第一篇：中學(xué)生化學(xué)競賽專題講座：守恒法在化學(xué)計算中的應(yīng)用

中學(xué)生化學(xué)競賽專題講座：守恒法在化學(xué)計算中的應(yīng)用

普寧二中楊銳欽

同學(xué)們，你們知道嗎？你已經(jīng)學(xué)習(xí)了半年的高中化學(xué)包括很多方面的內(nèi)容；知識化學(xué)、理論化學(xué)、實驗化學(xué)、計算化學(xué)等。無論你掌握了哪方面的一些竅門都會對你學(xué)習(xí)整個化學(xué)知識帶來非常大的幫助。

不信嗎？我們來試驗一番。我們就從你現(xiàn)在可能感到有些困難的計算化學(xué)入手，只研究其中很小的一類問題，相信它一定會讓你感到化學(xué)的世界奧妙無窮，學(xué)習(xí)化學(xué)知識其樂融融。我們來看化學(xué)計算中一種十分常用的方法——守恒法。這種方法在使用過程中不需要了解過多的中間過程，避免了繁雜的分析和多重化學(xué)反應(yīng)，具有思路簡單，關(guān)系明確，計算快捷的特點。

一、守恒法的基本題型和解題依據(jù)

1、參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物的質(zhì)量總和，這個規(guī)律叫質(zhì)量守恒定律。其本質(zhì)是：化學(xué)反應(yīng)前后，各元素的原子的種類，數(shù)目沒有改變。所以，在一切化學(xué)反應(yīng)中都存在著質(zhì)量守恒、原子個數(shù)守恒。

2、氧化還原反應(yīng)的特征是元素的化合價發(fā)生變化，其本質(zhì)是在反應(yīng)中有電子轉(zhuǎn)移。由于物質(zhì)間得失電子數(shù)相等，所以，在有化合價升降的元素間存在化合價升降總數(shù)相等的守恒關(guān)系。因而有電量守恒（又稱電子得失守恒）及化合價守恒。

3、由于物質(zhì)是電中性的，因而在化合物和電解質(zhì)溶液中，陰陽離子所帶電荷數(shù)相等，存在電荷守恒

二、例題應(yīng)用指導(dǎo)

（一）質(zhì)量守恒：

在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)的反應(yīng)物的總質(zhì)量等于反應(yīng)后生成物的總質(zhì)量，反應(yīng)前后質(zhì)量不變。

例1.在臭氧發(fā)生器中裝入100mlO2，經(jīng)反應(yīng)3O2=2 O3，最后氣體體積變?yōu)?5ml（體積均為標(biāo)準(zhǔn)狀況下測定），則反應(yīng)后混合氣體的密度為多少？

【分析】根據(jù)質(zhì)量守恒定律反應(yīng)前后容器中氣體的質(zhì)量不變，等于反應(yīng)前100ml O2的質(zhì)量。則反應(yīng)后混合氣體的密度為：

－－d=（0.1 L /22.4 L·mol1 ×32g·mol1）/0.095 L =1.5 g/L

例

2、將足量的金屬鈉投入到100gt°C的水中，恰好得到t°C時NaOH飽和溶液111g，則t°C時NaOH的溶解度為____克。

[分析解答]：由于2Na+2H2O=NaOH+H2 所以，反應(yīng)前總質(zhì)量為,反應(yīng)后總質(zhì)量為

若設(shè)Na的物質(zhì)的量為xmol，則

23x+100=111+x×2，得x=0.5 =xmol.據(jù)質(zhì)量守恒定律有：∴

=0.5mol×40g/mol=20g

(二)原子守恒：

在一些復(fù)雜多步的化學(xué)過程中，雖然發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)多，但某些元素的物質(zhì)的量、濃度等始終沒有發(fā)生變化，整個過程中元素守恒。

例3.有一在空氣中暴露過的KOH固體，經(jīng)分析知其內(nèi)含水7.62%，K2CO32.88%，KOH90%，－－若將此樣品1g加入到46.00ml的1 mol·L1鹽酸中，過量的酸再用1.07mol·L1KOH溶液中

和，蒸發(fā)中和后的溶液可得固體多少克？

【分析】此題中發(fā)生的反應(yīng)很多，但仔細(xì)分析可知：蒸發(fā)溶液后所得固體為氯化鉀，其Cl

第1頁

－全部來自于鹽酸中的Cl，在整個過程中Cl守恒。即n（KCl）= n（HCl）故

－－m（KCl）=0.046L×1 mol·L1×74.5 g · mol1=3.427 g

例

4、將1molH2S和1molO2混合后點燃，生成SO2的物質(zhì)的量為_____mol?

[分析解答]：H2S在O2中燃燒反應(yīng)有兩種情況：

2H2S+O2=2S+2H2O2H2S+3O2=2SO2+2H2O

本題中：由于2：3＜＜2：1所以H2S在O2中燃燒的產(chǎn)物有S、SO2、H2O。細(xì)心觀察不難發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)前H2S中的H元素全部轉(zhuǎn)移到H2O中，反應(yīng)前H2S中的S元素全部轉(zhuǎn)移到SO2和S中，反應(yīng)前O2中的O元素全部轉(zhuǎn)移到H2O用SO2中?！?/p>

據(jù)原子守恒有：=(H守恒)2=2+(O守恒）=0.5mol

=1:1.8混合，待充分反應(yīng)后，生成物－－代入數(shù)據(jù)得：==1mol∴=例

5、將紅磷放在Cl2中燃燒，若紅磷與Cl2按np:

中=___________。

[分析解答]：由于反應(yīng)前紅磷中的P元素全部轉(zhuǎn)移到PCl3及PCl5中，反應(yīng)前Cl2中的Cl元素全部轉(zhuǎn)移到PCl3及PCl5中。

∴據(jù)原子守恒有：若設(shè)nP=1mol 則nCl=

2∴有：解得

∴：+=0.7mol +=nP 3=2×1.8=3.6mol +5=3.6mol +5=nCl=1mol3=0.3mol =0.7:0.3=7:

3（三）電荷守恒

例

6、將KCl和KBr的混合物13.4克，溶于水配成500mol溶液，通入過量的Cl2,反應(yīng)后將溶液蒸干，得固體11.175克，則原配溶液中的K+、Cl-、Br-的物質(zhì)的量濃度之比為（）

A、1：2：3B、3：2：1C、1：3：2D、2：3：

1[分析解答]：根據(jù)溶液中的電荷守恒有：[K+]=[Cl-]+[Br-]

∴[K+]＞[Cl-][K+]＞[Br-]∴為B

例

7、某地酸雨分析數(shù)據(jù)如下：[Na+]=2.3×10-5mol/L

[Cl-]=3.5×10-5mol/L[NH4+]=7×10-6mol/L[SO42-]=2.5×10-6mol/L該地酸雨的PH值是（）。

A.3.0B.4.0C.4.3D.5.0

解析：根據(jù)酸雨中，陰陽離子電荷守恒求算：

[Na+]+ [NH4+] +[H+] =[Cl-] +2[SO42-] +[OH-]因溶液顯酸性，故[OH-]可略。代入題給數(shù)據(jù)，立即求得[H+]=1.0×10-5mol/LPH=5.0故選D。

（四）電子守恒：（電子得失守恒，化合價升降總數(shù)相等）

氧化還原反應(yīng)中，氧化劑失電子總數(shù)等于還原劑失電子總數(shù)，得失電子守恒。

例8、24ml濃度為0.05mol/L的Na2SO3溶液，恰好與20ml濃度為0.02mol/L的K2Cr2O7溶液完全反應(yīng)，則元素Cr在被還原的產(chǎn)物中的化合價是______。

[分析解答]：先根據(jù)化合價的改變確定得失電子的物質(zhì)：

由于題目指出Cr被還原，所以得電子的物質(zhì)是K2Cr2O7,失電子的物質(zhì)是Na2SO3。再根據(jù)化

合價的改變分別找出1mol氧化劑、還原劑的得失電子數(shù)。設(shè)Cr元素被還原為+n價，∴

1mol在反應(yīng)中得電子：2×(6-n)mol由于Na2SO3肯定被氧化為Na2SO4, ∴1molNa2SO3在反應(yīng)中失電子：(6-4)×1=2mol。最后，根據(jù)反應(yīng)物的實際電子得失總數(shù)，列電子守恒關(guān)系求解：

0.05mol/L×24×10-3L×2=0.02mol/L×20×10-3L×2(6-n)

解得：n=3應(yīng)為+3價。

例93.84g銅和一定質(zhì)量的濃硝酸反應(yīng)，當(dāng)銅反應(yīng)完時，共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況時的氣體2.24L，若把裝有這些氣體的集氣瓶倒立在盛水的水槽中，需通入多少升標(biāo)況下的氧氣才能使集氣瓶充滿溶液?

解析：銅失電子數(shù)＝被還原的硝酸得的電子數(shù)＝氧化硝酸的還原產(chǎn)物ＮＯ，ＮＯ２消耗的氧氣得的電子數(shù)，省去中間計算，得銅失的電子數(shù)＝氧氣得的電子數(shù)。則

－１ｎ4（Ｏ２）＝3.84ｇ÷64ｇ.mol×2×1／4＝0.03mol

－１Ｖ（Ｏ２）＝0.03mol×22.4Ｌ.mol＝0.672Ｌ

若用常規(guī)解法，應(yīng)先求出NO，NO２的物質(zhì)的量，再根據(jù)：

4ＮＯ２＋Ｏ２＋2Ｈ２Ｏ＝4ＨＮＯ３

4ＮＯ＋3Ｏ２＋2Ｈ２Ｏ＝4ＨＮＯ３

計算出Ｏ２的物質(zhì)的量，并求出其體積，此方法運算量大，中間計算多且復(fù)雜，容易出錯，用電子守恒法綜合考慮，可省去中間的各步計算，使計算簡化。

你看，這種方法在使用時是否“只看兩頭不管中間”呢？

三、守恒法的選取

在進行解題時，如何選擇并應(yīng)用上述方法對于正確快速地解答題目十分關(guān)鍵。首先必須明確每一種守恒法的特點，然后挖掘題目中存在的守恒關(guān)系，最后巧妙地選取方法，正確地解答題目。

1． 在溶液中存在著離子的電荷守恒和物料守恒。因此涉及到溶液（尤其是混合溶液）中離子的物質(zhì)的量或物質(zhì)的量濃度等問題可考慮電荷守恒法物料守恒法。

2．在氧化還原反應(yīng)中存在著得失電子守恒。因此涉及到氧化還原反應(yīng)中氧化劑、還原劑得失電子及反應(yīng)前后化合價等問題可考慮電子守恒法。

3．在某些復(fù)雜多步的化學(xué)反應(yīng)中，某些元素的質(zhì)量或濃度等沒有發(fā)生變化。因此涉及到多步復(fù)雜的化學(xué)過程的問題可考慮元素守恒法。

4．在一個具體的化學(xué)反應(yīng)中，由于反應(yīng)前后質(zhì)量不變，因此涉及到與質(zhì)量有關(guān)的問題可考慮質(zhì)量守恒法。

四．習(xí)題練習(xí)

練習(xí)

1、有FeO、Fe2O3的混合物若干克，在H2流中加熱充分反應(yīng)后，冷卻稱得剩余固體比原混合物減輕0.8g；若將同量的混合物與鹽酸反應(yīng)，欲使之完全溶解，需1mol/L的鹽酸的體積至少為______ml。（答案：100ml）

