第三章 物质构成的奥秘 第二节 定量认识化学变化

第二节 定量认识化学变化 <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

教学目标：

知识与技能：

1 ．理解并能运用质量守恒定律；

2 ．能正确书写简单的化学反应方程式，并据此进行简单的计算。

过程与方法：

1 ．进一步理解科学探究的过程；

2 ．认识书写化学方程式的依据，理解内容和形式的辨证关系。

情感态度价值观：

认识定量研究对化学科学发展的意义。

教学内容：

1 ．无数实验证明，参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。这个规律叫做质量守恒定律（ law of conservation of mass ）。

2 ．在化学变化中，组成物质的元素种类不变、原子数目不变、各原子质量不变。因此，参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。

3 ．用化学方程式可以表示化学变化。书写化学方程式遵循的原则是：（ 1 ）以客观事实为依据；（ 2 ）符合质量守恒定律。

4 ．依据化学方程式进行化学反应简单计算的方法。

教学重点和难点：

教学重点：

1 ．质量守恒定律的理解、应用和成立原因；

2 ．化学反应方程式的书写及配平

3 ．有关化学方程式的计算

教学难点：

1 ．化学方程式的配平

2 ．化学方程式的计算

探究活动：

质量守恒定律的发现及成立原因

教学过程：

一、质量守恒定律

1 ．探究学习：质量守恒原理的证明

发现问题： 酒精灯内的液体燃烧后会逐渐减少，生锈的铁钉质量比原先质量增加，铁与硫酸铜溶液反应后总质量却没有变；那么化学反应前后物质的总质量会发生什么变化？增加，减少还是不变？

提出假设： 化学变化前后质量的总质量不变。

设计实验：

（ 1 ）参照课本 P96 页图 4-13 氢氧化钠溶液和硫酸铜溶液反应

现象：在蓝色的硫酸铜溶液中，滴入无色氢氧化钠溶液后，锥形瓶中产生蓝色沉淀，天平保持平衡。

文字表达式：硫酸铜 (CuSO4) + 氢氧化钠 (NaOH) → 硫酸钠 (Na2SO4) + 氢氧化铜 [Cu(OH)2]

结论：参加反应的硫酸铜和氢氧化钠质量总和等于生成物硫酸钠和氢氧化铜质量之和。

（ 2 ）参照课本 P96 页图 4-14 碳酸钙和稀盐酸反应

现象：胶皮滴管中的稀盐酸滴入到小试管中的碳酸钙上，产生大量气泡，锥形瓶中的氢氧化钙溶液逐渐变浑浊，天平仍然保持平衡状态。

文字表达式：碳酸钙 (CaCO3) + 盐酸 (HCl) → 氯化钙 (CaCl2) + 二氧化碳 (H2O) + 水 (H2O)

二氧化碳 (H2O) + 氢氧化钙 [Ca(OH)2] → 碳酸钙 (CaCO3) + 水 (H2O)

结论：化学反应前后质量总量没有发生改变。

形成结论： 参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和，即质量守恒定律（ law of conservation of mass ）

2 ．质量守恒定律成立的原因

（ 1 ）根据化学反应的本质，原子的重组，即参加反应的各原子的种类、数目不变，质量也基本不变

（ 2 ）在宏观上，元素的种类和质量也不变

3 ．质量守恒定律的适用范围

（ 1 ）必须在化学反应中，如： <?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" /> 100g 酒精和 100g 水混合形成 200g 酒精溶液，并不能用质量守恒定律解释

（ 2 ）在利用质量守恒定律时，一定要注意是参加反应的总质量和生成物的总质量才相等

如：酒精燃烧后，质量逐渐减少，用质量守恒定律来解释的话，参加反应的酒精和氧气的质量总和应该与生成的二氧化碳及水的总质量相等，而二氧化碳和水散失在空气中，无法称得质量，所以质量减少。

而铁钉生锈后质量会增加，则是因为参加反应的铁和氧气的质量总和等于生成的铁锈的质量，当然铁锈的质量就会大于原先金属铁的质量

例题： 4.6g 某物质 R 在空气燃烧后，能够生成 8.8gCO2 和 5.4gH2O ，请你分析该物质的元素组成

分析：我们可以用化学式表示该反应： R+O2 → CO2+H2O ，生成物中含有碳、氢、氧三种元素，所以根据质量守恒原理，反应物中的碳、氢、氧元素质量应该和生成物中的质量分别相等。首先能够判断在反应物 R 中，一定含有碳、氢元素，可能含有氧元素。我们就要根据质量来算了：

m(C)=m(CO2) × ω (C) ＝ 8.8g × <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> = 2.4g ； m(H) ＝ m(H2O) × ω (H)= 5.4g × ＝ 0.6g

