质量守恒定律是中学化学中最为重要的定律之一．它贯穿整个中学化学的教学,也是中考及高考的必考内容之一,每年的中考或是高考中都会有相应的选择题或是非选择题直接考查质量守恒定律.本文用一道计算型选择题来解析原子数目守恒在中、高考化学试题中的应用．
例1 向一定量的FeO、Fe、Fe3O4的混合物中加入100 mL 1 mol·L-1的盐酸,恰好使混合物完全溶解,放出224 mL(标准状况)的气体,在所得溶液中加入硫氰化钾溶液时溶液不变红色．若用足量的CO在高温下还原相同质量的此混合物,能得到铁的质量是( ).
A 11.2 g； B 5.6 g；
C 2.8 g； D 无法计算
方法1 根据化学方程式计算,是解决这类问题的基本方法．首先来分析实验过程中发生的反应，FeO、Fe、Fe3O4都是碱性氧化物,其中Fe3O4可以看作为FeO·Fe2O3的结合体．发生的反应为:
① Fe+2HCl=FeCl2+H2↑，
② FeO+2HCl=FeCl2+H2O，
③ Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O.
由反应方程式可知,所得溶液中含有的溶质为FeCl2和FeCl3,但在所得溶液中加入硫氰化钾溶液时溶液不变红色,即溶液中应该不含有Fe3+,所以还应该发生的反应为
④ Fe+2FeCl3=3FeCl2．
可以假设原有混合物中的FeO、Fe、Fe3O4的物质的量分别为x、y、z,根据盐酸恰好将固体溶解和化学方程式计算可以得到FeO、Fe、Fe3O4与盐酸的关系方程式:x+y+3z=0.05 mol．
再根据题中所提的问题分析,用足量的CO在高温下还原相同质量的此混合物,得到的铁实际就是原混合物中的铁元素,由此可以得到原混合物中铁元素的物质的量也为x+y+3z．从而可以得到含有的铁元素为0.05 mol,也即CO还原后得到的铁为2.8 g．答案为C．
方法2 原子数目守恒法(即质量守恒定律的应用),即利用反应前后元素种类、原子数目不发生改变来解决问题．可以这样来分析本题,因为本题提出的问题是用CO还原混合物得到铁的质量,也就是原混合物中铁元素的质量,因而可以根据铁及铁的氧化物溶于盐酸而得到的溶液中原子数目守恒而进行问题解决．当一定量的Fe、FeO、Fe3O4的混合物恰好溶解于100 mL 1 mol·L-1的盐酸中得到的一定是铁的氯化物(FeCl2或FeCl3和FeCl2)的水溶液,而在该溶液中滴加KSCN溶液时溶液不变红色,由此可知所得的溶液中只有FeCl2,根据原子数目守恒,溶液中的铁元素与氯元素的物质的量比为1∶2,而溶液中的氯离子就是来自于盐酸中的氯离子,因而溶液中Cl-的物质的量即为0.1 mol,从而可得溶液中Fe2+的物质的量为0.05 mol,从而可得原混合物中的铁元素的质量为0.05 mol×56 g·mol-1=2.8 g．
变式训练 将25 g的铝、镁的混合物恰好溶解于一定量的盐酸中,再加入1 mol·L-1 250 mL的氢氧化钠溶液,恰好使溶液中的金属离子全部转化为沉淀,在金属混合物溶解于盐酸时所产生的氢气的体积在标准状况下为________L．
分析 将铝和镁恰好溶解于盐酸后,再加入氢氧化钠溶液将所有的金属离子转化为沉淀,则可以根据化学反应方程式进行计算,设镁和铝的物质的量分别为x、y,列出2个方程式进行计算,求出镁和铝的物质的量后再根据方程式列式计算出生成氢气的体积,其具体的计算可由读者自行验算．但如果用原子守恒的方法,则计算会比较简单,金属全部恰好溶于盐酸,生成的氢气由原盐酸中所有的H+转化而来,在所得溶液中加入氢氧化钠溶液恰好将金属离子转化为沉淀,则剩余溶液中的溶质为NaCl,因此可知加入氢氧化钠的物质的量等于原盐酸中的Cl-的物质的量,则根据原子数目守恒就可以使问题迎刃而解．
由以上例题可以看出,只要是能用化学方程式列式计算解决的化学计算类问题,一般都可以通过原子数目守恒的方法进行问题解决,这是因为化学方程式就是质量守恒定律的体现．当然,化学中的质量守恒定律并不仅仅是体现在化学反应中的元素种类守恒、原子数目及质量的守恒,同时也可以体现在化学反应中的离子所带电荷的守恒,还体现在氧化还原反应中的电子得、失数目守恒等方面,在这些类型的化学计算问题中同样可以用守恒法进行解决,不仅可以节省时间,同时也让我们体验到化学的守恒之美．
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