練習(xí)

2、有FeCl2,CuCl2混合溶液400ml，經(jīng)測定其中Cl-濃度為amol/L,投入過量的鋅粉bg，充分反應(yīng)后過濾，所得固體殘渣洗滌干燥后，質(zhì)量為cg。求原混合液中Fe2+,Cu2+的物質(zhì)的量濃度。

（分析提示：向FeCl2,CuCl2混合溶液中投入過量鋅粉，充分反應(yīng)后過濾，濾液的成份是ZnCl2,固體殘渣的成份是Fe、Cu及剩余的Zn。若設(shè)剩余的及已反應(yīng)的鋅分別為nZn(1)及nZn(2)mol，則：

由電荷守恒有：2(nFe2++nCu2+)=nCl-2nZn2+(2)=nCl-

由質(zhì)量守恒有：mFe+mCu+mZn(1)=CmZn(2)=b-mZn(1)

答案：[Fe2+

]=mol/L [Cu2+]=mol/L）

練習(xí)

3、用1L1.0mol/LNaOH溶液吸收0.8molCO2,所以溶液中的CO32-，HCO3-的物質(zhì)的量濃度之比為_____。

－－練習(xí)5．當(dāng)溶液中XO42離子與H2O2分子個數(shù)比為2：5時，溶液中XO42離子中的X元素

恰好被還原成較低價態(tài)，H2O2中的氧元素被氧化為O2，則X元素的化合價變?yōu)槎嗌?？（?）

練習(xí)6．向100mlFeCl3溶液中通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下的H2S氣體2.24L，設(shè)H2S全部被吸收后，再加入過量鐵粉，待反應(yīng)停止后，測得溶液中含有0.6金屬陽離子，則原FeCl3溶液的物質(zhì)的－量濃度為多少？（4 mol·L1）

練習(xí)7．向KI溶液中滴入AgNO3溶液直至完全反應(yīng)，過濾后濾液的質(zhì)量恰好與原溶液質(zhì)量相等，則AgNO3溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少？（72.3%）

例4,10gＦｅ－Ｍｇ合金溶解在一定量的某濃度的稀硝酸中，當(dāng)金屬完全反應(yīng)后，收集到標(biāo)況下4.48ＬＮＯ氣體（設(shè)ＨＮＯ３的還原產(chǎn)物只有ＮＯ）。在反應(yīng)后的溶液中加入足量的ＮａＯＨ溶液，可得多少克沉淀?(20.2ｇ)

解析：該反應(yīng)中Ｆｅ的變價無法確定，用常規(guī)法得討論計算。仔細(xì)審題后發(fā)現(xiàn)，Ｍｇ，Ｆｅ失電子數(shù)等于氮元素得電子數(shù)。

－１ｎ失＝ｎ得＝4.48Ｌ÷22.4Ｌ.mol×3

＝0.6mol

Ｆｅ，Ｍｇ失電子后的陽離子所帶正電荷共為0.6mol，它也等于沉淀該陽離子所需ＯＨ－的物質(zhì)的量。即ｎ（ＯＨ）＝0.6mol。

－－ｍ沉淀＝ｍ陽+ｍ（ＯＨ）

－１＝10ｇ＋0.6mol×17ｇ.mol

＝20.2ｇ

第二篇：高考化學(xué)守恒法的應(yīng)用技巧

高考化學(xué)守恒法的應(yīng)用技巧

金點子：

“守恒法”廣泛應(yīng)用于高考及各類競賽試題的解題中，它既可使繁亂的問題化難為易，又可使復(fù)雜的計算化繁為簡，因而備受廣大中學(xué)生的青睞。但在使用中，由于對題意理解不清、條件分析不透，也時常出現(xiàn)濫用守恒的現(xiàn)象，故正確把握守恒原理，學(xué)會守恒方法，是高考化學(xué)解題之必備。

守恒法包括：元素守恒、電荷守恒、電子守恒、質(zhì)量守恒等。

1．在化學(xué)反應(yīng)前后，物質(zhì)中的各元素原子的物質(zhì)的量始終保持守恒，這就是元素守恒。如在復(fù)雜的變化過程中，能充分利用某些元素原子的物質(zhì)的量守恒解題，不僅思路清晰，而且計算簡便。

2．根據(jù)電解質(zhì)溶液總是呈電中性，從而利用電解質(zhì)溶液中的陽離子所帶的正電荷總數(shù)與陰離子所帶的負(fù)電荷總數(shù)相等來進行解題的方法稱電荷守恒法。

3．在氧化還原反應(yīng)中，還原劑失去的電子總數(shù)與氧化劑得到的電子總數(shù)相等，這是運用得失電子數(shù)守恒進行化學(xué)計算的主要依據(jù)。

4．質(zhì)量守恒普遍存在于整個物理、化學(xué)變化過程中（核反應(yīng)除外），如反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量守恒，反應(yīng)過程中催化劑的質(zhì)量守恒，溶液稀釋與混合時溶質(zhì)的質(zhì)量守恒等。

經(jīng)典題：

例題1

：（2001年全國高考）在無土栽培中，需配制一定量含50

mol

NH4Cl、16

mol

KCl和24molK2SO4的營養(yǎng)液。若用KCl、NH4Cl和(NH4)2SO4三種固體為原料來配制，三者的物質(zhì)的量依次是（單位為mol）（）

A．2、64、24

B．64、2、24

C．32、50、12

D．16、50、24

方法：利用元素守恒求解。

捷徑：先求出需配制營養(yǎng)液中所需NH4+、K+、Cl—、SO42—、物質(zhì)的量，再用同樣的方法求出選項中所提供的物質(zhì)中所含NH4+、K+、Cl—、SO42—物質(zhì)的量。若與題干中的數(shù)值一致，即為選項。如題干中NH4+

mol；K+：16+24×2=64（mol）；Cl—：50+16=66（mol），SO42—：24mol。選項B，NH4+：2+24×2=50（mol），K+：64mol、Cl—：64+2=66（mol），SO42—：24mol，與題干相符，選項B正確。

總結(jié)：如果題目中提供不是固體物質(zhì)，而是溶液，其解法是相同的，只要將溶質(zhì)的物質(zhì)的量求出，就變成與本題完全相同的題目。目前化學(xué)試題中往往置于與生產(chǎn)實際、科研等相結(jié)合的情境中，解題時，只要把它遷移到解化學(xué)題基本方法中，就可迎刃而解。

例題2

：（2001年上海高考）將0.1mol/L的醋酸鈉溶液20mL與0.1mol/L鹽酸10rnL混合后，溶液顯酸性，則溶液中有關(guān)微粒的濃度關(guān)系正確的是（）

A．c

(Ac－)＞c

(Cl－)＞c

(H＋)＞c

(HAc)

B．c

(Ac－)＞c

(Cl－)＞c

(HAc)＞c（H＋）

C．c

(Ac－)＝c

(Cl＋)＞c

(H＋)＞c

(HAc)

D．c

(Na＋)＋c

(H＋)＝c

(Ac－)＋c

(Cl－)＋c

(OH－)

方法：首先必須考慮溶液間的反應(yīng)，然后通過守恒關(guān)系分析。

捷徑：將0.1mol/L的醋酸鈉溶液20mL與0.1mol/L鹽酸10rnL混合后，考慮溶液間的反應(yīng)，此時溶液變成了等物質(zhì)的量濃度的CH3COONa、CH3COOH、NaCl三種物質(zhì)的混合溶液。因此時溶液顯酸性，知CH3COOH的電離程度大于CH3COONa的水解程度。以此得溶液中粒子間物質(zhì)的量濃度的關(guān)系為：c（Na＋）＞c

(Ac－)＞c

(Cl－)＞c

(HAc)＞

c（H＋）＞c

(OH－)。再利用電荷守恒可得：c

(Na＋)＋c

(H＋)＝c

(Ac－)＋c

(Cl－)＋c

(OH－)。對照選項可得答案為BD。

總結(jié)：當(dāng)溶液中兩種可兩種以上的物質(zhì)相混合時，首先必須考慮溶液間的反應(yīng)，這是解答此類試題的第一步，也是關(guān)鍵性的一步。部分考生由于未考慮混合后的反應(yīng)而經(jīng)常出錯。

例題3

：（1999年上海高考）

：把0.02

mol·

L－1

HAc溶液和0.01

mol·

L－1

NaOH溶液以等體積混和，則混合液中微粒濃度關(guān)系正確的是

（）

A．c（Ac-）>c（Na+）

B．c（HAc）>c（Ac-）

C．2c（H+）=

c（Ac-）—c（HAc）

D．c（HAc）+c（Ac-）=

0.01mol·

L－1

方法：通過電荷守恒及物料守恒兩大守恒分析。

捷徑：兩溶液等體積混合后變成0.005mol·L-1

HAc

和0.005mol·L-1

NaAc的混合溶液，由于HAc的電離占主導(dǎo)地位，故c（Ac-）>

c（HAc），溶液呈酸性。再根據(jù)電荷守恒關(guān)系：c（Na+）+c（H+）=

c（Ac-）+c（OH-），及c（H+）>

c（OH-）得c（Ac-）>

c（Na+）。再將物料守恒關(guān)系c（Na+）=

c（HAc）+c（H+）-c（OH-）代入電荷守恒關(guān)系得：2c（H+）=c（Ac-）-

c（HAc）+2c（OH-）。另知，不管溶液電離平衡和水解平衡如何移動，其c（HAc）+c（Ac-）均為常數(shù)0.01mol·L-1。以此得答案為A、D。

總結(jié)：此類試題考查方式主要有：①微粒濃度的大小比較

②電荷守恒關(guān)系式

③物料守恒關(guān)系式

④電荷守恒與物料守恒疊加后的恒等關(guān)系式。解題時仍要優(yōu)先考慮溶液混合過程中的反應(yīng)問題。

例題4

：(2001年高考試測題)將氨水逐滴加入到稀鹽酸中，使溶液成中性，則此時（）

A．ｃ(NH4+)=ｃ(Cl-)

B．ｃ(NH4+)>ｃ(Cl-)

C．ｃ(NH4+)<ｃ(Cl-)

D．ｃ(NH4+)與ｃ(Cl-)之間關(guān)系不確定

方法：根據(jù)溶液中電荷守恒關(guān)系獲解。

捷徑：將氨水加入到稀鹽酸中，根據(jù)電荷守恒關(guān)系得：c（NH4+）+c（H+）=

c（Cl-）+c（OH-）。因所得溶液呈中性，則c（H+）=

c（OH-），以此得：c（NH4+）=

c（Cl-）。故得答案為A。

總結(jié)：在對溶液進行計算以確定其濃度及溶液中恒等關(guān)系的判斷時，通常都可通過守恒法使答題過程變得簡單明了。

例題5

：

(1994年全國高考)

38.4mg銅跟適量的濃硝酸反應(yīng),銅全部作用后共收集到氣體22.4mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況),反應(yīng)消耗的HNO3的物質(zhì)的量可能是

（）

A．1.0×10-3mol

B．1.6×10-3

mol

C．2.2×10-3

mol

D．2.0×10-3

mol

方法：利用反應(yīng)過程中原子個數(shù)守恒求解。

捷徑：HNO3與Cu反應(yīng)，一部分起酸的作用，即生成Cu(NO3)2用去硝酸

=

2n

(Cu)