故，氢元素与碳元素质量总和只有 3g ，而 R 中有 4.6g ，所以在该物质中氧元素就要占 1.6g 。

综合上述，该物质中含有碳、氢、氧三种元素。

二、化学方程式的书写

1 ．化学方程式的原则

（ 1 ）严格遵循质量守恒定律，即需要化学方程式配平

（ 2 ）严格尊重实验事实，不可主观臆造

2 ．化学方程式的意义

以 P 为例： 4P + 5O2 点燃=== 2P2O5

4 × 31 5 × 32 2 × 142

（ 1 ）磷和氧气在点燃的情况下，完全燃烧，生成了五氧化二磷

（ 2 ）每 4 个磷原子在点燃条件下能与 5 个氧分子完全反应，生成 2 个五氧化二磷分子

（ 3 ）每 124 份质量的磷在点燃的情况下，能与 160 份质量氧气完全反应，生成 284 份质量五氧化二磷

3 ．化学方程式的配平

书写化学方程式必须遵守质量守恒定律。因此，在化学方程式两边的化学式前面要配适当的化学计量数，使化学方程式左、右两边每一种元素的原子总数相等。化学方程式配平后，短线改成等号。

配平化学方程式的方法有多种，这里介绍几种简单的方法

（ 1 ）最小公倍数法

例如配平化学方程式： NH3+Cl2 — N2+NH4Cl

观察上式：左边有 3H ，右边有 4H ，氢原子的最小公倍数是 12 。因此，在 NH3 前配上化学计量数 4 ，在 NH4Cl 前配上化学计量数 3 ，即： 4NH3+Cl2 — N2+3NH4Cl

上式中：右边有 3Cl ，所以在左边的 Cl2 前配“ 3/2 ”（使 Cl 原子个数相等）；左边有 4N ，右边的 3NH4Cl 中有 3N ，所以在 N2 前应配“ 1/2 ”（使 N 原子数相等），即： 4NH3+ Cl2 — N2+3NH4Cl

上式两边分别乘以 2 ，使各项化学计量数变成最小整数比，即： 8NH3+3Cl2==N2+6NH4Cl

（ 2 ）观察法

先找出化学方程式中原子数目多的化学式，令该化学式的化学计量数为 1

例如：配平化学方程式 NH3+O2 — NO+H2O

NH3 的原子数目比较多，令其化学计量数为 1 ；依据“等号”两边各种原子的数目相等确定其他各项的化学计量数。上式中有 1N 和 3H ，所以右边的 NO 前面应配“ 1 ” （使 N 原子个数相等）， H2O 前面应配“ ”（使 H 原子的个数相等），此时，右边有 5O ，所以左边的 O2 前面应配“ ”（使氧原子个数相等），即：

NH3+ O2 — NO+ H2O ，将其化学方程式前的化学计量数转化为最小整数比： 4NH3+5O2==4NO+6H2O

注：注明反应条件和生成物的状态

（ 1 ）许多化学反应需要一定的条件才能发生，因此，需要在化学方程式中注明反应发生的基本条件。如把点燃、加热（常用“ △ ”号表示）、催化剂、通电等，写在“等号”的上方或下方

