守恒法在中学化学学习中的“妙用”

张玉荣

守恒法就是以化学反应中存在的某些守恒关系作为依据，将问题化繁为简的一种解题方法。在化学计算或电解质溶液中微粒浓度定量关系中若能抓住诸多变化中的不变量建立守恒关系，则可达到巧解、快解的效果，既可避免书写繁琐的化学方程式，提高解题速度，又可避免在复杂的解题背景下寻找关系式，提高解题的准确度。特别是得失电子守恒在化学计算中应用更为广泛，而电荷守恒和物料守恒在比较电解质溶液中微粒浓度定量关系时不可缺少。

常见的守恒关系如下：

1.电荷守恒：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，溶液呈电中性。该法常用于溶液中已知多种离子的物质的量（或浓度） 计算某一离子的物质的量（或浓度）或确定盐溶液中离子浓度的大小关系等。

2.电子守恒：氧化还原反应中，氧化剂得到的电子总数等于还原剂失去的电子总数，即得失电子守恒。该法常用于氧化还原反应、原电池、电解池的计算等。

3.原子（物料）守恒法：在一些复杂多步的化学反应过程中，虽然发生的化学反应较多，但某些原子的物质的量始终没有发生变化，整个过程中原子守恒。该法常用于复杂的多步化学反应的计算或判断溶液中离子浓度关系等。

4.质子守恒：适用于电解质水溶液某些微粒浓度定量关系，可由相应的电荷守恒等式与物料守恒等式推导得到。

一、守恒法在化学计算中的应用

1.化学计算中的电荷守恒

例1 某实验小组收集到一份酸雨样品，测出相关的离子浓度如下表。则该酸雨的pH是 （ ）。

Cl-

SO2-4

NO-3

Na+

K+

10-3mol/L

0.1

1.0

2.0

2.0

2.0

A. 1 B.3 C.4 D.5

解析 根据电荷守恒原理：c（H+）=阴离子带的负电荷总浓度—阳离子带的正电荷总浓度=（0.1×1 + 1.0×2 + 2.0×1-2.0×1-2.0×1）×10-3= 1.0×10-4mol/L。即pH=4. 答案C.（注意题中给的单位数量级）

解题关键 抓住电荷守恒原理，理出溶液中的阳离子和阴离子；注意离子带的电荷数。

应用练习1 在c（SO2-4）=4.0mol/L的

Al2（SO4）3、K2SO4、KAl（SO4）2 混合溶液中加入2mol/L的Ba（OH）2溶液2 L时得到沉淀的质量为最大值。则原溶液中的c（K+）为（ ）。

A. 5mol/L B. 3mol/L

C. 6 mol/LD. 1 mol/L

提示 沉淀质量最大值时Al3+以什么形式存在是关键，认真分析。

（应用规律自主解决。答案 A。）

2.化学计算中的得失电子守恒

例2 在3BrF3+5H2OHBrO3+O2↑+Br2+9HF中，若有5 mol水参加反应，则被水还原的BrF3的物质的量是（ ）。

A.3 mol B.103 mol C.43mol D.2 mol

解析 2 mol水被氧化生成1 mol氧气，水失去电子的物质的量为4 mol，BrF3中Br的化合价从+3降为0价，每摩尔BrF3作氧化剂时得3 mol电子，以此根据得失电子守恒即可求得被2 mol水还原的BrF3为43mol，故正确答案为C。

解題关键 抓住参加氧化还原反应的元素之间的得失电子守恒列式解题。注意化合价的变化和参加氧化还原反应的的原子个数。

应用练习2 物质的量之比2∶5的锌与稀HNO3反应，若硝酸的还原产物为N2O，反应结束后锌没有剩余，则反应中被还原的HNO3与未被还原的HNO3的物质的量之比是（ ）。

A.1∶4 B.1∶5 C.2∶3 D.2∶5

（ 应用规律自主解决，答案：A ）

3.原子（物料）守恒在化学计算中

例3 将3.6 g铁铜混合粉末投入100 mL

c mol/L的稀硝酸中，金属粉末与硝酸恰好完全反应，还原产物只有NO，向反应后的溶液中加入足量的NaOH溶液，充分反应后将沉淀过滤、洗涤、灼烧至恒重后称量为4.8 g，则c值不可能为（ ）。