=

mol×2=1.2×10—3mol；另一部分HNO3起氧化作用，不管生成的22.4mL

氣體為何成分，都是HNO3的還原產(chǎn)物，且有HNO3~NO，HNO3~NO2，所以起氧化作用的HNO3為

mol

=1×10—3mol，故共消耗HNO3的物質(zhì)的量為：

1.2×10—3mol

+

1×10—3mol

=

2.2×10—3mol。以此得答案為C。

總結(jié)：這是利用原子個數(shù)守恒進行計算的范例。根據(jù)參加反應(yīng)的HNO3一部分生成Cu（NO3）2，另一部分變成NO2或NO。利用反應(yīng)前后的N原子守恒，可以輕松求解。類似的解法可以在很多題目應(yīng)用。

例題6

：(2002年全國高考)在一定條件下，分別以高錳酸鉀、氯酸鉀、過氧化氫為原料制取氧氣，當(dāng)制得同溫、同壓下相同體積的氧氣時，三個反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)之比為

（）

A．1︰1︰l

B．2︰2︰1

C．

2︰3︰l

D．4︰3︰2

方法：根據(jù)反應(yīng)過程中化合價的變化及得失電子守恒分析。

捷徑：假設(shè)三個反應(yīng)均生成1molO2，在高錳酸鉀、氯酸鉀的分解反應(yīng)中，只有氧的化合價升高，且均由-2價升高到0價，故轉(zhuǎn)移電子數(shù)均為4mol。而過氧化氫的分解反應(yīng)，雖也只有氧的化合價升高，但其化合價由-1升高到0價，以此產(chǎn)生1molO2，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2mol。綜合得，產(chǎn)生相同量的O2，三個反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)之比為：4︰4︰2

=

2︰2︰1。故答案為B。

總結(jié)：對不同的反應(yīng)，在利用電子守恒分析轉(zhuǎn)移電子的情況時，要注意考慮不同反應(yīng)中化合價不同，而造成電子轉(zhuǎn)移不同的情況。

例題7

：

(2001年全國高考)將NO3—+Zn+OH—+H2O→NH3+Zn（OH）42—配平后，離子方程式中H2O的系數(shù)是

（）

A．2

B．4

C．6

D．8

方法：利用得失電子守恒及電荷守恒進行配平后確定離子方程式中H2O前的系數(shù)。

捷徑：氧化劑NO3—被還原成NH3，1molNO3—得到8mol電子才能生成NH3。還原劑Zn被氧化成Zn（OH）42—，1molZn失去2mol電子才能生成Zn（OH）42—，所以Zn的序數(shù)是4，NO3—的序數(shù)是1，反應(yīng)式變成NO3—+4Zn+OH—+H2O→NH3+4Zn（OH）42—，根據(jù)離子反應(yīng)方程式中電荷守恒的原理，可確定OH—的序數(shù)是7，最后根據(jù)氫原子（或氧原子）守恒可確定H2O的序數(shù)是6。顯然答案為C。

總結(jié)：這是一道氧化還原反應(yīng)方程式的配平題。在全國考題已經(jīng)有多年未出現(xiàn)這樣的題目，而在上海試題中每年都有。反應(yīng)方程式的配平是中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的基本技能。全國高考題雖然多年未考純粹的配平題，但應(yīng)用配平反應(yīng)方程式的原理（即守恒原理）的試題卻很常見。

注意

高考試題評分標(biāo)準(zhǔn)明確指出，反應(yīng)方程式不配平或配平錯誤都不能得分。

例題8

：(2001年高考試測題)某化工廠每小時生產(chǎn)98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硫酸at（噸），為使硫充分燃燒，且在下一步催化氧化時不再補充空氣，要求燃燒后的混合氣體中含氧氣的體積分?jǐn)?shù)為b%。若空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為21%，且不考慮各生產(chǎn)階段的物料損失，則

（1）該廠每小時消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積為

m3。

（2）為滿足題設(shè)需求，b%的下限等于。

方法：根據(jù)原子個數(shù)守恒求解。

捷徑：（1）該題的反應(yīng)過程為：S→SO2→SO3→H2SO4，每小時生產(chǎn)的98%硫酸at，其物質(zhì)的量為104amol，不計損耗，應(yīng)制得SO2104amol。根據(jù)S→SO2，這一步需O2104amol，又因為燃燒后的混合氣體中含氧氣的體積分?jǐn)?shù)為b%，且因S→SO2，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，設(shè)每小時消耗空氣為n

mol，則：。

故每小時消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積為：

（2）空氣中的氧氣必須維持兩個反應(yīng)，即S→SO2和SO2→SO3的過程。第一步耗氧量為第二步的兩倍，故為了滿足SO2→SO3催化氧化時不再補充空氣的需求，b%的下限應(yīng)等于空氣中氧氣的三分之一，即7%。

總結(jié)：該題為化工生產(chǎn)過程中的計算問題，為了迅速求解，除了要理清題意，還必須充分運用反應(yīng)過程中的硫元素守恒及氧元素守恒。

金鑰匙：

例題1

：把0.02

mol/LHAc溶液和0.01

mol/LNaOH溶液以等體積混合，則混合液中微粒濃度關(guān)系正確的為

（）

A．c（Ac—）﹥c（Na+）

B．c（HAc）﹥c（Ac—）

C．2c（H+）=

c（Ac—）—

c（HAc）

D．c（HAc）+

c（Ac—）=

0.01mol/L

方法：

捷徑：混合后先得到0.005

mol/L的HAc溶液和0.005

mol/L的NaAc溶液，由于Ac—的水解程度小于HAc的電離程度，故A正確、B錯誤。整體考慮溶液中的H+得失：

HAc

H3O+

Ac—

H2O

OH—

得H+

失H+

可得

c（H+）+c（HAc）=c（OH—）

整體考慮CH3COO—的守恒，可得c（HAc）+

c（Ac—）=

0.01

mol/L。所以答案A、D。

總結(jié)：任何溶液中都存在三種恒等式——物料平衡（質(zhì)量守恒）、電荷平衡、質(zhì)子守衡。以上題為例，這三種等式分別是

c（HAc）+

c（Ac—）=

0.01mol/L

c（Na+）+

c（H+）=

c（Ac—）+

c（OH—）

c（H+）+

c（HAc）=

c（OH—）

例題2

：有一在空氣中暴露過久的KOH固體，經(jīng)分析得知其中含水a(chǎn)%，K2CO3

6%，其余為KOH。取此樣品m

g

溶于100

mL

mol/L的硫酸里，殘酸需加n

g

原樣品才剛好中和完全。由此可知蒸發(fā)中和后的溶液可得固體質(zhì)量為

（）

A．14.2g

B．17.4g

C．20.6g

D．無法計算

方法：因蒸發(fā)中和后的溶液得固體K2SO4，而SO42－僅來自于硫酸，以此可通過S原子守恒快速求解。

捷徑：最終所得固體為K2SO4

?！遪（K2SO4）

=

n（H2SO4）

∴m（K2SO4）

=

0.1mol

×

174g/mol

=

17.4g，得答案為B。

總結(jié)：因在空氣中暴露過久的KOH固體成分沒有具體的數(shù)值，不少同學(xué)會因數(shù)據(jù)未知而錯選D(無法計算)。

例題3

：取20g混有MnO2的KClO3，加熱至恒重，在一定溫度下將殘留的固體加入10g水中有7.9g固體未溶解，再加入5g水仍有5.3g固體未溶，則原混合物中可能含有的KClO3質(zhì)量為（）

A．14.7g

B．6.9g

C．12.1g

D．17.6g

方法：根據(jù)作為起催化作用的MnO2，在整個過程中質(zhì)量守恒分析求算。

捷徑：如5.3g未溶固體全為MnO2，則KClO3質(zhì)量為14.7g。根據(jù)反應(yīng)2KClO3

2KCl

+

3O2↑知，14.7g

KClO3完全分解生成KCl

8.94g，得10g水中溶KCl

5.3g+8.94g—7.9g=6.34g，再加5g水又溶7.9g—5.3g=2.6g，此時溶液為KCl的不飽和溶液，剩余物為MnO2，符合題意。

如5.3g未溶固體含KCl和MnO2，根據(jù)后加5g水溶2.6g

KCl知，先加的10g水中溶KCl

5.2g，得加熱至恒重時質(zhì)量為5.2g+7.9g=13.1g，放出O2為6.9g，根據(jù)反應(yīng)方程式可求得KClO3為17.6g，MnO2實際質(zhì)量為2.4g，符合題意。

以此得答案為A、D。

總結(jié)：5.3g未溶固體是何物質(zhì)是解答該題的關(guān)鍵，部分考生由于僅將其作為MnO2而出現(xiàn)漏選D答案的情況。

例題4

：在鐵和氧化鐵混合物15

g

中，加入稀硫酸150

mL，能放出H2

1.68

L（S、P、T）。同時鐵和氧化鐵均無剩余，向反應(yīng)后的溶液中滴入KSCN溶液，未見顏色變化。為了中和過量的H2SO4，且使Fe2+完全轉(zhuǎn)化成Fe(OH)2，共消耗3

mol/L的NaOH溶液200

mL，則原硫酸的物質(zhì)的量濃度是（）

A.1.5mol/L

B.2mol/L

C.2.5mol/L

D.3mol/L

方法：因最后溶液中所剩溶質(zhì)為Na2SO4，根據(jù)電荷守恒可求得SO42－的物質(zhì)的量濃度。

捷徑：最終所得溶液中含有Na+和SO42-（少量H+和OH-）而Na+來自于NaOH。SO42-來自于原硫酸，根據(jù)溶液中離子電荷守衡得：

n(Na+)

+

n(H+)

=

2n(SO42－)

