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化学计算过程,主要是一个化学问题的数学处理过程,即对物质的组成、结构、性质和变化规律的量化过程。不同的问题,需要不同层次的解题能力。各层次能力的形成,知識点及基本解法的训练固然重要,但在解答具体问题时,代数的思维意识是非常重要的,希望能引起老师和同学们的足够的重视。
所谓代数意识,是指在解题时,依据有关条件,直接求值,找关系式,由变量之间的关系列方程(或方程组),建立不等式,构造函数表达式然后求解的思维意识。
例题1:为测定硫酸铵和硫酸氢铵的混合物中的质量分数,将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的NaOH溶液中,沸水浴加热至气体全部逸出(此温度下铵盐不分解)。该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全,测定浓硫酸的质量,部分测定结果如下:铵盐质量为10.00克和20.00克时,浓硫酸增加的质量相同;铵盐质量为30.00克时,浓硫酸增加的质量为0.68克,铵盐质量为40.00克时,浓硫酸的质量不变。计算该铵盐中的氮元素的中质量分数。若铵盐质量为15.00克,浓硫酸增加的质量为多少?(计算结果保留两位小数)。
解:设10克样品中含硫酸铵物质的量为xmol;硫酸氢铵物质的量为ymol;NaOH物质的量为amol,10克样品中根据质量列方程132x+115y=10;投入10克和20克样品产生的气体即氨气使浓硫酸增加的质量相同。经分析由于二者的NaOH溶液一样,一定是10克样品投入时NaOH过量产生的气体用铵根离子而20克样品投入时是铵根离子过量产生的气体用氢氧根离子计算。故可以列出方程2x+y=a-2y;投入30克样品时铵根离子继续增多,也一定是铵根离子过量,产生气体用氢氧根离子来计算。可以列出方程a-3y=0.68/17=0.04,
,解方程组,得x=0.02mol;y=0.064mol;a=0.232mol.进而可以求出该铵盐样品中氮元素的质量分数为(2x+y)×17÷10=14.56%
若铵盐样品质量为15克,则样品中硫酸铵为0.03mol ,硫酸氢铵为0.096mol ,铵根离子物质的量总共为0.156mol ,而能与铵根离子反应的氢氧根离子为0.232-0.096=0.136mol ,铵根离子过量故产生的氨气为0.136mol ,浓硫酸增加的质量为0.136×17=2.312克。此题还可以设问氢氧化钠的物质的量浓度和当加入铵盐样品的质量在什么范围时产生的氨气为0 ,不妨我们大家一起来根据上面的思路自己考虑如何做出后面的两个问题。氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.232/0.05=4.64mol/。设加入的铵盐样品中硫酸铵物质的量为b ,硫酸氢铵物质的量为3.2b 时恰好使产生的氨气为0。因为由上面可以推出硫酸氢铵与硫酸铵的物质的量之比为3.2,根据题意来列方程:0.232–3.2b=0,解方程,得b=0.0725mol,此时样品的总质量为132×0.0725+115×4×0.0725=36.25克。或者(0.232/0.064)×10=36.25克。故加入的样品的质量m=0 或 m≥36.25克时产生的氨气气体体积为0。
例题2:为了防治环境污染并对尾气进行综合利用,某硫酸厂用氨水吸收尾气中的SO2,再向吸收液中加入浓硫酸,以制取高浓度的SO2及硫酸铵和硫酸氢铵固体。
为测定上述硫酸铵和硫酸氢铵固体混合物的组成,现称取该样品四份,分别加入相同的浓度的NaOH溶液各40.00mL,加热至120℃左右,使氨气全部逸出(此温度下铵盐不分解),测得有关实验数据如下(标准状况下)
①实验过程中有关反应的离子方程式为 ;②由第1组数据直接推测:标准状况下3.7g样品进行同样实验时,生成的氨气的体积为 升;③试计算该混合物硫酸铵和硫酸氢铵的物质的量之比为 ;④欲计算该NaOH溶液的物质的量浓度应该选择第 组数据,由此求得NaOH溶液的物质的量浓度为 ;⑤若在第2组和第3组实验之间加一组实验,需加 克样品时产生的气体也为1.68L。
