常见化学计算方法主要有:差量法、十字交叉法、平均法、守恒法、极值法、关系式法、方程式叠加法、等量代换法、摩尔电子质量法、讨论法、图象法(略)、对称法(略)。
一、差量法在一定量溶剂的饱和溶液中,由于温度改变(升高或降低),使溶质的溶解度发生变化,从而造成溶质(或饱和溶液)质量的差量;每个物质均有固定的化学组成,任意两个物质的物理量之间均存在差量;同样,在一个封闭体系中进行的化学反应,尽管反应前后质量守恒,但物质的量、固液气各态物质质量、气体体积等会发生变化,形成差量。
差量法就是根据这些差量值,列出比例式来求解的一种化学计算方法。
该方法运用的数学知识为等比定律及其衍生式:a b c d a c b d ==--或c ad b--。
差量法是简化化学计算的一种主要手段,在中学阶段运用相当普遍。
常见的类型有:溶解度差、组成差、质量差、体积差、物质的量差等。
在运用时要注意物质的状态相相同,差量物质的物理量单位要一致。
1.将碳酸钠和碳酸氢钠的混合物21.0g ,加热至质量不再变化时,称得固体质量为12.5g 。
求混合物中碳酸钠的质量分数。
2.实验室用冷却结晶法提纯KNO 3,先在100℃时将KNO 3配成饱和溶液,再冷却到30℃,析出KNO 3。
现欲制备500g 较纯的KNO 3,问在100℃时应将多少克KNO 3溶解于多少克水中。
(KNO 3的溶解度100℃时为246g ,30℃时为46g )3.某金属元素R 的氧化物相对分子质量为m ,相同价态氯化物的相对分子质量为n ,则金属元素R 的化合价为多少?4.将镁、铝、铁分别投入质量相等、足量的稀硫酸中,反应结束后所得各溶液的质量相等,则投入的镁、铝、铁三种金属的质量大小关系为( )(A )Al >Mg >Fe (B )Fe >Mg >Al (C )Mg >Al >Fe (D )Mg=Fe=Al5.取Na 2CO 3和NaHCO 3混和物9.5g ,先加水配成稀溶液,然后向该溶液中加9.6g 碱石灰(成分是CaO 和NaOH ),充分反应后,使Ca 2+、HCO 3-、CO 32-都转化为CaCO 3沉淀。
再将反应容器内水分蒸干,可得20g 白色固体。
试求: (1)原混和物中Na 2CO 3和NaHCO 3的质量; (2)碱石灰中CaO 和NaOH 的质量。
6.将12.8g 由CuSO 4和Fe 组成的固体,加入足量的水中,充分反应后,滤出不溶物,干燥后称量得5.2g 。
试求原混和物中CuSO 4和Fe 的质量。
二、十字交叉法凡能列出一个二元一次方程组来求解的命题,即二组分的平均值,均可用十字交叉法,此法把乘除运算转化为加减运算,给计算带来很大的方便。
十字交叉法的表达式推导如下:设A 、B 表示十字交叉的两个分量,AB ——表示两个分量合成的平均量,x A 、x B分别表示A 和B 占平均量的百分数,且x A +x B =1,则有:A ·x A +B ·x B =AB ——(x A +x B ) 化简得:x x AB B A ABA B =--————若把AB ——放在十字交叉的中心,用A 、B 与其交叉相减,用二者差的绝对值相比即可得到上式。
十字交叉法应用非常广,但不是万能的,其适用范围如表4—2:含 化学 义 量 类型A 、BAB ——x A 、x B1 溶液中溶质 质量分数 混合溶液中溶质质量质量分数 质量分数 x x AB B A ABA B =--————2 物质中某元素 质量分数 混合物中某 元素质量分数 质量分数3 同位素相对 原子质量 元素相对 原子质量 同位素原子 百分组成4 某物质相对 分子质量 混合物平均相对分子质量 物质的量分数 或体积分数 5 某物质分子 组成混合物的平均 分子组成物质的量分数6用于某些综合计算:如十字交叉法确定某些盐的组成、有机物的组成等正确使用十字交叉法解题的关键在于:(1)正确选择两个分量和平均量;(2)明确所得比为谁与谁之比;(3)两种物质以什么为单位在比。
尤其要注意在知道质量平均值求体积或物质的量的比时,用此法并不简单。
1. 现有50g 5%的CuSO 4溶液,把其浓度增大一倍,可采用的方法有:(1)可将原溶液蒸发掉 g 水;(2)可向原溶液中加入12.5% CuSO 4溶液 g ;(3)可向原溶液中加入胆矾 g ;(4)可向原溶液中加入CuSO 4白色粉末 g 。
2 . 今有NH 4NO 3和CO(NH 2)2混合化肥,现测得含氮质量分数为40%,则混合物中NH 4NO 3和CO(NH 2)2的物质的量之比为( )(A )4∶3 (B )1∶1 (C )3∶4 (D )2∶33. (1)已知溶质质量分数分别为19x%和x%的两硫酸溶液,若将它们等体积混和,则所得混和液的溶质质量分数与10x 的大小关系如何?(2)已知溶质质量分数为a%的氨水物质的量浓度是b mol ·L -1,则a2%的氨水物质的量浓度与b2mol ·L -1的大小关系如何?4. 将金属钠在空气中燃烧,生成Na 2O 与Na 2O 2的混合物。
取该燃烧产物7.48g 溶于水制成1000mL 溶液,取出10mL ,用0.1 mol ·L -1的盐酸中和,用去盐酸20mL ,试求该产物中Na 2O 的物质的量分数。