+

n(OH－)，不計少量H+和OH-，得

3mol/L×

0.2L

=

2×c(SO42-)×0.15L

解得：c(H2SO4)=

mol/L，以此答案為B。

總結(jié)：此題再利用氫氣的體積和鐵元素守恒，還可求得原混合物中鐵和氧化鐵的質(zhì)量。

例題5

：向某稀醋酸溶液中滴加一定量的氫氧化鈉溶液后，若溶液中CH3COO-的物質(zhì)的量等于加入NaOH的物質(zhì)的量。則此時溶液的pH（）

A.＞7

B.＜7

C.＝7

D.無法確定

方法：利用溶液中陰陽離子所帶電荷相等列出恒等式求得c(H+)與

c(OH-)間的關(guān)系，再分析此關(guān)系而獲得結(jié)果。

捷徑：因溶液中CH3COO-的物質(zhì)的量等于加入NaOH的物質(zhì)的量，又溶液中Na+的物質(zhì)的量等于加入NaOH的物質(zhì)的量，所以反應(yīng)所得混合溶液中CH3COO-與Na+物質(zhì)的量相等，即c(CH3COO-)=

c(Na+)。而根據(jù)電荷守恒知，溶液中c(Na+)+c(OH-)=

c(CH3COO-)+c(OH-)，則溶液中c(H+)=

c(OH-),即溶液pH

=

7。以此得答案為C。

總結(jié)：此題若從電離平衡角度分析，則難于理解。如果靈活運用電荷守恒關(guān)系分析，問題則迎刃而解。

例題6

：在3BrF3

+5H2O

=

HBrO3

+

O2↑+

Br2

+

9HF中，若有5mol水參加反應(yīng)，則被水還原的BrF3的物質(zhì)的量是（）

A．3

mol

B．10/3

mol

C．4/3

mol

D．2

mol

方法：水僅作還原劑，5mol水參加反應(yīng)，有2mol水被氧化，以此根據(jù)得失電子守恒即可求得被水還原的BrF3的物質(zhì)的量。

捷徑：2mol水被氧化生成1mol氧氣，水失去電子的物質(zhì)的量為4mol，BrF3的化合價從+3降為0價，每摩爾BrF3作氧化劑時得3mol電子，以此根據(jù)得失電子守恒即可求得被2

mol水還原的BrF3為4/3

mol，故正確答案為C。

總結(jié)：該題部分學(xué)生根據(jù)化學(xué)方程式直接得，當(dāng)5mol水參加反應(yīng)，有2

mol

BrF3被還原。以此獲得錯誤結(jié)果D?，F(xiàn)錯解的原因是審題時未注意失電子為何物質(zhì)，又忽視一個關(guān)鍵字——水。該反應(yīng)失電子不僅有H2O，還有BrF3。

y

x

A

y

x

y

x

y

x

B

C

D

例題7

：標(biāo)準(zhǔn)狀況下，在1L

NO氣體中不斷地通入O2，若溫度和壓強保持不變，則反應(yīng)后氣體體積y與通入的O2體積（用x表示）關(guān)系正確的圖為（）

方法：根據(jù)反應(yīng)2NO

+

O2

=

2NO2前后N元素守恒及部分NO2

轉(zhuǎn)化成N2O4，結(jié)合圖示分析求解。

捷徑：根據(jù)反應(yīng)2NO

+

O2

=

2NO2，前后N元素守恒。但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，NO2一旦生成，便有部分轉(zhuǎn)化成N2O4，而造成氣體的物質(zhì)的量及體積減小，待NO反應(yīng)完后，再通入O2，體積逐漸增大，以此得正確答案為D。

總結(jié)：部分考生根據(jù)反應(yīng)2NO

+

O2

=

2NO2，依據(jù)在溫度和壓強不變時，氣體體積與氣體的物質(zhì)的量成正比，得出在NO中通入O2，開始體積不變，待NO反應(yīng)完后，再通入O2，體積逐漸增大，從而獲得答案C。出現(xiàn)此種錯解的原因乃是濫用反應(yīng)過程中物質(zhì)的量守恒，未考慮后續(xù)反應(yīng)之故。

在化學(xué)反應(yīng)中利用物質(zhì)的量守恒進行解題時，必須注意反應(yīng)的進程問題。當(dāng)反應(yīng)過程中濃度變稀造成反應(yīng)終止，或有后續(xù)反應(yīng)存在時，便可能造成物質(zhì)的量不守恒。

例題8：

NO和NO2（過量）組成的混合氣體通入NaOH溶液中，能發(fā)生反應(yīng)①3NO2

+

NaOH

=

2NaNO3

+

NO↑+H2O，②NO2

+

NO

+

2NaOH

=

2NaNO2

+

H2O，如用V

L

NaOH溶液吸收由n

mol

和m

mol

NO2組成的混合氣體，求NaOH溶液的濃度最小要達到多少mol/L？

方法：根據(jù)反應(yīng)前后N元素守恒求NaOH溶液的最小濃度。

捷徑：從題中反應(yīng)可知，NO2過量，氮的氧化物能全部被吸收，且生成NaNO2或NaNO3，以此消耗NaOH的物質(zhì)的量等于混合氣的總物質(zhì)的量，NaOH的物質(zhì)的量≥（m+n）/V

mol/L，故NaOH的濃度最小應(yīng)為（m+n）/V

mol/L

總結(jié)：根據(jù)反應(yīng)前后元素的來龍去脈，找出某些元素間的守恒關(guān)系，列出恒等式，可迅速求得結(jié)果。此題如通過設(shè)物質(zhì)的量來求解，便顯得很繁雜。

例題9

：有碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合物14.8g，把它配成稀溶液，然后向該溶液中加入12.4g堿石灰（CaO、NaOH組成的混合物），充分反應(yīng)后，溶液已檢測不到Ca2+、CO32—和HCO3—，然后將所得的體系中水分設(shè)法蒸干，得白色固體29g。試求：（1）原混合物中碳酸鈉和碳酸氫鈉各多少克？（2）堿石灰中CaO、NaOH各多少克？（3）所得29g白色固體中各種成分的質(zhì)量是多少？

方法：根據(jù)反應(yīng)列出守恒關(guān)系，然后通過反應(yīng)前后的守恒求解。

本題有下列量守恒：①反應(yīng)前后的CO32—物質(zhì)的量守恒，即CaCO3中CO32—物質(zhì)的量等于Na2CO3中CO32—的物質(zhì)的量與NaHCO3中HCO3—物質(zhì)的量之和；②反應(yīng)前后Ca2+物質(zhì)的量守恒，即CaO中Ca2+的物質(zhì)的量等于CaCO3中Ca2+物質(zhì)的量；③反應(yīng)前后，Na+物質(zhì)的量守恒。

捷徑：設(shè)Na2CO3的物質(zhì)的量為x，NaHCO3的物質(zhì)的量為y，堿石灰中NaOH的物質(zhì)的量為z，根據(jù)上述有關(guān)離子物質(zhì)的量守恒得：

106g·mol—1x+

g·mol－1

y

=

14.8g

g·mol—1

(x+y)+40

g·mol—1z

=

12.4g

g·mol—1

(x+y)+40

g·mol—1

(2x+y+z)

=

29g

解之得

x=0.1mol，y=0.05mol，z=0.1mol

（1）

原混合物中Na2CO3為0.1mol

×106

g·mol—1

=

10.6g，NaHCO3為0.05mol×84

g·mol—1

=

4.2g。

（2）

堿石灰中CaO為56

g·mol—1

×（0.1mol+0.05mol）=

8.4g，NaOH為0.1mol×40

g·mol—1

=

4g。

（3）

29g白色固體中CaCO3為100

g·mol—1

×（0.1mol

+

0.05mol）=

15g，NaOH為29g

—15g

=

14g。

總結(jié)：為了能充分理清反應(yīng)前后的關(guān)系，建議考生在解題時要畫出前后的變化關(guān)系圖，并將守恒的元素找對、找全。

例題10

：已知Zn（OH）2與Al（OH）3一樣具有兩性，現(xiàn)有硝酸銅和硝酸銀混合溶液100mL，其NO3—濃度為4

mol·L-1。當(dāng)加入一定質(zhì)量的鋅粉，充分振蕩后過濾，得干燥沉淀24.8

g

。將此沉淀置于稀鹽酸中，無氣體放出。在濾液中加入BaCl2溶液無沉淀生成，再加入過量稀NaOH溶液得到的沉淀，經(jīng)過濾、干燥、灼熱后質(zhì)量為4g。求參與反應(yīng)的鋅的質(zhì)量。

方法：由于電解質(zhì)溶液呈中性，根據(jù)溶液中陽離子所帶的正電荷總數(shù)必定等于陰離子所帶的負(fù)電荷總數(shù)。對此題來說，即反應(yīng)后溶液中Zn2+與未被置換的Cu2+

所帶的正電荷必定等于溶液中NO3—所帶的負(fù)電荷。根據(jù)反應(yīng)后溶液中電荷守恒列式求解。

捷徑：由于24.8

g

沉淀物不能與鹽酸反應(yīng)，說明沉淀物中無過剩的鋅粉，即加入的鋅全部參與反應(yīng)。又由于濾液不與BaCl2溶液反應(yīng)，說明原溶液中Ag+

已全部被鋅置換。最后4

g

固體為CuO的質(zhì)量，它是溶液中未參與反應(yīng)的Cu2+

轉(zhuǎn)化而成。

+

=

mol·L-1×0.1L

（）

×2

因反應(yīng)后溶液中Zn2+與未被置換的Cu2+

所帶的正電荷等于溶液中NO3—所帶的負(fù)電荷。設(shè)參與反應(yīng)的鋅的質(zhì)量為x，則

解之得，x=9.75g

總結(jié)：利用電荷守恒法進行解題時，必須注意以下兩個問題：①溶液中陰、陽離子總數(shù)不一定守恒；②當(dāng)溶液很稀時，水的電離不能忽略。

例題11

：在室溫時，將PH

=

5的稀硫酸稀釋到1000倍，則稀釋后的溶液中c(H+)︰c(SO42—)。

方法：溶液無限稀釋后，水的電離不能忽略，此時要通過水的離子積常數(shù)求解。

捷徑：PH=5的H2SO4稀釋到1000倍后，H2SO4電離提供的c(H+)為10—8mol·L—1，c(SO42—)為5×10—9

mol·L—1。由于溶液很稀，不能忽略水的電離。設(shè)水電離產(chǎn)生的H+或OH—為x

mol·L—1，根據(jù)水的離子積常數(shù)得：

（10—8+x）x=10—14，解得x

=9

.5×10—8（mol·L—1）

c(H+)︰c(SO42—)

=

（10—8mol·L—1

+

.5×10—8mol·L—1）︰5×10—9

mol·L—1

=

21︰1

總結(jié)：部分考生未考慮水的電離，而根據(jù)H2SO4完全電離得出錯誤結(jié)果為，c(H+)︰c(SO42—)

=2︰1。

例題12

：

3.84g

Cu和一定質(zhì)量的濃硝酸反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行，硝酸溶液濃度也在降低，反應(yīng)生成的氣體顏色也在逐步變淺，當(dāng)銅反應(yīng)完畢時共收集到氣體體積為2.21

L。若把收集到氣體的集氣瓶倒立于盛水的水槽中，需通入多少毫升標(biāo)準(zhǔn)狀況下的O2才能使集氣瓶充滿溶液？

方法：根據(jù)題意，硝酸首先獲得Cu的電子生成氮的氧化物NO2和NO，并有少量NO2轉(zhuǎn)化成N2O4

。而后各種氮的氧化物又失電子給O2而重新生成HNO3

。根據(jù)得失電子數(shù)守恒，O2得到的電子數(shù)一定等于Cu失去的電子數(shù)。

捷徑：由于3.84g

Cu失去電子0.12

mol，需0.03

mol

O2獲得，故標(biāo)準(zhǔn)狀況下O2的體積為0.03

mol×22.4

L·

mol-1×1000

mL·L-1

=672

mL。

總結(jié)：在利用得失電子數(shù)守恒進行解題時，必須注意得失電子為何物質(zhì)，注意氧化還原反應(yīng)中整體與局部之間的關(guān)系和聯(lián)系。

例題13

：將碳酸氫銨受熱分解后的產(chǎn)物恒溫于150℃，其平均分子量為多少？

方法：如果分析產(chǎn)物中氣體組成，再用對各組分氣體分子量加以平均（即M=17×

1/3

+

×

1/3

+

×

1/3）來求就太繁了。而從整體質(zhì)量守恒法來求便顯得簡單明了。

捷徑：由于生成物均為氣體，故其總質(zhì)量與碳酸氫銨質(zhì)量相等。而1

mol碳酸氫銨又分解出3

mol氣體，因此平均分子量為：79/3。

總結(jié)：如果有生成物為固體或液體，前后的質(zhì)量將不再守恒，在解題時要特別注意。

例題14

：

20℃時，向五瓶盛有90g水的容器中分別加入下列物質(zhì)各10g，A、氯化鈉，B、氨氣，C、過氧化鈉，D、三氧化硫，E、氧化鈣，得到五種溶液。這五種溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序是。