解:①实验过程中有关反应的离子方程式为:NH4++OH-=NH3H2O;H++OH-=H2O;②由第1组数据直接推测:标准状况下3.7g样品进行同样实验时,由实验1和实验2可知样品增多,产生的气体也在增多,说明7.4克样品中铵根离子少,氢氧化钠过量,故3.7克样品投入后产生的气体是7.4克样品产生氨气的一半,体积为0.84L.③设7.4克样品中硫酸铵物质的量为x,硫酸氢铵物质的量为y,由实验1可知:,解方程组,得x=0.0125,y=0.05;故可以推出硫酸铵与硫酸氢铵的物质的量之比为1 :4 。④欲计算该NaOH溶液的物质的量浓度,我们来分析一下题目中的几组数据:若实验2中碱依然过量的话,那么产生的气体应该为1.68×2=3.36L。但事实上是2.24L,说明实验2中铵根离子已经过量。设氢氧化钠的物质的量为a。实验2样品中硫酸铵为0.025mol,硫酸氢铵为0.1mol,铵根离子过量,产生气体用氢氧根离子计算a–0.1=2.24/22.4.故可以推出a=0.2mol.氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.2/0.04=5mol/L。同样也可以用实验3来计算,实验3样品中硫酸铵为0.0375mol,硫酸氢铵为0.15mol,与实验2比较气体继续在减少,肯定铵根离子过量。产生氨气用氢氧根离子计算:a–0.15=0.05,也可推出氢氧化钠的物质的量为0.2mol。⑤若在第2组和第3组实验之间加一组实验,要使产生的气体也为1.68L:实验1中氢氧化钠过量,产生气体为1.68L,所加的一组实验必定是铵根离子过量,产生气体用碱来计算。设样品中硫酸铵物质的量为b,则硫酸氢铵的物质的量为4b。由④推出氢氧化钠的物质的量为0.2mol。列出产生气体的方程:0.2–4b=0.075,b=0.125/4;样品总质量:132×0.125/4+115×0.125=18.5克。高中化学教学,计算型习题教学是学生们倍感头疼的部分,尤其是现在的中学生从小不喜欢计算,导致计算能力较差,而计算能力又是高考选拔学生的一种重要能力,把复杂问题简单化就需要把代数的思维方式运用到化学计算题当中。熟练掌握了这种方法,学生在高考试题中碰到稍微复杂一点的计算题就能得心应手,游刃有余。
所谓代数意识,是指在解题时,依据有关条件,直接求值,找关系式,由变量之间的关系列方程(或方程组),建立不等式,构造函数表达式然后求解的思维意识。
例题1:为测定硫酸铵和硫酸氢铵的混合物中的质量分数,将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的NaOH溶液中,沸水浴加热至气体全部逸出(此温度下铵盐不分解)。该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全,测定浓硫酸的质量,部分测定结果如下:铵盐质量为10.00克和20.00克时,浓硫酸增加的质量相同;铵盐质量为30.00克时,浓硫酸增加的质量为0.68克,铵盐质量为40.00克时,浓硫酸的质量不变。计算该铵盐中的氮元素的中质量分数。若铵盐质量为15.00克,浓硫酸增加的质量为多少?(计算结果保留两位小数)。
解:设10克样品中含硫酸铵物质的量为xmol;硫酸氢铵物质的量为ymol;NaOH物质的量为amol,10克样品中根据质量列方程132x+115y=10;投入10克和20克样品产生的气体即氨气使浓硫酸增加的质量相同。经分析由于二者的NaOH溶液一样,一定是10克样品投入时NaOH过量产生的气体用铵根离子而20克样品投入时是铵根离子过量产生的气体用氢氧根离子计算。故可以列出方程2x+y=a-2y;投入30克样品时铵根离子继续增多,也一定是铵根离子过量,产生气体用氢氧根离子来计算。可以列出方程a-3y=0.68/17=0.04,
,解方程组,得x=0.02mol;y=0.064mol;a=0.232mol.进而可以求出该铵盐样品中氮元素的质量分数为(2x+y)×17÷10=14.56%
