新高考化学解题中守恒法的应用研究

摘  要：守恒思想是一种重要的化学思维方式，守恒法是学生解题行之有效的重要方法。解题中有效运用化学变化中的特定量不变的特点进行问题分析，可以有效地化繁为简，快速而准确地解决问题。高考是检测教师的教学和学生的学习的重要手段，因此分析研究守恒法在高考试解题中的应用至关重要。文章以2024年高考化学典型试题为例，研究新高考化学解题中守恒法的应用。

关键词：新高考化学；解题；守恒法；应用研究

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1673-8918（2024）46-0140-03

作者简介：贾丕军（1969～），男，汉族，湖南常德人，常德市第三中学，研究方向：高中化学教学。

高中学业水平考试命题建议的命题原则中指出：“应结合命题宗旨和目标，根据测试任务、情景的需要，系统梳理解决问题所要运用的化学知识与方法，注重考查学生灵活运用结构化知识解决问题的能力。”有了扎实的学科知识基础，好的解决问题的方法，必然会提升解决问题能力。守恒思想是化学学科核心素养中的基本思想，守恒思想是一种重要的化学思维方式，守恒法是学生解题行之有效的重要方法。在解题过程中，有效运用化学变化中的特定量不变的特点进行问题分析，可以有效地化繁为简，快速而准确地解决问题。

化学变化中的守恒法主要包括质量守恒、得失电子守恒、电荷守恒、能量守恒等。高考中，每年总有不少的考题运用守恒法并辅以简单的数学处理来解题，可以达到化繁为简、化难为易、节省时间，从而提高解题效率。高考是检测教师的教学和学生的学习的重要手段，因此研究守恒法在高考试题解题中的应用至关重要。文章以2024年高考化学典型试题为例，研究新高考化学解题中守恒法的应用。

一、 质量守恒

从宏观角度看，质量守恒就是参加反应的各物质质量之和等于反应后各物质的质量之和。从元素角度分析，化学反应前后物质的质量不变是因为化学反应前后每种元素种类和质量均不发生变化，即元素守恒；从微观原子角度分析，反应前后每种元素原子的种类、数目、质量不变，即原子守恒。所以元素守恒和原子守恒是质量守恒的延伸，从本质上说也实属质量守恒。质量守恒是守恒法最基础的解题原理。“能从质量守恒，并运用动态平衡观念看待和分析化学变化”，是化学学科核心素养“变化观念与平衡思想”对素养水平的要求。在化学解题中，利用质量守恒，通常不需要分析化学反应的途径变化，反应细节，往往只需要分析反应的始态、终态粒子质量和数量关系即可完成对题的分析与解答。

【例1】  ［2024年高考江苏卷14题（3）②］

将8.84mgNd（OH）CO3（摩尔质量为221g·mol-1）在氮气氛围中焙烧，550～600℃时剩余固体质量7.60mg。所得固体产物可表示为NdaOb（CO3）c，通过以上实验数据确定该产物中 n（Nd3+）∶n（CO2-3）的比    。

思路点拨  此题Nd（OH）CO3分解所得固体产物NdaOb（CO3）c中a、b、c的不确定，如果想通过化学反应方程关系式法去解答，就会陷入无法解答境地。但此题运用质量守恒解答，根据反应前后每种元素原子的种类、数目、质量不变的原理就很容易解决问题了。第一步，分析原子的去向，找出守恒的原子；第二步，找出守恒原子的存在形式，并写出它们的存在形式；第三步，利用原子守恒进行计算。

试题解析  由题意可知，Nd（OH）CO3分解后Nd3+全部在产物中，由于碱式盐在受热分解时易变为正盐，氢氧化物分解得到氧化物和H2O，碳酸盐分解得到氧化物和CO2，可以推测固体变为NdaOb（CO3）c时失去质量是生成CO2和H2O的质量。根据H元素和C元素守恒，Nd（OH）CO3分解时H全部生成了H2O，C元素一部分生成了CO2。Nd（OH）CO3的物质的量为n［Nd（OH）CO3］=8.84×10-3g÷221g·mol-1=4×10-5mol，因此，n（Nd3+）=n（CO2-3）=4×10-5mol。由题意可知：550～600℃时剩余固体的质量为7.60mg，固体减少的质量为1.24mg，所以生成CO2和H2O的质量之和为1.24mg。根据H元素守恒，n（H）=4×10-5mol，所以m（H2O）=2×10-5mol×18×103mg·mol-1=0.36mg，则生成CO2的质量为1.24mg-0.36mg=0.88mg，则生成CO2的物质的量为m（CO2）=2×10-5mol，由C元素守恒可知，分解后剩余的CO2-3的物质的量为4×10-5mol-2×10-5mol=2×10-5mol，因此可以确定该产物中n（Nd3+）∶n（CO2-3）=4×10-5mol∶2×10-5mol=2∶1。

二、 得失电子守恒

得失电子守恒即氧化还原反应中氧化剂得电子总数等于还原剂失电子总数。利用得失电子守恒，可以有效准确解答氧化还原反应计算、配平以及电化学的电极反应式书写、计算等。

【例2】  （2024年高考江苏卷选择题12题D选项）

室温下，通过下列实验探究SO2的性质。已知Ka1（H2SO4）=1.3×10-2，Ka1（H2SO4）=6.2×10-8。

实验1：将SO2气体通入水中，测得溶液pH=3。

实验2：将SO2气体通入0.1mol/LNaOH溶液中，当溶液pH=4时停止通气。

实验3：将SO2气体通入0.1mol/L酸性 KMnO4 溶液中，当溶液恰好褪色时停止通气。

下列说法正确的是（  ）（A、B、C选项略）

D. 实验3所得溶液中：c（SO2-4）>c（Mn2+）

思维点拨  D选项是SO2气体通入0.1mol/L酸性KMnO4溶液中，发生的是氧化还原反应，此选项判断溶液中氧化产物SO2-4和还原反应产物Mn2+的浓度相对大小。很明显，此题要根据氧化还原反应的原理进行分析判断。第一步，明确氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物；第二步，找出氧化剂与还原剂得失电子情况；第三步，根据得失电子守恒（化合价升降数相等）列出等式计算或配平得出结果。