方法：解答該題既要考慮與水反應(yīng)后的溶質(zhì)質(zhì)量，又要考慮生成氣體問題，還要考慮有無沉淀生成。

捷徑：由于Ca（OH）2為微溶物，故其濃度最低，其溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序應(yīng)為D>C>A=B>E。

總結(jié)：該題易出現(xiàn)的錯解是：A、B加入90g水中，溶質(zhì)仍為10g，得溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，C、D、E10g加入水中，溶質(zhì)分別變?yōu)镹aOH10.26g，H2SO412.25g，Ca（OH）213.21g，除Na2O2加入水中放出O22.05g，溶液質(zhì)量變?yōu)?7.95g外，其余溶液質(zhì)量均為100g外，以此得溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為C、10.47%，D、12.25%，E、13.21%，其大小順序為E>D>C>A=B

。出現(xiàn)此錯解的原因是未能考慮到Ca（OH）2為微溶物，其CaO與H2O反應(yīng)生成的Ca（OH）2大部分脫離溶液體系呈沉淀析出，而出現(xiàn)溶質(zhì)質(zhì)量不守恒的現(xiàn)象。

在使用質(zhì)量守恒進行解題，要特別注意反應(yīng)的體系問題。當(dāng)脫離反應(yīng)體系，如生成沉淀、產(chǎn)生氣體，此時在反應(yīng)體系內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量便表現(xiàn)得不守恒。

聚寶盆：

1．化學(xué)反應(yīng)總遵循質(zhì)量守恒。其原因是在任何化學(xué)反應(yīng)前后，元素的種類和原子的個數(shù)均保持不變。解題時既可運用質(zhì)量守恒、更可直接運用原子守恒進行巧解。

2．在任何氧化還原反應(yīng)中，還原劑失去的電子總數(shù)一定與氧化劑得到的電子總數(shù)相等，解決氧化還原反應(yīng)中的相關(guān)問題時，可用電子守恒法。

3．任何溶液都呈電中性，可見：Σ(陽離子的物質(zhì)的量×陽離子的價數(shù))

=

Σ(陰離子的物質(zhì)的量×陰離子的價數(shù))；或Σ(陽離子的物質(zhì)的量濃度×陽離子的價數(shù))

=

Σ(陰離子的物質(zhì)的量濃度×陰離子的價數(shù))。這就是電荷守恒法。

熱身賽：

1．將ag

NaOH樣品溶于bmL

0.1mol/L硫酸里，再加cmL

0.1mol/L

KOH溶液恰好呈中性，則樣品純度為

（）

A．×100%

B．

×100%

C．

×100%

D．

×100%

2．為了取制氧氣，取一定量的KClO3和一定量的MnO2共熱，開始時MnO2在混和物中質(zhì)量百分含量為25%，當(dāng)M

nO2含量提高到30%時，KClO3的分解百分率為

（）

A．43.3%

B．56.7%

C．40%

D．60%

3．同溫同壓下,10mL氣體A2和30mL氣體B2恰好完全化合，生成20mL氣體X，則X的化學(xué)式為

（）

A．AB3

B．A3B

C．A2B

D．AB2

4．已知某強氧化劑XO（OH）2+

被亞硫酸鈉還原到較低價態(tài)，如果還原含2.4×10-3mol

XO（OH）2+的溶液至此較低價態(tài)，需用30mL

0.2mol/L的Na2SO3溶液，那么X元素最終價態(tài)為

（）

A．+2

B．+1

C．0

D．-1

5．24mL濃度為0.05mol/L的Na2SO3溶液，恰好與20mL濃度為0.02mol/L的K2Cr2O7溶液完全反應(yīng)，則元素Cr在被還原的產(chǎn)物中的化合價是（）

A．+6

B．+3

C．+2

D．0

6．若干克銅粉和鐵粉產(chǎn)混合物與足量鹽酸充分反應(yīng)后，過濾，將濾渣在空氣中充分加熱，冷卻后稱量，質(zhì)量恰好等于原混合物的質(zhì)量，則混合物中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

7．將NaHCO3和部分風(fēng)化的純堿晶體組成的混合物樣品m

g配成250mL溶液，用1.0

mol/L鹽酸滴定，至終點時，用去鹽酸30.0

mL。若將上述樣品m

g加熱至質(zhì)量不變時，可得到固體多少克？

8．鎂帶在空氣中完全燃燒后，將其產(chǎn)物溶于50mL1.8mol/L稀鹽酸中,再加入20mL0.9moL/LNaOH溶液以中和多余的酸,然后加入足量NaOH溶液使氨全部逸出,經(jīng)測定氨的質(zhì)量為0.102g。求鎂帶的質(zhì)量。

9．工業(yè)上用焦炭、水和空氣為原料合成氨，在理論上消耗焦炭和氨氣的物質(zhì)的量之比為多少（不考慮空氣中O2的反應(yīng)）？

10．有混合氣體A（由NO、H2、CO2組成），通過過量的Na2O2后，變成混合氣體B，將B引燃，使其充分反應(yīng)，得到濃度為70%的硝酸溶液（無任何氣體剩余）。求混合氣體A和B中各氣體的體積比。

11．把一定量的氯酸鉀充分加熱到再不放出氣體為止，向剩余固體中加入足量的水配成溶液，向該溶液中加入足量的硝酸銀溶液，過濾，干燥，得到固體物質(zhì)143。5g，求放出氧氣多少克。

12．羥胺（NH2OH）是一種還原劑，能將某些氧化劑還原?，F(xiàn)用50.00mL

0.049mol／L的羥胺的酸性溶液跟足量的硫酸鐵溶液在煮沸條件下反應(yīng)，生成的Fe2+恰好與49.3mL

0.02mol／L的KMnO4

酸性溶液完全作用。[已知FeS＋KMnO4＋H2SO4－Fe2（SO4）3＋K2SO4＋MnSO4＋H2O（未配平）]，則在上述

反應(yīng)中，羥胺的氧化產(chǎn)物是____________。

13．金屬A和非金屬B可以直接化合生成化合物AB。甲、乙、丙三人分別做A和B化合反應(yīng)的實驗，充分反應(yīng)時每人所用A和B的質(zhì)量各不相同，但總質(zhì)量都是9g。甲、乙所用A和B的質(zhì)量及三人得到化合物AB的質(zhì)量如下表，請?zhí)顚懕碇锌崭瘛?/p>

A的用量

B的用量

得到AB的用量

甲

7g

2g

6g

乙

4g

5g

6g

丙

4.44g

14．將一定量的氯酸鉀與3.48

g二氧化錳組成的混合物加熱一段時間后共收集到氧氣0.336

L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，然后將殘留固體加入到足量濃鹽酸中共熱，使之與濃鹽酸充分反應(yīng)，再將生成的氣體全部通入到100

mL1

mol/L的溴化亞鐵溶液中，有的溴離子被氧化成單質(zhì)。求氯酸鉀的分解百分率。

15．將一定量的鋁粉和鐵粉的混合物溶于足量鹽酸中，然后向其中加入過量的氫氧化鈉溶液，在空氣中放置一段時間，濾出沉淀物，再將沉淀物在O2中灼燒，最后得紅棕色粉末，該粉末的質(zhì)量與原鋁、鐵混合物的質(zhì)量恰好相等。求原混合物中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

16．將一塊已被嚴(yán)重銹蝕而部分變?yōu)殂~綠[Cu2(OH)2CO3]的銅研磨成粉末，充分灼燒成CuO，發(fā)現(xiàn)固體質(zhì)量沒有發(fā)生增減。求銅被銹蝕的質(zhì)量百分率。

大檢閱：

1．D

2．B

3．A

4．C

5．B

6．20%

7．15.9g。運用質(zhì)量守恒法

8．0.792g。運用質(zhì)量守恒法和整體思維技巧

9．3︰2。運用電荷守恒法

10．A中V(NO)

︰V(H2)

︰V(CO2)

=

2︰4︰7；B中V(NO2)

︰V(H2)

︰V(O2)

=

4︰8︰5。運用質(zhì)量守恒法和整體思維技巧

11．48g

12．N2O

13．7.52g

1.48g

(或2.96g、6.04g)

14．33.33%

15．30%

16．有關(guān)的兩個反應(yīng)式是：Cu2（OH）2CO3=2CuO＋H2O↑＋CO2↑，2Cu＋O2=2CuO。前一反應(yīng)減小固體質(zhì)量，后一反應(yīng)增加固體質(zhì)量。常見的解法可能是：設(shè)原固體質(zhì)量為1，其中Cu2（OH）2CO3含x，單質(zhì)銅含1－x。據(jù)題義：。式中80、222、64、62、32分別為CuO、Cu2（OH）2CO3、Cu、H2O＋CO2（相當(dāng)于H2CO3）、O2的摩爾質(zhì)量。解得x=47.23%。但這僅是Cu2（OH）2CO3的百分含量，還需對原金屬銅的銹蝕率進行換算：。如果緊盯關(guān)鍵元素Cu來做文章，可以發(fā)現(xiàn)第一個反應(yīng)中放出的H2CO3的物質(zhì)的量等于被蝕銅元素物質(zhì)的量的1/2，第二個反應(yīng)中被結(jié)合的O2的物質(zhì)的量則等于未銹蝕銅元素的1/2。設(shè)H2CO3的質(zhì)量為m，據(jù)題義O2的質(zhì)量亦為m，即可據(jù)兩部分銅元素的量直接列式解得答案：。式中連Cu2（OH）2CO3、CuO、Cu的摩爾質(zhì)量都沒有用上，運算量簡化到了最大限度

第三篇：十字交叉法在化學(xué)中的應(yīng)用及總結(jié)

十字交叉法的原理及其在化學(xué)計算中的應(yīng)用

十字交叉法又稱對角線法,也叫混合規(guī)則.作為一種簡化的解題方法,是實際計算方程式圖解形式，應(yīng)用于二元混合體系具有平均值的計算問題,它具有簡化思路、簡便運算、計算速度快等顯著優(yōu)點.近年來,十字交叉法在中學(xué)化學(xué)計算中廣泛使用,通過十字交叉得到差值的比值的含義如何確定,如果沒有真正理解十字交叉法含義,在使用該方法時將沒有真正達到簡化思路、快速準(zhǔn)確求解的目的,從而限制了該方法的推廣和應(yīng)用.“十字交叉法”是通常中學(xué)化學(xué)計算必需掌握的一種計算方法,因為用此法解題實用性強、速度快.學(xué)生若能掌握此方法解題,將會起到事半功倍的效果.以下是筆者幾年來對“十字交叉法”理解及體會.1 十字交叉法的原理:A×a%+B×b%=(A+B)×c% 整理變形得: A/B=(c-b)/(a-c)①

如果我們以100 g溶液所含的溶質(zhì)為基準(zhǔn)