（ 2 ）如果化学反应中有气体生成，在该气体物质的化学式右边要注“ ↑ ”；如果生成物中有不溶于水的固体时，则在该固体物质的化学式右边要注“ ↓ ”号。

（ 3 ）如果反应物和生成物中都有气体时，气体生成物中就不需注“ ↑ ”；同样，如果反应物和生成物都有不溶于水的固体时，固体生成物也不需注“ ↓ ”。

书写化学方程式常见的错误

（1） 写错物质的化学式；

（2） 随意臆造生成物或事实上不存在的化学反应；

（3） 化学方程式没有配平；

（4） 漏标或错标气体生成物或沉淀生成物的记号；

（5） 错写或漏写反应必需的条件。

练习：

1 ． C2H6 + O2 — CO2 + H2O 2 ． Al + MnO2 — Al2O3 + Mn

3 ． C2H2 + O2 — CO2 + H2O 4 ． Fe + H2O — Fe3O4 + H2

5 ． Fe2O3 + CO — Fe + CO2 6 ． Mg + N2 — Mg3N2

7 ． NO2 + H2O — HNO3 + NO 8 ． KNO3 + S + C — K2S + N2 + CO2

9 ． FeS+ O2 — Fe2O3 + SO2 10 ． Fe2O3 + HCl — FeCl3 + H2O

三．根据化学方程式的计算

1 ．根据化学方程式计算的步骤

（ 1 ）设：根据题意设未知数；

（ 2 ）写：书写正确的化学方程式；

（ 3 ）找：找出已知量和未知量的质量关系；

（ 4 ）列：列出比例式并求解；

（ 5 ）答：检查结果，简明作答。

2 ．根据化学方程式计算应该注意的事项

（ 1 ）正确书写化学方程式，准确列出有关反应物或生成物的质量比；

（ 2 ）列式时，各物质的质量单位必须统一，对应关系要正确；

（ 3 ）反应物、生成物都必须是纯净物，如果是混合物，应该不纯物的质量按题意转化为纯净物的质量；

（ 4 ）解题的过程要完整，规范

（ 5 ）设未知数是要指明物理量，不要带单位。

例题：某实验室中需要 1.6g 氧气进行实验。若用电解水的方法制取这些氧气，需要消耗水多少克？同时可生成氢气多少克？

解：设消耗水的质量为 x ，得到氢气的质量为 y

2H2O 通电=== 2H2 ↑ +O2 ↑

36 4 32

x y 1.6g

， x= 1.8g ； ， y= 0.2g

答：电解消耗 1.8g 水，同时生成 0.2g 氢气。

常见题型

1 ．利用质量守恒定律的相关信息，如何求反应物的质量及相互质量比？

例 1 已知在反应 3A +2B= 2C +D 中，反应物 A 、 B 的质量比为 3 ： 4 。当反应生成 C 和 D 的质量共 140g 时， B 消耗的质量为 _________g 。

分析： 此题能根据质量守恒定律，由于生成物 C 和 D 的质量共 140g ，所以 A 和 B 的质量之和也应为 140g 。由于反应物 A 、 B 的质量比为 3 ： 4 ，则可将物质总质量视为 7 份（ 3+4=7 ）， A 占其中 3 份， B 占其中 4 份。所以消耗 B 的质量为 140 ÷ 7 × 4 ＝ 80g 。

例 2 在化学反应 3X+4Y=2Z 中，已知 X 和 Z 的相对分子质量分别是 32 和 102 ，则 Y 的相对分子质量为 _____ 。

分析： 此题是根据质量守恒定律确定 Y 的相对分子质量。解题时，首先要确定 4Y 的值，即 3 × 32 ＋ 4Y ＝ 2 × 102 4Y ＝ 2 × 102 － 3 × 32 ＝ 108 Y ＝ 27

2 ．已知反应物（或生成物）的质量（或密度、体积），如何求另一反应物（或生成物）的质量（或体积）？

例 3 中国登山协会为纪念我们首次攀登珠穆朗玛峰成功 50 周年，再次组织攀登珠峰活动。阿旺扎西等一行登山运动员于 2003 年 5 月 21 日 13 ： 40 成功登顶。假如每位运动员冲顶时消耗自带的液氧 4.8g 。求：

（ 1 ）这些氧气在标准状况下的体积是多少升？（标准状况下氧气密度为 1.43g /L ）

（ 2 ）若在实验室用高锰酸钾为原料制取相同质量的氧气，需要多少千克的高锰酸钾？

（ 3 ）用这种方法给登山运动员供氧，是否可行？简述理由。

答： （ 1 ） 4.8kg 氧气在标准状况下的体积为

（ 2 ）设需要高锰酸钾的质量的质量为 x

2KMnO4 △=== K2MnO4 + MnO2 + O2 ↑

316 32

x 4.8kg

（ 3 ）不行。此法成本太高，经济上不合算；或在实验室制如此多氧气，耗时太长。

分析：此题难度不高，主要考查学生有关化学方程式计算的两个重要的注意点： 1 ．气体体积和气体质量的换算（即气体体积 = 气体质量 ÷ 气体密度）； 2 ．化学方程式中单位的换算，如题目中出现“ kg ”与“ g ”之间的换算。此题中不仅仅是一道有知识背景的简单计算，还考查了学生仔物质制备时是否考虑原料成本和反应时间的因素。

