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二、守恒法

物质的量及其在化学计算中的应用 · 高三
讲清楚它是什么

定义 利用化学反应中元素、原子、电子或电荷守恒关系,建立等量关系以简化计算的方法。

从哪来 本知识点为高三第1讲起点,无前置知识点记录,直接基于化学基本概念构建。

为什么 化学反应遵循质量守恒定律和电荷守恒定律。在复杂反应体系中,追踪所有中间过程极其繁琐且易错。守恒法利用“起点”与“终点”状态之间的不变量(如原子总数、得失电子总数、电荷总数),跳过中间步骤,直接建立方程,从而降低思维负荷,提高解题效率和准确性。

讲法
类比法:会计记账 适合形象思维强、对抽象逻辑感到困难的学生。 将化学反应比作银行转账。无论中间经过多少笔交易(反应步骤),只要知道“期初余额”和“期末余额”,且没有资金流失(守恒),就能直接算出差额。例如,铁变成铁盐,不管中间是先生成亚铁盐再氧化,还是直接氧化,最终铁原子的个数没变,电荷的平衡也没变。让学生明白,我们不需要知道钱是怎么花的,只需要知道最后剩多少,就能倒推花了多少。
讲法
代数消元法:方程组简化 适合逻辑严密、擅长数学推导的学生。 从化学方程式配平的角度切入。展示一个多步反应体系,列出完整的化学方程式组,然后引导学生观察:如果将几个方程式相加,某些中间产物会抵消(系数和为0),剩下的就是守恒关系。例如,$Fe + HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO + H_2O$,通过观察发现N原子在反应前后都在,但化合价变化对应电子转移。强调守恒法本质上是多个化学方程式线性组合后的结果,是代数消元的特例。
讲法
微观粒子追踪法:原子/电子守恒 适合微观想象能力强、喜欢探究本质的学生。 画出反应前后的微观粒子示意图。左边是反应物,右边是生成物。用不同颜色标记特定的原子(如红色标记Fe,蓝色标记N,绿色标记O)。让学生数一数:反应前有多少个红球?反应后有多少个红球?数量是否相等?再数一数电子:Fe失去的电子去哪了?被N得到了吗?总数是否相等?通过视觉化的“数球”过程,让学生直观感受到“变中有不变”,从而理解守恒法的物理意义。
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练一道
基础题
将 5.6 g 铁粉加入 100 mL 1 mol/L 的 $CuSO_4$ 溶液中,充分反应后,溶液中 $Fe^{2+}$ 的物质的量浓度是多少?(忽略溶液体积变化)
变式
向 100 mL 某浓度的 $HNO_3$ 溶液中加入 5.6 g 铁粉,充分反应后收集到 2.24 L $NO$ 气体(标准状况),且溶液中无 $Fe^{3+}$ 剩余。求原 $HNO_3$ 溶液的物质的量浓度。
看解答过程
1. 判断反应: $Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu$ 2. 计算物质的量: * $n(Fe) = \frac{5.6 \text{ g}}{56 \text{ g/mol}} = 0.1 \text{ mol}$ * $n(Cu^{2+}) = 0.1 \text{ L} \times 1 \text{ mol/L} = 0.1 \text{ mol}$ 3. 确定限量试剂: $Fe$ 与 $Cu^{2+}$ 按 1:1 反应,两者恰好完全反应。 4. 守恒法应用: 根据铁元素守恒,反应后溶液中所有的铁都以 $Fe^{2+}$ 形式存在(因为 $Cu^{2+}$ 氧化性不足以将 $Fe$ 氧化到 $Fe^{3+}$,且无其他氧化剂)。 * $n(Fe^{2+})_{\text{溶液}} = n(Fe)_{\text{投入}} = 0.1 \text{ mol}$ 5. 计算浓度: * $c(Fe^{2+}) = \frac{0.1 \text{ mol}}{0.1 \text{ L}} = 1 \text{ mol/L}$
试试手自己判
检测题
将 2.8 g 铁粉加入 100 mL 2 mol/L 的 $H_2SO_4$ 溶液中,充分反应后,再加入足量 $K_2Cr_2O_7$ 溶液(酸性),恰好完全反应。求消耗的 $K_2Cr_2O_7$ 的物质的量。
看答案和判分标准
答案:0.02 mol
判对标准:
1. 学生能识别出第一步反应生成 $Fe^{2+}$(铁与稀硫酸反应)。
2. 学生能利用铁元素守恒确定 $n(Fe^{2+}) = n(Fe) = 0.05 \text{ mol}$。
3. 学生能利用电子守恒建立 $Fe^{2+}$ 与 $Cr_2O_7^{2-}$ 的关系:
* $Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+}$ 失 1e-
* $Cr_2O_7^{2-} \rightarrow 2Cr^{3+}$ 得 6e-
* 关系式:$6Fe^{2+} \sim 1Cr_2O_7^{2-}$
4. 计算正确:$n(K_2Cr_2O_7) = \frac{0.05}{6} \approx 0.0083 \text{ mol}$?
* *等等,让我重新核算一下数据,确保题目答案整洁。*
* $n(Fe) = 2.8/56 = 0.05 \text{ mol}$。
* $n(Fe^{2+}) = 0.05 \text{ mol}$。
* $Cr_2O_7^{2-} + 14H^+ + 6e^- \rightarrow 2Cr^{3+} + 7H_2O$。
* $Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-$。
* $n(e^-) = 0.05 \text{ mol}$。
* $n(Cr_2O_7^{2-}) = 0.05 / 6 \text{ mol}$。这个数字不整。
* *修改题目数据以符合教学卡片“具体、能直接拿去上课”的要求,最好答案是整数或简单小数。*

修正检测题:
将 5.6 g 铁粉加入足量稀硫酸中,充分反应后,再加入足量 $K_2Cr_2O_7$ 溶液(酸性),恰好完全反应。求消耗的 $K_2Cr_2O_7$ 的物质的量。
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