上式表示溶液混合時它們的質(zhì)量比與有關(guān)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比的關(guān)系.可得如下十字交叉形式 a

c-b

c

② b

a-c 對比①,②兩式不難看出:十字交叉關(guān)系中(c-b)/(a-c)為組分A和組分B混合時的質(zhì)量比.推廣到二組分混合體系中,當(dāng)以一定質(zhì)量的混合體系為基準(zhǔn)所得十字交叉關(guān)系,其比值為質(zhì)量比(例如,質(zhì)量分?jǐn)?shù)是以質(zhì)量為基準(zhǔn));若有c-b比a-c的化學(xué)意義由平均值c決定,則比值就表示組分A中c-b和組分B中a-c所表示的量的比值.如c為質(zhì)量或質(zhì)量分?jǐn)?shù),則(c-b)/(a-c)表示組分A和組分B溶液的質(zhì)量之比.若c為密度,則(c-b)/(a-c)就表示組分A和組分B的溶液體積之比.若c為摩爾質(zhì)量,則(c-b)/(a-c)就表示組分A和組分B的物質(zhì)的量比;此時可用十字交叉法求混合物中各組分的含量.2 十字交叉法的應(yīng)用例析： 2.1 用于混合物中質(zhì)量比的計算

例1 將鋁鐵合金18.5克溶于足量的鹽酸中產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣11.2升,求合金中鋁鐵的質(zhì)量之比是多少？

解：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，求出氫氣的質(zhì)量M=1g,以混合物總質(zhì)量18.5g作為基準(zhǔn)物再根據(jù)鎂鋁與鹽酸的關(guān)系列出十字交叉式如下：

Al

/ 18

19/56

Fe

37/56

19/18 求得鋁與鐵質(zhì)量的比是9/28 例2 鎂和鋁的混合物10g,與足量的稀硫酸充分反應(yīng),生成1.0g氫氣,混合物中鎂和鋁的質(zhì)量比為多少? 解：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，以混合物總質(zhì)量10g作為基準(zhǔn)物再根據(jù)鎂鋁與鹽酸的關(guān)交叉式如下：

Mg 5/6

1/9

Al 10/9

1/6 求得鎂與鋁的質(zhì)量比是2/3 例3 KHCO3和CaCO3的混合物和等質(zhì)量的NaHCO3分別與鹽酸完全反應(yīng)時,所消耗的酸的量相等,則混合物中KHCO3與CaCO3的質(zhì)量比是多少? 解析:由化學(xué)反應(yīng)方程式:KHCO3+HCl=KCl+H2O+CO2↑

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑

以消耗HCl物質(zhì)的量1mol作為基準(zhǔn)物, 求出反應(yīng)掉KHCO3、CaCO3、NaHCO3的質(zhì)量的數(shù)值分別為100g、50g、84g，依題意KHCO3和CaCO3的混合物84g與NaHCO384g均消耗1molHCl，即兩個分量值分別為100和50,平均值為84, 用十字交叉法圖解如下: KHCO100

CaCO3

因為是以物質(zhì)消耗HCl的物質(zhì)的量1mol為基準(zhǔn)物,所以比值34/16=17/8 為碳酸氫鉀與碳酸鈣消耗HCl的物質(zhì)的量之比,故原混合物中碳酸氫鉀與碳酸鈣的物質(zhì)的量之比為17/4,即質(zhì)量比也為17/4（因它們的相對分子質(zhì)量相等）.2.2 用于混合物中物質(zhì)的量比的計算

例4 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，測得空氣和HCl混合氣體對氫氣的相對密度為17，求空氣和HCl氣體的物質(zhì)的量之比

解:混合氣體的平均式量為17×2=34 ,以1 mol混合物為基準(zhǔn)物則十字交叉法如下: 空氣 29

2.5

HCl 36.5 求出空氣與HCl氣體的物質(zhì)的量比是1/2

例5某Na2SO3已部分氧化成Na2SO4,經(jīng)測定該混合物中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%,求混合物中Na2SO3和Na2SO4的物質(zhì)的量之比(整數(shù)比)？ 解：由平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，列出十字交叉法如下： Na2SO3 中 S %

25.397 %

2.465 %

25%

Na2SO4 中 S %

22.535 %

0.397 % 求得Na2SO3與Na2SO4 的物質(zhì)的量比是6/1 2.3 用于混合物中體積比的計算

例6已知CH4, C2H4及其混合氣體在同溫同壓下分別為 0.71 g / L、1.25 g / L、1.16 g / L.求混合氣體CH4和C2H4的體積比是多少？

解：以1mol 混合氣體密度1.16 g / L作為基準(zhǔn)物 則十字交叉法如下： CH

40.71

0.09

1.16 C2H4 1.25

0.45 求得CH4與C2H4 的體積比是1/3 例7 已經(jīng) 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g);△H=-571.6千焦 C3H8(g)+5 O2(g)=3CO2(g)+4H2O(1);△H=-2220千焦 求H2和C3H8的體積比.解析:lmol C3H8完全燃燒放熱為:571.6/2=285.8千焦 lmol C3H8完全燃燒放熱為:2220千焦

lmol混合氣體完全燃燒放熱為:3847/5=769.4千焦 列出十字交叉法如下：

H2

285.5

1460.6

769.4 C3H8 2220

483.6 求得H2和C3H8 的體積比為3/1

例8一種氣態(tài)烷烴和一種氣態(tài)烯烴，它們的分子式中所含碳原子數(shù)相同，若l體積這種混合烴在O2中充分燃燒，能生成2體積的和2.4體積的水蒸氣，則混合中烷烴和烯烴的體積比是多少？

解:設(shè)混合烴分子式為CxHy、烷烴與烯烴的體積比為 CxHy + 3.2 O

2= 2 CO2+ 2.4 H2O 1

3.2

2.4

根據(jù)原子守衡定理得混合烴分子式為C2H4.8 即氫的原子數(shù)是4.8.十字交叉法如下： C2H6

0.8

4.8 C2H1.2 求得混合物中C2H6和C2H4 的體積比是2/3 2.4 用于混合物中原子個數(shù)比的計算

例9 已知自然界中銥有兩種質(zhì)量數(shù)分別為191和193的同位素,而銥的相對分子質(zhì)量為192.22,求這兩種同位素原子個數(shù)比.解：以1 mol銥的相對分子質(zhì)量為192.22為基準(zhǔn)則十字交叉法如下：

191Ir 191 0.78

199.2

191Ir / 193Ir = 0.78 / 1.22 193Ir 193 1.22 求得191Ir 與193Ir 物質(zhì)的量比39/61 也是它們原子個數(shù)比.2.5 用于混合物中質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的計算

例10 把0.200gNaCl和KI混和物溶于水后加入過量AgN03溶液析出0.449 g，求原混和物中NaCl和KI的質(zhì)量百分?jǐn)?shù).解：分別計算產(chǎn)生沉淀物的質(zhì)量,根據(jù)化學(xué)方程式得： 0.200 g NaCl生成 0.490 g

AgCl 0.200 g NaI 生成 0.283 g

AgI

則十字交叉法如下：

NaCl 0.490 / 0.200

0.166

0.449/0.200

m(NaCl)/ m(KI)=0.166/ 0.041 KI

0.283 / 0.200

0.041 求得NaCl 和 KI 的質(zhì)量比是4/1，即他們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%，20% 例11在標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣和一氧化碳的混合氣體7L，質(zhì)量為2.25g，求H2和CO的體積分?jǐn)?shù)？ 解：設(shè)混合氣體的摩爾質(zhì)量為M 2.25 / M = 7 / 22.4 L / mol

M=7.29 列出十字交叉法如下： CO 28

5.2

7.2

V(CO)/ V(H2)=5.2 / 20.8

H2

20.8 求得CO與H2體積比是1/4 即它們體積分?jǐn)?shù)分別是25% ,75%

例12 已知Fe2O3在高爐中發(fā)生反應(yīng)Fe2O3+CO = 2FeO+CO2,反應(yīng)形成的固體混合物Fe2O3、FeO中,元素鐵和氧的質(zhì)量之比用m(Fe)∶m(O)表示.若m(Fe)∶m(O)=21∶8,計算Fe2O3被CO還原的質(zhì)量分?jǐn)?shù).解析:此題用方程式法甚為煩瑣,用十字交叉法則非常簡單.即:若Fe2O3全部被還原,則m(Fe)∶m(O)=21∶6;若Fe2O3未被還原,則m(Fe)∶m(O)=21∶9.列出十字交叉法如下： 未被還原Fe2O3 9 / 21

/ 21

8/21

被還原Fe2O

/ 21

/ 21 則未被還原的氧化鐵與被還原的氧化鐵的物質(zhì)的量之比為2∶1,所以被還原的氧化鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13×100%=33.3%.例13 將20%NaCl溶液與60%NaCl溶液按質(zhì)量比1:3混合,計算NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù).解：設(shè)20%NaCl溶液為mg,則60%NaCl溶液質(zhì)量就為3mg,所得NaCl溶液的質(zhì)量為x% 列出十字交叉法如下：

m 20% x%-60% x% 3m 60 % 20%-x% 則 m / 3m =(x %x %)求出x=50 既NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% 通過上面的論述,我們可以看出,十字交叉法確實簡單、方便、容易操作,但值得一提的是,在應(yīng)用十字交叉法進行運算時,必須滿足它的運算基礎(chǔ).十字交叉法應(yīng)用于處理兩組分(或相當(dāng)于兩組分)的混合物的組成計算十分方便.不斷積累、總結(jié)、發(fā)掘新的解題方法，可促進知識的有效遷移、同化和深化對問題的理解，提高解題的效率與正確率.

第四篇：核磁共振在化學(xué)中的應(yīng)用

核磁共振技術(shù)在有機化學(xué)構(gòu)型等方面的應(yīng)用

摘要: 本文綜述了核磁共振在復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)解析、光學(xué)活性化合物構(gòu)型確定、有機合成反應(yīng)機理研究、組合化學(xué)、高分子化學(xué)等方面的應(yīng)用進展。關(guān)鍵詞: 核磁共振、化學(xué)構(gòu)型 1 概述

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance ,NMR)現(xiàn)象是1946 年由哈佛大學(xué)的伯塞爾(E.M.Purcell)和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F.Bloch)用不同的方法在各自的實驗室里觀察到的[1]。六十年來,核磁共振波譜技術(shù)取得了極大的進展和成功.檢測的核從1H 到幾乎所有的磁性核;儀器不斷向更高頻率發(fā)展;從連續(xù)波譜儀到脈沖傅立葉變換譜儀,并隨著多種脈沖序列的采用而發(fā)展了各種二維譜和多量子躍遷測定技術(shù);固體高分辨核磁技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)的出現(xiàn)[2]。隨著這些實驗技術(shù)的迅速發(fā)展,核磁共振的研究領(lǐng)域不斷擴大。核磁共振提供分子空間立體結(jié)構(gòu)的信息,是分析分子結(jié)構(gòu)和研究化學(xué)動力學(xué)的重要手段。在化學(xué)領(lǐng)域,核磁共振為化學(xué)家提供了認(rèn)識未知世界的有效途徑。應(yīng)用核磁共振確定有機化合物絕對構(gòu)型

有機化學(xué)家常常需要確定合成或分離得到的光學(xué)活性化合物的絕對構(gòu)型。應(yīng)用核磁共振方法測定有機化合物的絕對構(gòu)型,主要是測定R和S手性試劑與底物反應(yīng)的產(chǎn)物的1 H 或13 C NMR 化學(xué)位移數(shù)據(jù),得到Δδ值與模型比較來推定底物手性中心的絕對構(gòu)型[3]。包括應(yīng)用芳環(huán)抗磁屏蔽效應(yīng)確定絕對構(gòu)型的NMR 方法和應(yīng)用配糖位移效應(yīng)確定絕對構(gòu)型的NMR 方法。表中,將計算的Δδ值與表中的配糖位移效應(yīng)比較,確定底物仲醇手性中心的絕對構(gòu)型。2.1 芳環(huán)抗磁屏蔽效應(yīng)確定絕對構(gòu)型

