(共34张PPT)
重点题型--元素守恒法巧解计算题
在“重点题型三:关于混合物的计算题”和“重点题型六:关于纯净物的计算题”中,已知量与未知量之间的关系通常通过化学方程式建立。然而,在部分综合性较强的试题中,反应过程复杂,涉及多个步骤或陌生反应,难以写出完整的化学方程式。此时,若仍拘泥于化学方程式配平,往往事倍功半。
此时,应灵活运用“化学反应前后元素的种类和质量不变”这一基本原理进行分析。该原则即为“元素守恒”,其微观本质是化学反应过程中,原子的种类、数目均不发生改变,因此,“元素守恒”实质上也是“原子守恒”。
在实际解题中:
·对于较简单的题目,通常只需追踪一种关键元素的
质量变化;
·对于难度较高的题目,则需综合分析两种或多种元
素的来源与去向,并结合原子个数比例关系进行推理。
掌握元素守恒思想,有助于跳出“写化学方程式—
列比例”的固定模式,实现“化繁为简、直击本质”的
高效解题。
涉及一种关键元素的守恒计算
方法引导:在某些化学计算题中,反应过程复杂,
涉及多个未知反应或中间产物,若试图通过书写化学方
程式逐个求解,往往难以突破。此时,应抓住“化学反
应前后,某一种关键元素的质量保持不变”这一核心特
征,运用单一元素守恒法进行分析。
以2023年广州市中考题为例,题目围绕CO还原
Fe2O3的产物展开,可能生成Fe或Fe3O4等多种物质,反
应路径不唯一。但无论反应如何进行,铁元素在整个过
程中既未引入也未损失,其总质量始终守恒。因此,只
需追踪铁元素的质量变化,即可绕开复杂的反应机理,
实现快速解题。
具体思路如下(请自行完成解题过程):
1. 确定守恒元素
分析反应前后物质的组成,找出在整个转化过程中
种类和质量均保持不变的元素。本题中,反应物为
Fe2O3,可能的产物为Fe或Fe3O4,均含铁元素,且无其
他含铁物质加入或排出,因此铁元素质量守恒。
2. 明确守恒关系
写出起始物质和最终产物中该元素的原子个数关
系,建立“起始铁质量=最终铁质量”的等量关系。
例题1.(2023·广州中考选编)某小组采用下图所示
实验装置探究CO还原Fe2O3产物。
(1)甲同学观察到固体由红色变成黑色,推断黑色
固体是Fe;若甲同学推断正确,反应的化学方程式为
。
3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2
(2)乙同学提出黑色固体可能是Fe3O4。除了Fe3O4
也是黑色以外,从元素的种类与质量角度进行分析,黑
色固体可能是Fe3O4也有其合理之处:
。
Fe3O4中含有的
元素种类和反应前一致,并且其中氧元素质量分数较
Fe2O3小
经查阅资料,得知CO还原Fe2O3时产物和温度有
关,见上图。
①用CO炼铁时,还原Fe2O3的温度应不低于
(填“400”“600”或“800”)℃。
②图中x= 。(相对原子质量:O-16 Fe
-56)
800
33.6
涉及多种关键元素的守恒计算
方法引导:例题2选自2024年广州市中考化学真题,
相较于2023年仅涉及铁、氧两种元素的计算题,本题在
思维层次上有较大提升,当年考生实测得分率仅5.28
%。题目以羟基磷灰石[Ca5(PO4)3OH]的制备为背
景,涉及三种原料——CaO、Ca(OH)2和P2O5,共含
钙、磷、氧、氢四种元素,要求计算其理论投入的质量
比。此类问题虽情境新颖,但解题核心仍在于对
元.素.守.恒.与原.子.来.源.分.析.的综合运用。
面对多原料、多元素参与的化学计算,关键在于
理清各元素在反应物与生成物之间的对应关系。由于
部分元素只来自一种反应物、部分元素可能来源于多
种反应物,因此,建议采取“由简入繁、循序渐进”
的分析策略:
首先,识别产物中各元素的来源特征。
(2)氢(H)元素仅来源于Ca(OH)2;
(3)钙(Ca)和氧(O)则同时存在于CaO与Ca
(OH)2中,属于“多源元素”。
在Ca5(PO4)3OH中:
(1)磷(P)元素仅来源于P2O5;
其次,优先分析来源唯一的元素。
(1)利用P原子总数反推所需P2O5的“相对分子
数”;
(2)利用H原子数目确定所需Ca(OH)2的“相对
分子数”。
再次,分析“共用元素”:计算产物所需总钙原子
数,扣除由Ca(OH)2提供的部分,剩余由CaO补充。
最后,由“粒子个数比”转化为“质量比”:结合
各物质的相对分子质量,将分子个数比换算为质量比。
考场上面对难度较大的计算题时,需要调整心态,
考虑是否“跳题”,将其放到剩余时间作答。
例题2.(2024·广州中考选编)羟基磷灰石[Ca5
(PO4)3OH]可用机械球磨法制备:将Ca(OH)2和
P2O5按照一定比例加入到球磨机中,球磨一段时间,发
生反应:10Ca(OH)2+3P2O5 2Ca5(PO4)3OH
+9H2O。机械球磨法的工作原理如图所示。
(1)机械球磨的目的是
。
增大物质间的接触面积,
使反应更充分
(2)按照绿色化学思想,反应物中的原子全部转化
为期望的最终产物,这时原子利用率为100%。为使反应