试题解析  SO2与KMnO4发生的氧化还原反应中SO2是还原剂，1molSO2失去2mol电子被氧化为SO2-4；KMnO4是氧化剂，1molKMnO4得到 5mol 电子被还原为Mn2+。根据氧化还原反应得失电子守恒可以列出等式：n（SO2-4）×2=n（Mn2+）×5，解得n（SO2-4）∶n（Mn2+）=5∶2，所以c（SO2-4）>c（Mn2+），D选项正确。此选项也可以根据氧化还原反应得失电子守恒，化合价升降配平书写实验3的离子反应方程式：5SO2+2MnO-4+2H2O5SO2-4+2Mn2++4H+，从书写的离子方程式中很容易得出c（SO2-4）>c（Mn2+），故选项D正确。

三、 电荷守恒

电解质溶液中阳离子所带正电荷总数与阴离子所带负电荷总数相等，即电荷守恒，溶液呈电中性。电荷守恒法解题时，不需考虑过多细节。只需确定溶液中存在的阴阳离子情况，然后根据电荷守恒式计算即可快速、准确解答。

【例3】  （2024年高考安徽卷选择题13题A选项）

环境保护工程师研究利用Na2S、FeS和H2S处理水样中的Cd2+。已知25℃时，H2S饱和溶液浓度约为0.1mol·L-1，Ka1（H2S）=10-6.97，Ka2（H2S）=10-12.90，Ksp（FeS）=10-17.20，Ksp（CdS）=10-26.10。下列说法错误的是（  ）（B、C、D选项略）

A. Na2S溶液中：c（H+）+c（Na+）=c（OH-）+c（HS-）+2c（S2-）

思维点拨  第一步根据电离、水解分析溶液中存在的阴阳离子；第二步，根据各离子所带正负电荷列出电荷守恒关系。

试题解析  Na2S溶液中存在如下电离、水解过程：Na2S2Na++S2-；H2OH++OH-；S2-+H2OHS-+OH-；HS-+H2OH2S+OH-。Na2S溶液中有5种离子，分别是H+、Na+、OH-、HS-、S2-，溶液是电中性的，存在电荷守恒，可表示为c（H+）+c（Na+）=c（OH-）+c（HS-）+2c（S2-），故选项A正确。

四、 能量守恒

化学反应中能量发生变化，但其总能量是恒定不变的，高中化学主要考查的是盖斯定律计算反应热。

【例4】  ［2024年高考全国甲卷28题（1）］

甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。一种将甲烷溴化再偶联为丙烯（C3H6）的研究所获得的部分数据如下。回答下列问题：

（1）已知如下热化学方程式：

①CH4（g）+Br2（g）CH3Br（g）+HBr（g）  △H1=-29kJ·mol-1

②3CH3Br（g）C3H6（g）+3HBr（g）  △H2=+20kJ·mol-1

计算反应3CH4（g）+3Br2（g）C3H6（g）+6HBr（g）的△H3=    kJ·mol-1。

思维点拨  本题考查的是通过盖斯定律计算反应热。第一步，根据分析目标热化学方程式的反应物、生成物，与已知热化学方程式建立相关联系；第二步，调整好目标热化学方程式和已知热化学方程式的计量数，△H也相应进行变化；第三步，根据“同侧相减，异侧相加”规律，加减运算对不需要的物质进行加减“消元”，△H也进行相应加减；第四步，检查得出的热化学方程式与目标热化学方程式计量数是否一致，不一致就需调整计量数，△H也相应进行调整。

试题解析  按照盖斯定律解题过程，目标热化学方程式3CH4（g）+Br2（g）C3H6（g）+HBr（g）中CH4（g）的计量数是3，所以需要将已知热化学方程式①的计量数乘以3调整为3CH4（g）+3Br2（g）3CH3Br（g）+3HBr（g）  △H=-87kJ·mol-1。通过对热化学方程式①、②分析，热化学方程式①的生成物和②的反应物CH3Br（g）是目标热化学方程式中没有的，而CH3Br（g）在热化学方程式①、②中处于“异侧”，热化学方程式①的计量数调整后与热化学方程式②相加正好消除 CH3Br（g）得到目标热化学方程式，故目标热化学方程式的△H3=3△H1+△H2=-87kJ·mol-1+20kJ·mol-1=+67kJ·mol-1。

五、 多类型守恒法综合

高中化学不少题是综合性的，解题时需要将几种类型守恒法结合在一起分析才能快速准确解决问题。

【例5】  （2024年高考湖南卷选择题13题C选项）

常温下Ka（HCOOH）=1.8×10-4，向20mL0.10mol·L-1NaOH溶液中缓慢滴入相同浓度的HCOOH溶液。混合溶液中，某两种离子的浓度随加入HCOOH溶液体积的变化关系如图所示，下列说法错误的是（  ）。（A、B、D选项略）

离子浓度与HCOOH溶液体积的变化关系图

C. 当V（HCOOH）=10mL时，c（OH-）=c（H+）+2c（HCOOH）+c（HCOO-）