利用芳環(huán)抗磁屏蔽效應(yīng)測定有機化合物絕對構(gòu)型最為典型的方法是應(yīng)用1 H

1NMR 和應(yīng)用19 F NMR 的Mosher 法[4-5]。H NMR 的Mosher 法是將仲醇(或伯胺)分別與(R)和(S)-MTPA(α2甲氧基三氟甲基苯基乙酸)反應(yīng)形成酯(Mosher 酯),然后比較(R)和(S)-MTPA 酯的1 H NMR 得到Δδ(Δδ=δS-δR), 在與Mosher 酯的構(gòu)型關(guān)系模式圖比較的基礎(chǔ)上,根據(jù)Δδ的符號來判斷仲醇手性碳的絕對構(gòu)型。19 F NMR 的Mosher 法的應(yīng)用前提是β位取代基的立體空間大小不同。通常情況下,兩個非對映異構(gòu)體(R)和(S)-MTPA 酯中其它影響19 F NMR化學(xué)位移因素是相對固定的,19 F NMR 化學(xué)位移的不同主要是由于兩個非對映異構(gòu)體中羰基對19 F 的各向異性去屏蔽作用不同引起。通過比較(R)和(S)-MTPA 酯的19 F NMR 的化學(xué)位移值結(jié)合模型圖確定手性中心的絕對構(gòu)型。2.2 配糖位移效應(yīng)確定絕對構(gòu)型

應(yīng)用配糖位移效應(yīng)通過核磁共振可確定二級羥基絕對構(gòu)型,如運用13 C 的配糖位移效應(yīng)來測定仲醇的絕對構(gòu)型[6-7]。這種方法包括5 個步驟(13 CNMR 圖譜在吡啶里測定):測定仲醇的13 CNMR 圖譜;合成仲醇β-D-或α-D-葡萄吡喃配糖體;測定β-D-或α-D-葡萄吡喃配糖體的13 CNMR 圖譜;計算葡萄糖單元端基碳、仲醇α碳和兩個β碳的配糖位移;將已知絕對構(gòu)型的仲醇的配糖位移Δδ值總結(jié)列于表中,將計算的Δδ值與表中的配糖位移效應(yīng)比較,確定底物仲醇手性中心的絕對構(gòu)型。3 應(yīng)用核磁共振解析復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)

核磁共振技術(shù)是復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)解析最為主要的技術(shù)。利用該技術(shù)可以獲得化合物豐富的分子結(jié)構(gòu)信息,廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)解析。其近期技術(shù)革新主要在于以下幾個方面:探頭、線圈和核磁管相關(guān)技術(shù)、固相核磁新技術(shù)、核磁共振

[8]。在天然產(chǎn)物分析中,核磁共振儀的檢出限較其它波譜分析儀器為高,這對于產(chǎn)率較低的天然產(chǎn)物化合物來說無疑是一種瓶頸制約因素。所以,研究和發(fā)展新的核磁共振技術(shù)來降低檢出限就顯得尤為重要。除了提高有限的磁場強度外,更多集中在對核磁共振儀的探頭、線圈和核磁管等的改進。常規(guī)的5 mm 核磁管及相匹配的探頭、線圈在NMR 譜測定時所需樣品一般在mg 級以上。近年來逐步發(fā)展了微量核磁管及相匹配的探頭、線圈,使得樣品的檢出限大為降低,達到μg 級,甚至ng 級。有關(guān)探頭、線圈和核磁管相關(guān)技術(shù)的最新典型應(yīng)用是Rus2sell 等應(yīng)用3 mm 低溫探頭在500 MHz 核磁共振儀上測定了溶解在150μL 氘代苯中的40μg 士的寧的HSQC 譜,在相同的信噪比下比應(yīng)用傳統(tǒng)探頭下所需積分時間降低12—16倍[9 ]。此技術(shù)對于解析質(zhì)量和容積有限的復(fù)雜天然化合物樣品結(jié)構(gòu)具有非常大的優(yōu)點。4 核磁共振在有機合成反應(yīng)中的應(yīng)用

核磁共振技術(shù)在有機合成中不僅可對反應(yīng)物或產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)解析和構(gòu)型確定,在研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)、探討反應(yīng)機理等方面也有著廣泛應(yīng)用。

4.1 研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)

配合物中金屬離子與配體的相互作用強弱雖然可以用紫外光譜、紅外光譜、電化學(xué)等方法來研究和表征,但核磁共振譜能夠精細(xì)地表征出各個H 核或C 核的電荷分布狀況,通過研究配合物中金屬離子與配體的相互作用,從微觀層次上闡釋配合物的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。芳環(huán)上原子周圍的電子云密度大小可以通過化學(xué)位移值得到反映,芳環(huán)碳上的電子云密度大小又與其連接取代基的電子效應(yīng)有關(guān),取代基對苯環(huán)的影響為誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)的綜合?？梢酝ㄟ^單取代苯的13 C 化學(xué)位移計算常見基團的誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)及電子效應(yīng),進而根據(jù)電子效應(yīng)強度值定量地表征定位效應(yīng)、定位規(guī)律和苯環(huán)的活化與鈍化[10 ]。4.2 推測反應(yīng)機理

有機合成反應(yīng)對反應(yīng)機理的研究主要是對其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的研究和動力學(xué)數(shù)據(jù)的推測來實現(xiàn)的。1H NMR 可以由積分曲線得到總質(zhì)子數(shù)和部分質(zhì)子數(shù),以及由化學(xué)位移鑒別羧酸、醛、芳烴(有取代)烷基、鏈烷基的質(zhì)子和雜原子,斷定鄰接不飽和鍵等的甲基、亞甲基和次甲基的相關(guān)氫信息,從自旋2偶合討論鄰接基團, 或鑒別C1 至C4 的各種烷基結(jié)構(gòu);而13 C NMR 則可以確定碳數(shù),同時還可以從碳的偏共振去偶法確定鍵合于碳上的氫數(shù),以及鑒別SP3碳、SP2碳和羧基碳,并由羧基碳的化學(xué)位移等確定羰基碳的種類, 還可以確定甲基、芳基取代基的種類等獲得相關(guān)碳的雜化形式、碳的骨架等信息[11]。核磁共振技術(shù)在組合化學(xué)中的應(yīng)用

組合化學(xué)的飛速發(fā)展拓展了常規(guī)固相NMR 技術(shù)的空間,出現(xiàn)了新的超微量探頭。魔角自旋技術(shù)(magic angle spinning , MAS)的應(yīng)用和消除復(fù)雜高聚物核磁共振信號的脈沖序列技術(shù)的出現(xiàn),已經(jīng)可以保證獲得與液相NMR 相同質(zhì)量的圖譜。高通量NMR 技術(shù)已經(jīng)用于篩選組合合成的化合物庫,成為一種新的物理篩選方法。5.1 核磁共振在固相合成的應(yīng)用

固相合成的特征是以聚合樹脂為載體,載體與欲合成化合物之間連有官能團連接橋,欲合成分子通過連接橋逐步鍵合到樹脂上,最終產(chǎn)物通過特定的切割試劑切落下來。固相合成發(fā)展的一個主要障礙是缺少可以對反應(yīng)歷程進行實時監(jiān)測的簡單、快速、無破壞性的分析方法。核磁共振光譜法是鑒定有機化合物結(jié)構(gòu)的重要手段之一。但是,對于與固相載體相連的化合物來說,高聚物的流動性有限,載體上有

機分子的流動性也很有限,這都會使譜線變寬,分辨率下降。另外,載體骨架產(chǎn)生的背景信號會掩蓋化合物的信號峰,使之難以辨別。近年來,魔角自旋技術(shù)解決了這方面的困難,魔角自旋是指在偏離靜態(tài)磁場54.7°下旋轉(zhuǎn)樣品,這個角度能將偶極偶合平均到零,消除了因固體或非均相溶液中磁化率的不同和樣品表面以及邊緣磁化率的不連續(xù)性造成的譜線加寬。魔角自旋技術(shù)與一系列新技術(shù)在固相NMR 中的廣泛應(yīng)用,使譜圖分辨率和譜線質(zhì)量得到很大地提高。目前,已經(jīng)有多種固相NMR 技術(shù)應(yīng)用于合成研究中。如HR/ MAS-NMR 可以直接跟蹤固相有機合成反應(yīng),為快速優(yōu)化組合合成的化學(xué)反應(yīng)條件提供了一個新方法[12 ]。6 結(jié)束語

隨著科學(xué)的進步和現(xiàn)代儀器的發(fā)展,核磁共振技術(shù)的發(fā)展很快。通過與計算機科學(xué)的完美結(jié)合,核磁共振正在成為發(fā)展最迅猛、理論最嚴(yán)密、技術(shù)最先進、結(jié)果最可靠的一門獨立系統(tǒng)的分析學(xué)科[14] ,不僅應(yīng)用于化學(xué)學(xué)科各領(lǐng)域,而且廣泛滲透到自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用等各個方面,成為一個異常廣闊的譜學(xué)研究領(lǐng)域。參考文獻

[ 1 ]毛希安,化學(xué)通報,1997 ,(2):13—16 [ 2 ]王江干,韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2001 ,22(6):64—68 [ 3 ]滕榮偉;沈平;王德祖;等,波譜學(xué)雜志,2002 ,19(2):203—223 [ 4 ] Dale J.A.;Mosher H.S.,J.Am.Chem.Soc., 1973 , 95(2):512—519

[ 5 ] Sullivan G.R.;Dale J.A.;Mosher H.S.,J.Org.Chem.1973 ,38(12):2143—2147 [ 6 ]Seo S.;Tomota Y.;Tori K.;et al.,J.Am.Chem.Soc.,1980 ,102(7):2512 [ 7 ] Seo S.;Tomota Y.;Tori K.;et al.,J.Am.Chem.Soc.,1980 ,102(25):7618 [ 8 ]陳 彬;孔繼烈,化學(xué)進展,2004 ,16(6):863—870 [9 ] Russell D.J.;Hadden C.E.;Martin G.E.;et al., J.Nat.Prod.,2000 , 63 :1047 —1049

[10]王進賢;席永盛,西北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1997 ,(1):101—1031 [11]范 純;施志堅;曹衛(wèi)國;等,波譜學(xué)雜志,2001 ,18(4):383 —390 [12]張雪芹;潘遠江;李楊,現(xiàn)代科學(xué)儀器,2001(6):29—33 [13]吳厚銘,生命科學(xué),1994 ,6(3):19 —20 [14]裘祖義;裴奉奎,核磁共振譜,北京:科學(xué)出版社,1989

第五篇：計算機在化學(xué)中的應(yīng)用(原創(chuàng))

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用

計算機化學(xué)是將計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)應(yīng)用于化學(xué)的一門新興的交叉學(xué)科,是化學(xué)領(lǐng)域的一個重要分支。