A. 1.2 B.1.5 C.2.0 D.1.95

解析 该题的关键是铁与稀硝酸反应的产物，产物不同消耗的硝酸的量不同；当铁完全生成

Fe（NO3）2时c值为最小值；当铁完全生成Fe（NO3）3时c值为最大值。根据题中信息，依据原子守恒规律分两步解决问题。

第一步：求出金属粉末中铁、铜的物质的量。设金属粉末中的铁、铜物质的量分别为x、y。则

56x+64y=3.6160×0.5x+80y=4.8

解得x=0.03mol

y=0.03 mol

第二步：采用极值思维法列式解题。

当铁完全生成Fe（NO3）2时c值为最小值；则0.03×8/3+0.03×8/3=0.1×c， c=1.6 mol/L；

当铁完全生成Fe（NO3）3时c值为最大值；则 0.03×8/3+0.03×4=0.1×c， c=2 mol/L。

这样可得出答案 A、B。

解题反思 在该题的分析列式中都贯穿了原子守恒规律的应用，第一步是金属元素守恒；第二步时硝酸守恒。

应用练习3 将4.6 g铜镁合金完全溶解于100 mL密度1.40 g/mL、质量分数为63%的浓硝酸中，得到4480 mL NO2和336mL N2O4的混合气体 （标准状况）向反应后的溶液中加入1.0 mol/L的NaOH溶液至离子恰好全部沉淀时，下列说法不正确的是（ ）。

A.该合金中铜与镁的物质的量比试46∶69

B.该浓硝酸中HNO3 的物质的量浓度是14.0 mol/L

C.产生沉淀8.51 g

D.离子恰好完全沉淀时加入的NaOH溶液的体积为230 mL

提示 该题A、B选项判断比较简单，难点在C、D选项，C选项的思维中一定要抓住金属元素沉淀前后质量守恒列式；D选项的思维中最关键的是当离子恰好全部沉淀时溶液中的NO-3全以NaNO3形式，根据硝酸中N元素物质的量守恒列式求出NaNO3的物质的量，同样利用钠元素守恒即可解题。

请学生根据提示，应用原子守恒等知识自主解题。答案 D.

二、守恒法在电解质溶液中微粒浓度定量关系比较中的应用

1.电解质溶液中个守恒规律的具体内容

（1）电解质溶液中电荷守恒规律

电解质溶液中，无论存在多少种离子，溶液都是呈电中性，即阴离子所带负电荷总数一定等于阳离子所带正电荷总数。如NaHCO3溶液中存在着Na+、H+、HCO-3、CO2-3、OH-，存在如下关系：

c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）。

（2）电解质溶液中物料（原子）守恒规律

电解质溶液中，由于某些离子能够水解或电离，离子种类有所变化，但原子总是守恒的。如K2S溶液中S2-、HS-都能水解，故S原子以S2-、HS-、H2S三种形式存在，它们之间有如下守恒关系：

c（K+）=2c（S2-）+2c（HS-）+2c（H2S）。

（3）电解质溶液中的质子守恒规律

如Na2S水溶液中的质子转移作用图示如图1：

由图可得到Na2S水溶液中质子守恒式：c（H3O+）+2c（H2S）+c（HS-）=c（OH-）或c（H+）+2c（H2S）+c（HS-）=c（OH-）。质子守恒的关系式也可以由该溶液的电荷守恒式与物料守恒式推导得到。