若铵盐样品质量为15克,则样品中硫酸铵为0.03mol ,硫酸氢铵为0.096mol ,铵根离子物质的量总共为0.156mol ,而能与铵根离子反应的氢氧根离子为0.232-0.096=0.136mol ,铵根离子过量故产生的氨气为0.136mol ,浓硫酸增加的质量为0.136×17=2.312克。此题还可以设问氢氧化钠的物质的量浓度和当加入铵盐样品的质量在什么范围时产生的氨气为0 ,不妨我们大家一起来根据上面的思路自己考虑如何做出后面的两个问题。氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.232/0.05=4.64mol/。设加入的铵盐样品中硫酸铵物质的量为b ,硫酸氢铵物质的量为3.2b 时恰好使产生的氨气为0。因为由上面可以推出硫酸氢铵与硫酸铵的物质的量之比为3.2,根据题意来列方程:0.232–3.2b=0,解方程,得b=0.0725mol,此时样品的总质量为132×0.0725+115×4×0.0725=36.25克。或者(0.232/0.064)×10=36.25克。故加入的样品的质量m=0 或 m≥36.25克时产生的氨气气体体积为0。
例题2:为了防治环境污染并对尾气进行综合利用,某硫酸厂用氨水吸收尾气中的SO2,再向吸收液中加入浓硫酸,以制取高浓度的SO2及硫酸铵和硫酸氢铵固体。
为测定上述硫酸铵和硫酸氢铵固体混合物的组成,现称取该样品四份,分别加入相同的浓度的NaOH溶液各40.00mL,加热至120℃左右,使氨气全部逸出(此温度下铵盐不分解),测得有关实验数据如下(标准状况下)
①实验过程中有关反应的离子方程式为 ;②由第1组数据直接推测:标准状况下3.7g样品进行同样实验时,生成的氨气的体积为 升;③试计算该混合物硫酸铵和硫酸氢铵的物质的量之比为 ;④欲计算该NaOH溶液的物质的量浓度应该选择第 组数据,由此求得NaOH溶液的物质的量浓度为 ;⑤若在第2组和第3组实验之间加一组实验,需加 克样品时产生的气体也为1.68L。
解:①实验过程中有关反应的离子方程式为:NH4++OH-=NH3H2O;H++OH-=H2O;②由第1组数据直接推测:标准状况下3.7g样品进行同样实验时,由实验1和实验2可知样品增多,产生的气体也在增多,说明7.4克样品中铵根离子少,氢氧化钠过量,故3.7克样品投入后产生的气体是7.4克样品产生氨气的一半,体积为0.84L.③设7.4克样品中硫酸铵物质的量为x,硫酸氢铵物质的量为y,由实验1可知:,解方程组,得x=0.0125,y=0.05;故可以推出硫酸铵与硫酸氢铵的物质的量之比为1 :4 。④欲计算该NaOH溶液的物质的量浓度,我们来分析一下题目中的几组数据:若实验2中碱依然过量的话,那么产生的气体应该为1.68×2=3.36L。但事实上是2.24L,说明实验2中铵根离子已经过量。设氢氧化钠的物质的量为a。实验2样品中硫酸铵为0.025mol,硫酸氢铵为0.1mol,铵根离子过量,产生气体用氢氧根离子计算a–0.1=2.24/22.4.故可以推出a=0.2mol.氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.2/0.04=5mol/L。同样也可以用实验3来计算,实验3样品中硫酸铵为0.0375mol,硫酸氢铵为0.15mol,与实验2比较气体继续在减少,肯定铵根离子过量。产生氨气用氢氧根离子计算:a–0.15=0.05,也可推出氢氧化钠的物质的量为0.2mol。⑤若在第2组和第3组实验之间加一组实验,要使产生的气体也为1.68L:实验1中氢氧化钠过量,产生气体为1.68L,所加的一组实验必定是铵根离子过量,产生气体用碱来计算。设样品中硫酸铵物质的量为b,则硫酸氢铵的物质的量为4b。由④推出氢氧化钠的物质的量为0.2mol。列出产生气体的方程:0.2–4b=0.075,b=0.125/4;样品总质量:132×0.125/4+115×0.125=18.5克。高中化学教学,计算型习题教学是学生们倍感头疼的部分,尤其是现在的中学生从小不喜欢计算,导致计算能力较差,而计算能力又是高考选拔学生的一种重要能力,把复杂问题简单化就需要把代数的思维方式运用到化学计算题当中。熟练掌握了这种方法,学生在高考试题中碰到稍微复杂一点的计算题就能得心应手,游刃有余。