計算機化學(xué)的英文叫法有多種,如Computers&Chemistry、Computers in Chemistry及Computers on Chemistry。有時文獻中亦會出現(xiàn)Computer Chemistry,但應(yīng)用較少。計算化學(xué)(Computational Chemistry)通常指分子力學(xué)及量子化學(xué)計算等,與計算機化學(xué)有較大區(qū)別。

計算機與化學(xué)的聯(lián)姻始于60年代。其首先應(yīng)用領(lǐng)域是分析化學(xué)。因為分析化學(xué)的最本征特征是借助于諸種手段收集數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)處理。到了70年代,計算機化學(xué)得以突飛猛進的發(fā)展,幾乎在化學(xué)的每一分支領(lǐng)域都結(jié)滿了豐碩的成果。當(dāng)今的化學(xué)幾乎無處不用計算機。計算機(包括數(shù)學(xué))已是化學(xué)的重要工具,同時計算機化學(xué)作為一個學(xué)科分支也在迅速發(fā)展。本文擬就如下幾個方面作一簡單介紹。

一、數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫是計算機科學(xué)領(lǐng)域中70年代出現(xiàn)的新技術(shù)。化學(xué)中的許多數(shù)據(jù)庫正是在70年代

歷經(jīng)了由起步、發(fā)展,直至成熟的過程。其中,最具代表性的是用于化合物結(jié)構(gòu)解析的譜圖數(shù)據(jù)庫。目前,幾乎所有的大型分析測試儀器均帶有數(shù)據(jù)庫及其檢索系統(tǒng)。

各種譜學(xué)手段的廣泛應(yīng)用對當(dāng)代有機化學(xué)的發(fā)展起到了很大促進作用,因為這些物理方法和手段使人們能較精確地了解化合物的結(jié)構(gòu)。但是,譜圖的解釋是一較為繁瑣,極為費時的工作。然而,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展極大地推進了這一領(lǐng)域的革新。

計算機輔助譜圖解析方法可粗略地分為兩大類:直接譜圖庫手段,即譜圖檢索，間接譜圖庫手段,包括波譜模擬、模式識別和人工智能。目前,應(yīng)用最廣泛的是譜圖庫檢索。此處順便提及:數(shù)據(jù)庫,英文一般用database或databank表示,而數(shù)據(jù)庫檢索卻常用librarysearching一詞。所謂譜圖庫,目前用于結(jié)構(gòu)解析的主要是指質(zhì)譜、核磁譜和紅外光譜。

二、有機化合物結(jié)構(gòu)自動解析

該類研究屬于人工智能的范疇。人工智能包括的范圍很廣,如定理證明、語音識別、對奕及專家系統(tǒng)等。對于化學(xué)領(lǐng)域,尤以專家系統(tǒng)研究的為最多。所謂專家系統(tǒng)即在規(guī)則(常稱為知識庫)的基礎(chǔ)上,模擬專家演繹推理的過程,以得到專家水平的應(yīng)答。在化學(xué)中,除結(jié)構(gòu)解析以外,其它專家系統(tǒng)如分離科學(xué)、實驗方案的最優(yōu)設(shè)計、工業(yè)生產(chǎn)的流程控制及計算機輔助合成(見后)等。

世界上第一個專家系統(tǒng)誕生于化學(xué)領(lǐng)域,即美國斯坦福大學(xué)建造的DENDRAL系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用低分辨質(zhì)譜和核磁共振波譜來進行有機化合物的結(jié)構(gòu)解析。這一系統(tǒng)的建造成功對整個人工智能領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響。

早年,專家系統(tǒng)主要建造在中、小型機以上的計算機上。后來出現(xiàn)工作站,但由于價格的昂貴使其應(yīng)用受到限制。到了80年代中期,微機發(fā)展極為迅速。目前,世界上至少有60%的專家系統(tǒng)建立在微型計算機上。

作為軟件,原則上任何一種計算機語言均可作為專家系統(tǒng)設(shè)計工具。但是,由于一般的高級語言字符處理能力較差,所以在選用上應(yīng)首先選用人工智能語言,如LISP和PROLOG。

幾十年來,在結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域中涌現(xiàn)出一大批專家系統(tǒng),除DENDRAL外,目前比較有影響的系統(tǒng)為CHEMICS(日本)、CASE(美國)、PAIRS(美國)等。在國內(nèi),從80年代初在作者的實驗室中就開始了計算機自動結(jié)構(gòu)解析的研究工作。并先后建造了含碳、氫、氧有機化合物結(jié)構(gòu)闡明專家系統(tǒng)及含多種雜原子的結(jié)構(gòu)闡明專家系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)工作的邏輯過程為:

(1)由實驗數(shù)據(jù)(如質(zhì)譜、紅外光譜和核磁共振譜等)或者化學(xué)信息(如分子式)出發(fā),在知識庫如子結(jié)構(gòu)子光譜相關(guān)規(guī)則)作用下獲得化合物中可能含有的結(jié)構(gòu)片斷集。

(2)在結(jié)構(gòu)片斷集的基礎(chǔ)上,利用知識庫(如諸多約束條件),經(jīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器(進行結(jié)構(gòu)異構(gòu)體窮舉生成的程序部分)來作整體結(jié)構(gòu)的對接,所生成的異構(gòu)體常稱為候選化合物。

(3)在波譜模擬、碳13譜峰信息、分子張力能計算、模式識別及人機交換信息作用下,進行候選化合物的驗證。

三、計算機輔助化合物合成有機化合物的合成最早開始于1895年,距今已非常久遠。但是,計算機輔助合成還是近幾十年的事。

計算機輔助合成系統(tǒng)在解決問題中,要用到人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)的知識,即計算機輔助合成系統(tǒng)為一專家系統(tǒng)。

1969年,美國哈佛大學(xué)的Corey和Wipke首先報道了他們的系統(tǒng)。之后,其他系統(tǒng)相繼問世?，F(xiàn)在,國際上該類系統(tǒng)已用于工業(yè)之中,特別是藥物工業(yè)其應(yīng)用尤為普遍。

四、分子設(shè)計

計算機輔助分子設(shè)計是計算機化學(xué)的前沿,目前已用于藥物分子設(shè)計,蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子設(shè)計及材料科學(xué),如高分子材料、無機材料和催化劑設(shè)計等。下邊將側(cè)重以藥物分子設(shè)計為例進行介紹。

為分子設(shè)計近年來發(fā)展了很多種方法,其中,開展得尤為廣泛的是定量結(jié)構(gòu)活性/性質(zhì)相關(guān)性(QSAR/QSPR)研究。這種方法的要點是由分子式結(jié)構(gòu)出發(fā)來構(gòu)造某種數(shù)學(xué)模型,然后運用這種模型去預(yù)測未知化合物的活性/性質(zhì),從而為新分子的設(shè)計提供理論依據(jù)。

五、化學(xué)計量學(xué)方法的研究及應(yīng)用

化學(xué)計量學(xué)(Chemometrics)是將數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用于化學(xué)的邊緣學(xué)科。它是數(shù)學(xué)與化學(xué)之間的一座橋梁。

數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的語言,它在化學(xué)中的地位和作用日益突出和重要。自70年代以來,隨著計算機技術(shù)的迅速普及,數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)在化學(xué)中應(yīng)用日益廣泛,于是化學(xué)計量學(xué)的方法和內(nèi)容得到充實和發(fā)展,使化學(xué)計量學(xué)成為化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)及藥物化學(xué)中信息處理的強有力手段。1974年,由美國的Kowalski和瑞典的Wold等發(fā)起,在美國華盛頓大學(xué)成立了國際化學(xué)計量學(xué)學(xué)會,開展了一系列學(xué)術(shù)交流活動,推動了化學(xué)計量學(xué)的迅速發(fā)展。從1982年起,在美國分析化學(xué)雜志(Anal.Chem.)兩年一度的評論中開辟了Chemomet-rics專題。一些年來,國內(nèi)國外都不斷有化學(xué)計量學(xué)方面的專著問世。

化學(xué)計量學(xué)是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的橫向?qū)W科。反過來,它在多種學(xué)科中的應(yīng)用也在逐年迅速增加。1994年的Anal.Chem.中化學(xué)計量學(xué)專題評論,僅計算機檢索(事實證明漏檢很多),有關(guān)文章已多達20000篇,而1996又增至25000

篇?；瘜W(xué)計量學(xué)在化學(xué)學(xué)科的發(fā)展中起著越來越大的作用?；瘜W(xué)計量學(xué)主要包括:

(1)統(tǒng)計學(xué)(statistics)

(2)最優(yōu)化(optimization)

(3)信號處理(signalprocessing)

(4)分解(resolution)

(5)校正(calibration)

(6)參數(shù)測定(parameterestimation)

(7)模式識別(patternrecognition)

在化學(xué)中,主要用于化合物的分類。經(jīng)典的方法如聚類分析、PCA、KNN、SIMCA及逐步判別分析(SDA)等。目前,人工神經(jīng)網(wǎng)作為模式識別器在諸多應(yīng)用中均獲良好結(jié)果。

七、計算機輔助化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用

教學(xué)思想上要有意識地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，只有思想上有這種意識。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維才會貫穿于教學(xué)中，也才能真正的、最大程度的達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的目的。如果思想上沒有這種意的主導(dǎo)作用。就是要打破“師講生聽”接受式的課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，在教師的組織、引導(dǎo)下實現(xiàn)信息的主動獲取和知識意義的主動建構(gòu)。一般的過程是老師或某一個小組提出課程內(nèi)容的具體要求：各小組依次對學(xué)習(xí)內(nèi)容發(fā)表見解，提問或發(fā)表自己的看法；由老師或小組負(fù)責(zé)人進行總結(jié)：最后由老師評價，評價包括學(xué)生對知識的掌握程度、運用知識解決新問題的能力以及學(xué)生在活動中的表現(xiàn)等。

在這個過程中教師要注意多褒獎，不貶低，對學(xué)生答錯的問題，要認(rèn)真點撥、啟發(fā)、誘導(dǎo)，對有創(chuàng)新的見解要給予充分的肯定、熱情地贊揚。教師與學(xué)生的會話交流的形式是多種多樣的，直接間接的，間接的如利用網(wǎng)絡(luò)平臺進行的討論等；無形有形的．有形的如體態(tài)語等；有聲無聲的，無聲的如作業(yè)批語等；實時和非實時的，非實時的如利用E—mail、BBS等。但不管哪種形式，都要特別關(guān)注教師給予指導(dǎo)和學(xué)生予以反應(yīng)類的交流活動。

八、結(jié)論

本文介紹了計算機化學(xué)中的主要內(nèi)容。作為數(shù)據(jù)庫檢索,由于起步較早,發(fā)展得已比較成熟。目前,在大型分析測試儀器(如MS、IR、NMR等)中,數(shù)據(jù)庫已成為

其重要的組成部分。結(jié)構(gòu)解析的人工智能研究,盡管起步較早,但是鑒于問題的復(fù)雜性和難度,至今尚在發(fā)展中。目前研究的焦點集中在多維波譜的應(yīng)用上。計算機輔助合成在國外已有許多商用系統(tǒng),但國內(nèi)開展還極少,亟需加強。

參 考 文 獻許祿.化學(xué)計量學(xué)方法.科學(xué)出版社, 北京: 1995許祿, 郭傳杰.計算機化學(xué)方法及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社, 1990

3許祿,胡昌玉,計算機化學(xué),中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 1998

4黃德海,淺談計算機輔助化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用，廣東省始興縣始興中學(xué)，2004