5. 0.8 mol CO 2通入1L 1mol ·L -1NaOH 溶液中,试求所得溶液中溶质的物质的量。
三、平均法对于含有平均含义的定量或半定量习题,利用平均原理这一技巧性方法,可省去复杂的计算,迅速地作出判断,巧妙地得出答案,对提高解题能力大有益处。
平均法实际上是对十字交叉所含原理的进一步运用。
解题时,常与十字交叉结合使用,达到速解之目的。
原理如下:若A>B ,且符合AB x A x B x x A x B x A B A BA B ——=⋅+⋅+=⋅+⋅%%,则必有A>AB ——>B ,其中AB ——是A 、B 的相应平均值或式。
x A ·x B 分别是A 、B 的份数。
常见的类型有:元素质量分数、相对原子质量、摩尔电子质量、双键数、化学组成等平均法。
有时运用平均法也可讨论范围问题。
1. 某硝酸铵样品中氮的质量分数25%,则该样品中混有的一组杂质一定不是( ) (A )CO(NH 2)2和NH 4HCO 3 (B )NH 4Cl 和NH 4HCO 3 (C )NH 4Cl 和(NH 4)2SO 4 (D )(NH 4)2SO 4和NH 4HCO 32. 把含有某一种氯化物杂质的氯化镁粉末95mg 溶于水后,与足量的硝酸银溶液反应,生成氯化银沉淀300mg ,则该氯化镁中的杂质可能是( )(A )氯化钠 (B )氯化铝 (C )氯化钾 (D )氯化钙3. 某含杂质的CaCO 3样品只可能含有下列括号中四种杂质中的两种。
取10g 该样品和足量盐酸反应,产生了2.24L 标准状况下的CO 2气体。
则该样品中一定含有 杂质,可能含有 杂质。
(杂质:KHCO 3、MgCO 3、K 2CO 3、SiO 2)4 .(1)碳酸氢铵在170℃时完全分解,生成的混和气体平均相对分子质量是 。
(2)某爆鸣气中H 2和O 2的质量分数分别为75%和25%,则该爆鸣气对氢气的相对密度是 。
(3)体积为1 L 的干燥容器充入HCl 气体后,测得容器中气体对氧气相对密度为1.082,用此气体进行喷泉实验,当喷泉停止后,进入容器中液体的体积是 。
附:平均摩尔质量(M ——)的求法:① M m n ——总总= m 总—混和物总质量 n 总—混和物总物质的量②M ——=M 1·n 1%+M 2·n 2%+… M 1、M 2……各组分的摩尔质量,n 1%、n 2%……各组分的物质的量分数。
(注:M ——如是元素的摩尔质量,则M 1、M 2……是各同位素的摩尔质量,n 1%、n 2%……是各同位素的原子分数(丰度)。
) ③M ——如是气体混合物的摩尔质量,则有M ——=M 1·V 1%+M 2·V 2%+…(注:V 1%、V 2%……气体体积分数。
) ④M ——如是气体混合物的摩尔质量,则有M ——=d ·M A (注:M A 为参照气体的摩尔质量,d 为相对密度)四、 守恒法在化学反应中存在一系列守恒现象,如:质量守恒(含原子守恒、元素守恒)、电荷守恒、电子得失守恒、能量守恒等,利用这些守恒关系解题的方法叫做守恒法。
电荷守恒即对任一电中性的体系,如化合物、混和物、溶液、胶体等,电荷的代数和为零,即正电荷总数和负电荷总数相等。
电子得失守恒是指在发生氧化-还原反应时,氧化剂得到的电子数一定等于还原剂失去的电子数,无论是自发进行的氧化-还原反应还是以后将要学习的原电池或电解池均如此。
a. 质量守恒 1 . 有0.4g 铁的氧化物, 用足量的CO 在高温下将其还原,把生成的全部CO 2通入到足量的澄清的石灰水中得到0.75g 固体沉淀物,这种铁的氧化物的化学式为( )A. FeOB. Fe 2O 3C. Fe 3O 4D. Fe 4O 52. 将几种铁的氧化物的混合物加入100mL 、7mol •L ―1的盐酸中。
氧化物恰好完全溶解,在所得的溶液中通入0.56L (标况)氯气时,恰好使溶液中的Fe 2+完全转化为Fe 3+,则该混合物中铁元素的质量分数为 ( )A. 72.4%B. 71.4%C. 79.0%D. 63.6% b. 电荷守恒法 3. 将8g Fe 2O 3投入150mL 某浓度的稀硫酸中,再投入7g 铁粉收集到1.68L H 2(标准状况),同时,Fe 和Fe 2O 3均无剩余,为了中和过量的硫酸,且使溶液中铁元素完全沉淀,共消耗4mol/L 的NaOH 溶液150mL 。
则原硫酸的物质的量浓度为( )A. 1.5mol/LB. 0.5mol/LC. 2mol/LD. 1.2mol/L4. 镁带在空气中燃烧生成氧化镁和氮化镁,将燃烧后的产物全部溶解在50mL 1.8 mol·L-1盐酸溶液中,以20mL 0.9 mol·L-1的氢氧化钠溶液中和多余的酸,然后在此溶液中加入过量碱把氨全部释放出来,用足量盐酸吸收,经测定氨为0.006mol,求镁带的质量。
c. 得失电子守恒法5. 某稀硝酸溶液中,加入5.6g铁粉充分反应后,铁粉全部溶解,生成NO,溶液质量增加3.2g,所得溶液中Fe2+和Fe3+物质的量之比为()A. 4∶1B. 2∶1C. 1∶1D. 3∶26. (1)0.5mol铜片与足量的浓HNO3反应,收集到的气体经干燥后(不考虑损耗),测知其密度在标准状况下为2.5 g·L-1,其体积为L。