0價(jià)最終變成了＋6價(jià),所以可得轉(zhuǎn)移的電子數(shù)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(yīng)用反應(yīng)中的原子守恒、氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)目守恒以及離子反應(yīng)中的電荷守恒,可以將動(dòng)態(tài)的反應(yīng)過程簡化,根據(jù)守恒的法則就可以更為簡便地解決問題.