3 ．已知混合物中的一反应物（或生成物）的质量，如何求混合物中另一反应物（或生成物）的质量？

例 4 煅烧含碳酸钙 80% 的石灰石 100t ，生成二氧化碳多少吨？若石灰石中的杂质全部进入生石灰中，可以得到这样的生石灰多少吨？

解：设生成二氧化碳的质量为 x

CaCO3 高温=== CaO + CO2 ↑

100 44

100t × 80% x

x=35.2t

生石灰的质量： 100t-35.2t=64.8t

4 ．利用化学反应测定的实验数据，如何进行物质的计算和推断？

例 5 小强同学前往当地的石灰石矿区进行调查，他取回了若干块矿石样品，对样品中碳酸钙的质量分数进行检测，采用了的办法如下：取用 8g 这种石灰石样品，把 40g 稀盐酸分 4 次加入，测量过程所得数据见下表（已知石灰石样品中含的杂质不溶于水，不与盐酸反应）。请计算：

（ 1 ） 8g 石灰石样品中含有杂质多少克？

（ 2 ）样品中碳酸钙的质量分数是多少？

（ 3 ）下表中 m 的数值应该为多少？

序号	加入稀盐酸质量（ g ）	剩余固体质量（ g ）
第 1 次	10	5.5
第 2 次	10	m
第 3 次	10	1.2
第 4 次	10	1.2

（ 4 ）要得到 280kgCaO ，需要质量分数为 80% 的石灰石多少千克？ ( 化学方程式： CaCO3 高温== CaO+CO2 ↑ )

解：（ 1 ） 8g 石灰石样品中含有杂质为 1.2g 。

（ 2 ）样品中碳酸钙的质量分数＝ ＝ 85 ％

（ 3 ） m ＝ 5.5g - （ 8g -5.5g ）＝ 3g

（ 4 ）设需要 80% 的石灰石的质量为 x

CaCO3 高温== CaO+CO2 ↑

100 56

X × 80 ％ 280kg

x ＝ 625kg

分析：此题通过不断改变所加入的稀盐酸的质量，观察剩余固体的质量来判断稀盐酸何时不足，石灰石中 CaCO3 何时完全反应。由表中数据可知，在第三次加入 10g 盐酸后，固体剩余物质量不再减少，说明剩余的 1.2g 固体不和稀盐酸反应，应为杂质。然后，用 8g 石灰石样品质量－杂质质量＝ CaCO3 质量。再除以样品质量，即可求出样品中碳酸钙的质量分数。第三小问也可从题意得出正解，即第一次加 10g 酸时固体的质量减少应和第二次一样，所以第二次剩余的固体质量就是 3g 。最后一问可利用含杂质问题的解题方法处理。

典型例题

1 ．某研究小组查阅了《厦门 2001 年海洋环境公报》得知：厦门海域的主要污染物是化学需氧量（ COD ）、磷氮、油类、铅和汞等，其中 COD 是指一定量海水与高锰酸钾 或 K2Cr2O7 发生氧化反应时所用高锰酸钾或 K2Cr2O7 的量。据此回答：（注 Cr 是铬元素的元素符号）

（ 1 ）高锰酸钾的化学式为 ________________ 。

（ 2 ）受污染的海水含有 X 物质，它与 K2Cr2O7 反应的化学方程式为 X+5K2Cr2O7+20H2SO7 ＝ 6CO2+5K2SO4+5Cr2(SO4)3+23H2O ， 则 X 的化学式为 _____________ 。

（ 3 ）根据你的观察和调查指出这些污染物的主要来源是 __________________________________ 。

（ 4 ）海水是资源大宝库，请写出能从未污染的海水中提取或加工得到的物质：（填化学式） _________ 。

2 ．法轮功邪教组织头目李洪志说，他通过发功能使铝发生化学反应，变成铜和金。请根据化学知识来判断正误，并提出你的理由。

3 ．早在 17 世纪，质量守恒定律发现之前，英国化学家玻意耳曾经做过一个实验：在密闭的容器中燃烧金属时，得到了金属灰，然后打开容器盖，称量金属灰的质量，发现比原来金属质量增加了。

