整体把握化学反应中的元素守恒

胡小磊　王慧娟

摘 要：质量守恒定律是初中化学教学中的难点，由此延伸的化学变化中的元素守恒对初学者来讲更是不好理解.本文通过分析教学过程中学生认为的“难题”，从整体把握计算过程，帮助学生快速掌握解题方法，从更高的角度，熟练掌握质量守恒定律.

关键词：整体;质量（元素）守恒;计算

作者简介：胡小磊（1983-），男，山东高青人，本科，中学二级教师，研究方向：中学化学教学;

王慧娟（1989-），女，山东莘县人，本科，中学二级教師，研究方向：中学化学教学.

质量守恒定律在初中化学中居于核心地位，是义务教育阶段科学教育领域为数不多的几个基本定律之一，是后期书写化学方程式，利用化学方程式进行计算的基础，有利于帮助学生提高化学学科素养.

笔者在教学过程中发现，大多初学者对质量守恒定律的学习和理解不到位，不能从整体上把握，对质量守恒定律延伸出来的元素守恒、原子守恒等推论仅仅停留在机械记忆阶段，不能较好的进行应用，所以就形成了有些“难题”无法正确解答的局面.本文从整体角度和元素守恒思路对典型例题进行解答，以期对学生在质量守恒定律的学习上进行有效点拨，达到事半功倍的效果.

化学变化中的元素守恒是指在化学反应前后元素的种类和质量均不发生改变，从化学反应的整体角度掌握这一知识点，有些“难题”便可化繁为简，迎刃而解.

例1 （2016·虞城县三模）在由CH4和H2组成的混合气体中，测知碳元素的质量分数为60%，则混合气体充分燃烧生成二氧化碳和水的质量比为（ ）

A.11∶18B.22∶9C.1∶1D.11∶27

解析 观察发现，混合气体和足量的氧气发生化学反应，组分均可完全燃烧，产物只有CO2和H2O.

其反应的化学方程式为：CH4+2O2点燃CO2+2H2O; 2H2+O2点燃2H2O

从整体看，混合物中只有两种元素组成——碳元素和氢元素，而且混合物中碳、氢元素的质量比为6∶4（3∶2）.

由化学方程式可知，反应物中（只有甲烷中有）的碳元素反应完成后全部进入二氧化碳中，而反应物（甲烷和氢气中均有）中的氢元素反应后全部进入生成的水中.

由化学反应中元素守恒知，产物二氧化碳中的碳元素的质量等于反应前甲烷中的碳元素的质量;产物水中的氢元素的质量等于反应前甲烷和氢气中氢元素的质量之和.以此思路，该题可如下解答：

解：设，原混合物中碳元素的质量为3x，则氢元素的质量为2x

生成的二氧化碳的质量为：3x÷（1244×100%）=11x

生成的水的质量为：2x÷（218×100%）=18x

生成的二氧化碳的质量与水的质量比为（11x）∶（18x）=11∶8，答案选A

例2 （2013·大连，节选）取47.4g高锰酸钾，加热一段时间后停止，共收集到3.2g氧气.计算：剩余固体中氧元素的质量分数（计算结果保留到0.1%）.

解析 该反应的化学方程式为：2KMnO4△K2MnO4 +MnO2 +O2↑

题目中并未提及高锰酸钾是否完全反应，只知道生成了3.2g氧气.

要计算剩余固体中氧元素的质量分数，分析剩余固体成分：高锰酸钾、锰酸钾、二氧化锰.这三种物质均含有氧元素.按照正常的思路，应利用生成的氧气的质量分别计算出参加反应的高锰酸钾的质量及生成的二氧化锰和锰酸钾的质量，然后再计算氧元素的质量分数.这种思路计算量大，而且容易出错，不适合实际操作.

如果从整体分析，依据化学反应前后氧元素的质量守恒，我们发现整个化学反应中，固体中氧元素减少的质量即为生成的氧气的质量.则剩余的氧元素的质量，即为反应前高锰酸钾中氧元素的质量减去生成的氧气的质量.

同样利用质量守恒定律，反应后固体的质量应为反应前固体质量减去生成的氧气的质量.

故该题可做如下解答：

解：剩余固体中氧元素的质量为：47.4g×64158×100%-3.2g=16.0g

剩余固体的质量为：47.4g-3.2g=44.2g

16.0g44.2g×100%=36.2%

答：剩余固体中氧元素的质量分数为36.2%.

例3 （2013·哈尔滨）煅烧石灰石可制得氧化钙（假设石灰石中的杂质不参与反应，且不含钙、碳元素）.测得煅烧后剩余固体中钙元素与碳元素的质量比为20∶3.则已分解的碳酸钙占原碳酸钙的质量分数为（ ）

A.40%B.60%C.30%D.50%

解析 该反应的化学方程式：CaCO3高温CaO+CO2↑

该题目中，碳酸钙并未完全分解.反应完成后残余固体中有杂质、氧化钙（CaO）和碳酸钙（CaCO3）.残余固体中的成分比较复杂，题目中已知量也不多，只有剩余固体中的钙元素和碳元素的质量比，进行一一分析比较困难，似是一个很难解答的题目.

不过，我们从化学反应前后元素守恒的角度来分析，这种题似乎并不难.

我们观察发现在该反应中，固体质量有所损失的元素为碳元素和氧元素，而钙元素在化学反应前后的固体中并未减少.即反应前后固体中钙元素的质量不发生改变，这是其一.

同时，我们发现，剩余固体中的碳元素来源只有剩余的碳酸钙，这是其二.

由此，我们可以分别计算出反应前和反应后碳酸钙的质量，问题迎刃而解.故，解答如下：

解：设剩余固体中的钙元素为20x，则碳元素的质量为3x

反应前碳酸钙的质量为：

20x÷40100×100%=50x

反应后剩余固体中的碳酸钙的质量为：

3x÷12100×100%=25x

则分解的碳酸钙的质量分数为1-25x50x×100%=50%

故该题选D.

通过上述诸例题我们不难发现，在某些化学反应中，反应物或者生成物的组成比较复杂，从物质角度入手分析比较困难，有时候会让学生感到无所适从.而从总体上把握化学变化中元素的守恒，再结合利用化学式进行物质质量的计算，是解决此类题目的捷径.同时，可以通过这类题目的练习加强学生对质量守恒定律的理解.

参考文献：

[1]毕华林 卢巍.义务教育段八年级化学教科书[M].济南：山东教育出版社，2016.

[2] 丛祥滋. 义务教育段八年级化学教师教学用书[M].济南：山东教育出版社，2016.

[3]中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：人民教育出版社，2011.

（收稿日期：2019-06-13）