物中的原子全部转化为羟基磷灰石,理论上CaO、Ca
(OH)2、P2O5作为原料加入的质量比为 。
[相对分子质量:CaO-56 Ca(OH)2-74 P2O5-142]
252∶37∶213
借助关联物质的计算
方法引导:在一些综合性较强的化学计算题中,反
应过程可能包含多个步骤,存在中间产物,且已知物质
与待求物质之间没有直接的元素联系。这类问题难度较
高,要求我们跳出“直接守恒”的思维定式,学会通过
关键中间产物建立间接的数量关系。
·梳理流程:明确各步反应的主要物质变化;
·锁定中间产物:作为连接起点与终点的纽带;
·追踪守恒元素:建立原子个数对应关系;
·利用相对质量比例:完成最终计算。
以2025年广州市中考化学试题为例,题目以重晶石
(BaSO4)碳化法生产碳酸钡(BaCO3)为背景,已知
原料硫化钡(BaS)的质量为338 kg,要求计算在碳化塔
中参与反应的二氧化碳(CO2)的质量。观察BaS与CO2
的组成可知,两者不含相同元素,无法通过某一元素的
守恒直接建立质量关系。
此时,就需要借助反应流程中的中间产物——碳酸钡
(BaCO3),作为连接二者的“桥梁”。每有1个“BaS”
参与反应,最终就会生成1个“BaCO3”,进而消耗1个
“CO2”。进而可以得到物质质量比。
例题3.(2025·广州中考节选)碳酸钡(BaCO3)广
泛用于制造光学玻璃、陶瓷、搪瓷、颜料等,工业上用
重晶石(BaSO4)碳化法生产碳酸钡的流程如图所示。
粗BaS中的杂质不参与反应,反应器中生成Ba
(OH)2和Ba(HS)2均进入溶液A,在碳化塔中与CO2
反应完全转化为BaCO3沉淀。
(1)BaS与H2O反应的化学方程式是
。
(2)如果参加反应的BaS质量是338 kg,理论上碳
化塔中参加反应的CO2质量是 kg。
(相对原子质量:C-12 O-16 S-32 Ba-137)
2BaS+2H2O
Ba(OH)2+Ba(HS)2
88
1. (2025·黄埔区模拟节选)实现“碳达峰”“碳中
和”,需要我们对CO2有全面的认识。2021年《科学》
杂志刊登了用CO2为原料,与氢气在催化剂作用下生产
清洁燃料甲醇,流程如图所示。
流程图中,每生产16吨甲醇,理论上可减少排放
吨CO2。
22
2. (2025·白云区二模节选)已知木糖醇中含有碳元素和
氢元素,可能含有氧元素,具有可燃性。兴趣小组为确
定其组成,取1.52 g木糖醇进行实验(如图),测得B装
置增重了1.08 g,C装置增重了2.2 g。(实验前已排尽
装置内空气,使用试剂均足量)
(1)充分反应后,可以观察到A装置中木糖醇 ,氧化铜颜色最终为 色。
(2)木糖醇中含有碳元素 g、氢元素 g,
(填“含有”或“不含有”)氧元素。
消失
黑
0.6
0.12
含有
(3)氧化铜的作用是
。
(4)D装置的作用是
。
确保木糖醇中的碳元素全部转化
成二氧化碳
防止空气中的二氧化碳和水蒸气
进入C装置,影响实验结果
3. (2025·越秀区校级三模)CO2的捕集与资源化利用是
实现“双碳”目标的重要手段。利用鸡蛋壳制备CaO高
温捕集CO2是目前很有前景的技术之一。蛋壳粉碎后,
用醋酸(CH3COOH)将蛋壳中的碳酸钙转化为醋酸钙
[Ca(CH3COO)2]后,800 ℃煅烧,得到CaO。
已知:醋酸钙在空气中800 ℃煅烧时,反应的化学方程
式为
Ca(CH3COO)2+4O2 CaO+4CO2+3H2O
(1)用这种方法制得的CaO来捕集空气中的CO2,现要
捕集2.2 t CO2,理论上需要煅烧 t醋酸钙。[Ca
(CH3COO)2的相对分子质量是158]
7.9
(2)CO2的综合应用
中国科学家已实现由CO2到淀粉的全人工合成,主要过
程为CO2→甲醇→甲醛→……→葡萄糖→……→淀粉。
其中“甲醇→甲醛”阶段的物质转化如图所示。反应a中
四种物质的化学计量数均为1。
①推测分子中氧原子的数目:甲醇 (填“>”
“<”或“=”)甲醛。
②为使甲醇持续转化为甲醛,反应b需补充H2O2,理论
上每完成一个甲醇分子到甲醛分子的转化,至少需要补
充 个H2O2分子。
=
1
4. (2025·天河区模拟节选)软锰矿的主要成分为
MnO2,并含有少量Fe2O3、Al2O3、MgO、SiO2等杂
质,工业上制备硫酸锰晶体(MnSO4·H2O)的流程如
图所示。
(1)若“除镁”的一种方案是结晶:分离滤液中硫酸锰和硫酸镁并得到MnSO4·H2O晶体,它们的溶解度曲线如图所示。
其操作是在“沉铝沉铁”后过滤,将滤液在60 ℃时,蒸
发水分、浓缩结晶,洗涤、干燥得到MnSO4·H2O晶体。
在60 ℃而不是在100 ℃蒸发水分、浓缩结晶的理由
是
。
60 ℃时,杂质MgSO4的溶解度最大,难以饱和析出
晶体
(2)若a kg软锰矿经历上述制备流程,最终制得
MnSO4·H2O的质量为b kg。若整个流程锰元素损耗率为
15%,则软锰矿中MnO2纯度是
(用含a、b的计算式来表示,MnSO4·H2O相对分子质量为169)。
×100 %