2.各守恒规律的应用

例4 HA为酸性略强于醋酸的一元弱酸，则下列叙述正确的是（ ）。

A.0.1 mol·L-1 HA溶液中：c（H+）=c（OH-）+c（A-）

B.0.1 mol·L-1 HA溶液与0.1 mol·L-1 NaOH溶液混合至溶液呈中性：c（Na+）>c（A-）

C.0.1 mol·L-1 NaA溶液中：c（Na+）>c（OH-）>c（A-）>c（H+）

D.0.1 mol·L-1 HA溶液中加入少量NaA固體，HA的电离常数减小

解析 根据电荷守恒，0.1 mol·L-1 HA溶液中c（H+）=c（OH-）+c（A-），A对；HA溶液与NaOH溶液混合，根据电荷守恒有c（H+）+c（Na+）=c（OH-）+c（A-），又因溶液呈中性，故c（H+）=c（OH-），则c（Na+）=c（A-），B错；0.1 mol·L-1 NaA溶液中，由于A-部分水解使溶液呈碱性，则c（Na+）>c（A-）>c（OH-）>c（H+），C错；HA溶液中加入少量NaA固体，

c（A-）增大，电离平衡逆向移动，但电离常数只与温度有关，温度不变，电离常数不变，D错。答案 A

电荷守恒规律解题关键是：①写全所有的离子；②注意离子带的电荷数。

应用练习4 写出0.1 mol·L-1的Na2CO3溶液中各离子浓度的关系：

①大小关系。

②物料守恒。

③电荷守恒。

④质子守恒。

答案 ①c（Na+）>c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+）；

②c（Na+）=2[c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）]；

③c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）；

④c（OH-）=c（H+）+2c（H2CO3）+c（HCO-3）。

例5 （四川理综，10）常温下，下列溶液中的微粒浓度关系正确的是（ ）。

A.新制氯水中加入固体NaOH：

c（Na+）=c（Cl-）+c（ClO-）+c（OH-）

B.pH=8.3的NaHCO3溶液：

c（Na+）>c（HCO-3）>c（CO2-3）>c（H2CO3）

C.pH=11的氨水与pH=3的盐酸等体积混合：c（Cl-）=c（NH+4）>c（OH-）=c（H+）

D.0.2 mol·L-1 CH3COOH溶液与

0.1 mol·L-1 NaOH溶液等体积混合：2c（H+）-2c（OH-）=c（CH3COO-）-c（CH3COOH）

解析 A项，由溶液中电荷守恒可知，c（H+）+c（Na+）=c（Cl-）+c（ClO-）+c（OH-）；B项，因为NaHCO3溶液呈碱性，说明HCO-3的水解程度大于其电离程度，故四种微粒的浓度大小为c（Na+）>c（HCO-3）>c（H2CO3）>c（CO2-3）；C项，NH3·H2O是弱碱，pH=11的氨水中溶质浓度大于10-3 mol·L-1，与盐酸中和后，

NH3·H2O有剩余，溶液呈碱性；D项，依据溶液中电荷守恒和物料守恒的式子进行化简可以得出此式。 答案D

应用物料守恒解题关键：式子书写时①选择在电解质溶液中保持不变的元素；②写全该元素在溶液中以各种形式存在的微粒。

解题注意 ①质子守恒式子有些溶液不好写，不必直接写，可以通过电荷守恒和物料守恒式子化简得到。②在解决此类题型时，只要题中有等式出现，你必须根据三个守恒原理的式子作为依据进行判断。

