質量守恆定律是中學化學中最為重要的定律之一．它貫穿整個中學化學的教學,也是中考及高考的必考內容之一,每年的中考或是高考中都會有相應的選擇題或是非選擇題直接考查質量守恆定律.本文用一道計算型選擇題來解析原子數目守恆在中、高考化學試題中的應用．
例1 向一定量的FeO、Fe、Fe3O4的混合物中加入100 mL 1 mol·L-1的鹽酸,恰好使混合物完全溶解,放出224 mL(標準狀況)的氣體,在所得溶液中加入硫氰化鉀溶液時溶液不變紅色．若用足量的CO在高溫下還原相同質量的此混合物,能得到鐵的質量是( ).
A 11.2 g； B 5.6 g；
C 2.8 g； D 無法計算
方法1 根據化學方程式計算,是解決這類問題的基本方法．首先來分析實驗過程中發生的反應，FeO、Fe、Fe3O4都是鹼性氧化物,其中Fe3O4可以看作為FeO·Fe2O3的結合體．發生的反應為:
① Fe+2HCl=FeCl2+H2↑，
② FeO+2HCl=FeCl2+H2O，
③ Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O.
由反應方程式可知,所得溶液中含有的溶質為FeCl2和FeCl3,但在所得溶液中加入硫氰化鉀溶液時溶液不變紅色,即溶液中應該不含有Fe3+,所以還應該發生的反應為
④ Fe+2FeCl3=3FeCl2．
可以假設原有混合物中的FeO、Fe、Fe3O4的物質的量分別為x、y、z,根據鹽酸恰好將固體溶解和化學方程式計算可以得到FeO、Fe、Fe3O4與鹽酸的關係方程式:x+y+3z=0.05 mol．
再根據題中所提的問題分析,用足量的CO在高溫下還原相同質量的此混合物,得到的鐵實際就是原混合物中的鐵元素,由此可以得到原混合物中鐵元素的物質的量也為x+y+3z．從而可以得到含有的鐵元素為0.05 mol,也即CO還原後得到的鐵為2.8 g．答案為C．
方法2 原子數目守恆法(即質量守恆定律的應用),即利用反應前後元素種類、原子數目不發生改變來解決問題．可以這樣來分析本題,因為本題提出的問題是用CO還原混合物得到鐵的質量,也就是原混合物中鐵元素的質量,因而可以根據鐵及鐵的氧化物溶於鹽酸而得到的溶液中原子數目守恆而進行問題解決．當一定量的Fe、FeO、Fe3O4的混合物恰好溶解於100 mL 1 mol·L-1的鹽酸中得到的一定是鐵的氯化物(FeCl2或FeCl3和FeCl2)的水溶液,而在該溶液中滴加KSCN溶液時溶液不變紅色,由此可知所得的溶液中只有FeCl2,根據原子數目守恆,溶液中的鐵元素與氯元素的物質的量比為1∶2,而溶液中的氯離子就是來自於鹽酸中的氯離子,因而溶液中Cl-的物質的量即為0.1 mol,從而可得溶液中Fe2+的物質的量為0.05 mol,從而可得原混合物中的鐵元素的質量為0.05 mol×56 g·mol-1=2.8 g．
變式訓練 將25 g的鋁、鎂的混合物恰好溶解於一定量的鹽酸中,再加入1 mol·L-1 250 mL的氫氧化鈉溶液,恰好使溶液中的金屬離子全部轉化為沉澱,在金屬混合物溶解於鹽酸時所產生的氫氣的體積在標準狀況下為________L．
分析 將鋁和鎂恰好溶解於鹽酸後,再加入氫氧化鈉溶液將所有的金屬離子轉化為沉澱,則可以根據化學反應方程式進行計算,設鎂和鋁的物質的量分別為x、y,列出2個方程式進行計算,求出鎂和鋁的物質的量後再根據方程式列式計算出生成氫氣的體積,其具體的計算可由讀者自行驗算．但如果用原子守恆的方法,則計算會比較簡單,金屬全部恰好溶於鹽酸,生成的氫氣由原鹽酸中所有的H+轉化而來,在所得溶液中加入氫氧化鈉溶液恰好將金屬離子轉化為沉澱,則剩餘溶液中的溶質為NaCl,因此可知加入氫氧化鈉的物質的量等於原鹽酸中的Cl-的物質的量,則根據原子數目守恆就可以使問題迎刃而解．
由以上例題可以看出,只要是能用化學方程式列式計算解決的化學計算類問題,一般都可以通過原子數目守恆的方法進行問題解決,這是因為化學方程式就是質量守恆定律的體現．當然,化學中的質量守恆定律並不僅僅是體現在化學反應中的元素種類守恆、原子數目及質量的守恆,同時也可以體現在化學反應中的離子所帶電荷的守恆,還體現在氧化還原反應中的電子得、失數目守恆等方面,在這些類型的化學計算問題中同樣可以用守恆法進行解決,不僅可以節省時間,同時也讓我們體驗到化學的守恆之美．
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