（ 1 ）试解释金属灰质量比原金属质量增加的原因。

（ 2 ）由于玻意耳称量方法上的原因，他错过了发现质量守恒定律的机会。请你改进他的称量方法，以验证质量守恒定律。

4 ． H2 和 O2 的混合气体 10g ，点燃后充分反应生成 9g 水，则原混合气体中 H2 和 O2 的质量之比为 _________ 。

5 ．饱和食盐水在直流电的条件下可生成氢氧化钠、氯气和氢气。氢气和氯气反应又可生成氯化氢，氯化氢溶于水生成盐酸。这样实验可制取生产、生活中需求量很多的氢氧化钠和盐酸。这一工程工业上称之为氯碱工业。

（ 1 ）写出生产过程中发生的化学方程式： __________________________________________________ 。

（ 2 ）简述利用化学反应原理进行工业生产应考虑哪些因素？

6 ．高级汽车中常配置一种汽车安全气囊，内部贮存有硝酸铵。当汽车高速行驶中受到猛烈撞击时，硝酸铵迅速分解出大量的一氧化二氮气体和另一种氧化物充满气囊，隔在乘员和挡风玻璃、方向盘之间，防止乘员受伤。

（ 1 ）写出硝酸铵受撞击时发生分解反应的化学方程式 _________________________________________ ；

（ 2 ）从安全角度，在存放和使用化肥硝酸铵时要注意哪些问题？

7 ．化学变化中常伴有能量转化，这是因为不同的物质包含的化学能大小不同，在化学变化中物质具有的化学能可以转变为热能、光能或电能等。

（ 1 ）举出一个从环境中吸取热能的物理变化的例子。

（ 2 ）镁条燃烧时，化学能转化为 ________ 能和 ________ 能。

（ 3 ）已知氢气在氧气中燃烧生成水的变化放出热能。根据能量守恒原理，反应前氢气和氧气的混合物所包含的化学能比反应后水包含的化学能 _________ （填“高”或“低”），理由是 ____________________ 。

8 ．煤是重要的工业原料，用煤直接做燃料不仅是极大的浪费，而且固体煤中含有的硫在燃烧时生成二氧化硫气体造成大气污染。北部某城市冬季取暖约为 120 天，每天消耗含硫 1% 的煤 200 吨。

（ 1 ）该城市一个冬季向大气排放多少吨二氧化硫气体 ?

（ 2 ）从环保角度考虑，请你提出三个合理化建议。

参考答案

1 ．（ 1 ） KMnO4 ；（ 2 ） C6H6 ；（ 3 ）工业废水的任意排放；石油的泄漏；（ 4 ） NaCl （其他合理答案也可）

2 ．他的观点是错误的。根据化学反应的本质，一切化学变化里，反应前后原子的种类、数目没有改变，质量也基本不变。铝是由铝原子构成，铜是由铜原子构成，金是由金原子构成的。所以铝原子无法通过化学变化生成金原子和铜原子。所以可见李洪志的说法是伪科学的，纯属歪理邪说。

3 ．（ 1 ）金属燃烧是金属和氧气发生化合反应，生成金属氧化物。根据质量守恒定律可知，参加反应的金属与氧气的质量之和等于生成的金属氧化物的质量。生成的金属灰是金属氧化物，所以金属灰的质量比原来金属的质量增加了。

（ 2 ）分别称量反应前后密闭容器的质量。

4 ． 1 ： 9 或 1 ： 4 提示：因为生成了 9g 水，则说明参加反应的混合气体总质量也为 9g ，而原气体总质量为 10g 。所以还有 1g 气体没有反应，可能是 H2 ，也有可能是 O2 。

5 ．（ 1 ） 2 NaCl+2H2O 通电 == 2 NaOH+H2 ↑ +Cl2 ↑；（ 2 ）原料价格便宜，制取方便，耗能少，安全问题等。

6 ．（ 1 ） NH4NO3 撞击=== N2O ↑ +2H2O ；（ 2 ）不能与易燃物混放；不能用铁锤等物将结块的硝酸铵砸碎；不能受到严重撞击。（分析：硝酸铵是因为分解会产生气体，所以在有限空间内，气体急速膨胀，易爆炸）

7 ．（ 1 ）干冰升华，酒精挥发等。（ 2 ）光，热（ 3 ）高，因为这反应放出能量，故反应物具有的化学能高于生成物具有的化学能。

8 ．（ 1 ） 4 吨；（ 2 ）尽量减少煤等含硫燃料的燃烧，使用脱硫技术；开发新能源