例谈化学计算中的代换方法

安徽 华 振

例谈化学计算中的代换方法

代换就是在保持问题本质不变的前提下，对问题信息进行合理的变换，形成有利于解决问题的新的思路，使分析过程简化，进而提高解题效率。

一、相对原子质量等量代换

例1由KCl和NaCl组成的混合物，测得其含氯质量分数为a%，则其含钾的质量分数为________。

解析对于此题若采用常规方法求解，计算过程比较繁杂。若我们仔细研究，可以发现K、Na、O的相对原子质量间具有如下关系：Ar(K)=Ar(Na) +Ar(O)，若以Na、O原子代换K原子得(NaO)Cl，则混合物中Cl与Na的物质的量之比为1∶1。由混合物中氯的质量分数可以求得Na的质量分数，进而得到氧的质量分数，且由于钾的物质的量等于氧的物质的量，可以求得钾的质量分数。

二、原子守恒代换

例2工业上用硫铁矿(主要成分为FeS2)煅烧制SO2时，硫的损失率为2%，SO2接触氧化制SO3的转化率为90%，SO3被水吸收制取H2SO4时，H2SO4的产率为96%。求：100 t纯度为75%的硫铁矿用此法生产硫酸，可制得98%的H2SO4多少吨？

解析工业上制硫酸的计算涉及多个反应式，若分步来算，不仅复杂，而且还容易出错。若根据反应前后S原子守恒，各步反应中物质的损失率都看成S的损失率，折合成初始反应物FeS2的损失率，则：

设可制得98%的H2SO4质量为x，据此得：

FeS2～ 2H2SO4

120 98×2

100×75%×(1-2%)×90%×96% 98%·x

列比例式可求得x=105.8 t。

答：可制得98%的H2SO4105.8 t。

三、质量等值代换

例3取一定质量的Ag - Cu合金溶于足量HNO3溶液后，再加入足量盐酸得到白色沉淀，将沉淀过滤、洗涤、干燥后称量，其质量与原合金质量相等，则合金中银的质量分数为多少？

解析经过一系列反应后，所得AgCl沉淀与原Ag - Cu合金质量相等，根据反应过程中Ag元素的质量等值，所以AgCl中Ag元素的质量分数即为Ag - Cu合金中Ag的质量分数，则合金中Ag的质量分数为

四、化合价等价代换

解析铁红即为氧化铁，在铝热反应中，铁、铝的化合价均在0～3之间变动，根据生成铁的质量mg，以铁来代换铝，得：

五、化学式等效代换

例5下列各组中等物质的量的两种物质，在足量氧气中充分燃烧，耗氧量相同的是

( )

A.CH3CH3HCOOCH2CH3

C.CH3CH2OH CH3COOH

解析乍一看此题好像无从入手，然而如果我们把它们作适当的变形，用它们的等效式代换，则有：

A.C2H6C2H6·CO2

B.C2H2C2H2·H2O

C.C2H4·H2O C2(H2O)2

D.C2H4C3H8·CO2

式中写成CO2和H2O的部分不再耗氧。很显然，耗氧量相同的为A、B。

六、化学式组合代换

例6在标准状况下，11.2 L甲烷、甲醛和乙烷组成的混合气体完全燃烧时，生成了15.86 L CO2，则混合气体中乙烷的体积分数为

( )

A.20% B.40% C.60% D.80%

C2H6

七、化学式平均代换

例7有两种气态不饱和烃的混合物1体积，完全燃烧后可得3.8体积CO2和3.6体积水蒸气(气体体积在相同条件下测定)，这两种烃是

( )

A.C2H4、C4H6B.C2H2、C4H8

C.C3H4、C4H8D.C3H4、C3H6

解析由于混合物的组成不确定，我们可以用平均分子式CxHy来代换，由阿伏加德罗定律：n混合气∶n(CO2)∶n(H2O)=1∶3.8∶3.6，则n混合气∶n(C)∶n(H)=1∶3.8∶7.2，所以x=3.8，y=7.2，选项B、C均有可能。这时需验证其正确性。

B选项，对于C原子：

对于H原子：

故选项B不能同时满足C、H原子条件，应舍去。同样可以验证选项C正确，故本题应选C。

八、性质相似代换

例8氯化碘(ICl)的化学性质跟氯气相似，预计它跟水反应的最初生成物是

( )

A.HI和HClO B.HCl和HIO

C.HClO3和HIO D.HClO和HIO

九、整体和部分代换

例9足球烯C60结构形如足球，可以认为它是由正二十面体切掉十二个顶点形成的。则C60中有________个正六元环，________个正五元环。

即六元环为20个，五元环为12个。

十、一般和特殊代换

例10有机化合物A、B分子式不同，它们可能只含碳、氢、氧元素中的两种或三种。如果将A、B不论以何种比例混合，只要其物质的量之和不变，完全燃烧时所消耗的氧气和生成的水的物质的量也不变。那么A、B组成必须满足的条件是________；若A是甲烷，则符合上述条件的化合物B中，分子量最小的分子式是________，并写出分子量最小的含有甲基(—CH3)的B的两种同分异构体结构简式：________、________。

解析从正向开始，会有一种无从下手的感觉，若转化为从CH4这个具体化合物入手，再通过比较、归纳，从特殊到一般找出规律。

等物质的量的化合物B和CH4能生成等物质的量的H2O，那么它必须含有且仅有4个H。要满足分子量不同且耗氧量不变，只有B比CH4多出若干个CO2原子团，即可表示为CH4(CO2)n，当n=1时B的分子量最小，分子式为C2H4O2。写出两种排列可得：HCOOCH3、CH3COOH。

通过CH4与C2H4O2比较、抽象、归纳出A、B组成必须满足的条件是：①A、B的分子式中氢原子数相同；②相差n个碳原子，同时相差2n个氧原子(n为正整数)。

十一、正向逆向代换

例11向KI溶液中加入AgNO3溶液，直到反应完全为止，反应后溶液的质量恰好等于原碘化钾溶液的质量，该AgNO3溶液的质量分数为

( )

A.72.34% B.50%

C.81.25 D.无法计算

解析若用逆向思维代换，将“反应后溶液的质量恰好等于原碘化钾溶液的质量”转换为“加入的溶液质量等于析出的AgI沉淀的质量”，由于反应完全，加入的AgNO3溶液中AgNO3物质的量与生成AgI物质的量相等，AgNO3溶液质量又等于AgI质量，故AgNO3溶液的质量分数为

故本题应选A。

十二、得失电子数等量代换

例12为测定某铜、银合金的组成，将14 g该合金溶于足量的某浓度的硝酸中，待合金完全溶解后，收集到的气体与标准状况下1.12 L氧气混合，通入水中被全部吸收，求合金中铜的质量分数。

解析乍看本题似乎条件不足，因为硝酸的浓度未知，即使知道硝酸的浓度，生成的气体也未知。不过，若我们认真审题便会发现，题中涉及的反应中得失电子守恒，利用等量代换的方法，便可以巧妙而简捷地获解。

气体与氧气反应中：

设合金中含铜的物质的量为x、银的物质的量为y，

解得x=0.05 mol，y=0.1 mol。

安徽省灵璧县黄湾中学)