应用练习5 判断下列各小题中微粒关系是否正确

（1）向NH4HSO4溶液中滴加NaOH溶液至中性，所得混合液：c（Na+）>c（NH+4）>c（SO2-4）>c（OH-）=c（H+）

（2）已知NaHSO3溶液呈酸性，现有浓度均为0.1 mol·L-1 NaHSO3的溶液，溶液中各粒子的物质的量浓度存在下列关系，试判断：

A.c（Na+）>c（HSO-3）>c（H+）>c（SO2-3）>c（OH-）

B.c（Na+）+c（H+）=c（HSO-3）+c（SO2-3）+c（OH-）

C.c（H+）+c（H2SO3）=c（SO2-3）+c（OH-）

D.c（Na+）=c（HSO-3）+c（H2SO3）+2c（SO2-3）

（3）NaHCO3溶液呈碱性，现有浓度均为0.1 mol·L-1 NaHCO3的溶液，溶液中各粒子的物质的量浓度存在下列关系，试判断：

A.c（Na+）>c（HCO-3）>c（OH-）>c（CO2-3）>c（H+）

B.c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（CO2-3）+c（OH-）

C.c（H+）+c（H2CO3）=c（CO2-3）+c（OH-）

D.c（Na+）=c（HCO-3）+c（H2CO3）+2c（CO2-3）

（4）某酸性溶液中只含有NH+4、Cl-、H+、OH-4种离子，25 ℃时，试判断：

A.可由pH=3的HCl溶液与pH=11

NH3·H2O溶液等体积混合而成

B.该溶液中离子一定满足：c（NH+4）+

c（H+）=c（OH-）+c（Cl-）

C.加入适量NH3·H2O溶液，溶液中离子浓度可能为：c（NH+4）>c（Cl-）>c（OH-）>c（H+）

D.该溶液可能由等物质的量浓度、等体积的HCl溶液和NH3·H2O溶液混合而成。

（5）向10 mL 0.1 mol·L-1 Na2CO3溶液中逐滴滴加V mL 0.1 mol·L-1 HCl溶液，滴定过程中有下列粒子浓度关系，试判断：

A.当V=0时，c（OH-）=c（H+）+c（HCO-3）+c（H2CO3）

B.當V=5时，c（Na+）+c（H+）=2c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（OH-）

C.当V=10时，c（Cl-）=c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）

D.当V=15时，c（Na+）=c（Cl-）>

c（HCO-3）>c（OH-）>c（H+）

（6）常温下，0.1 mol·L-1氨水中c（H+）/c（OH-）=1×10-8，判断下列叙述：

A.该溶液中氢离子的浓度：c（H+）=1×10-11 mol·L-1

B.0.1 mol·L-1氨水与0.1 mol·L-1 HCl溶液等体积混合后所得溶液中：c（Cl-）+c（OH-）=c（NH+4）+c（H+）

C.0.1 mol·L-1氨水与0.05 mol·L-1 H2SO4溶液等体积混合后所得溶液中：c（NH+4）+c（NH3·H2O）=2c（SO2-4）

D.浓度均为0.1 mol·L-1的NH3·H2O和NH4Cl溶液等体积混合后，若溶液呈碱性，则

c（NH+4）>c（NH3·H2O）>c（Cl-）>c（OH-）>c（H+）

（7）（2015江苏14）.室温下，向下列溶液中通入相应的气体至溶液pH=7（通入气体对溶液体积的影响可忽略），溶液中部分微粒的物质的量浓度关系正确的是

A.向0.10mol·L-1NH4HCO3溶液中通入CO2：c（NH4+）=c（HCO-3）+c（CO2-3）

B.向0.10mol·L-1NaHSO3溶液中通入NH3：c（Na+）>c（NH4+）>c（SO2-3）

C.0.10mol·L-1Na2SO3溶液通入SO2：c（Na+）=2[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）]

D.0.10mol·L-1CH3COONa溶液中通入HCl：c（Na+）>c（CH3COOH）=c（Cl-）

（请应用守恒规律自主解决各题，最好能分析出理由。答案：应用练习5.（1）不正确；（2）A 正确B不正确 C正确 D不正确；（3）A 不正确B不正确 C正确 D不正确；（4）A不正确 B正确 C正确 D正确；（5）A不正确 B正确 C正确 D不正确；（6）A正确 B正确 C正确 D不正确；（7）A不正确 B不正确C不正确 D正确 。）

守恒法在电解质溶液中微粒浓度定量关系比较的应用中，不能只盯住守恒的几个式子，因为三个守恒的式子基础是电解质溶液的两个理论：弱电解质的电离理论和盐电离出离子的水解理论，因此必须熟练掌握这两个理论的知识，而且在题中能灵活应用，这样守恒法的应用才有了保证。

守恒法在中学化学学习中的应用远不仅限于计算和电解质溶液微粒浓度大小判断两方面。在这里提出这个问题主要目的是提醒学生注意化学中的守恒，在平时的化学学习中要多关注题中的各种守恒，多思考守恒问题。这样既有利于理解题意，又有利于解题；即提高解题速度，更能提高解题准确率。特别是高三的学生不妨可以试试。