电荷及其守恒定律例1

关键词：电荷守恒定律；氧化还原反应实质；对比分析；系统整合

文章编号：1005?C6629（2014）7?C0013?C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，对氧化还原反应实质的认识是理解氧化还原反应理论知识的关键。电荷守恒定律与氧化还原反应实质分属物理和化学两门不同学科，但却是分别从不同学科视角对电荷转移情况的描述。然而，从现有文献来看，学界并未对两者之间的关系进行深入分析。本文运用系统论对两者进行对比分析和系统整合，以期引导学界在进行电荷守恒定律教学时，充分运用氧化还原反应实质作为电荷守恒定律在微观领域具体应用的实例之一，帮助学生从电子在氧化还原反应中的转移和守恒来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁；在进行氧化还原反应教学时充分运用电荷守恒定律来帮助学生从物理学电荷转移和守恒这一宏观角度来认清氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，进而帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。

1 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的内容

人教版高中物理教材选修3-1首先在对电荷进行介绍的基础上给出了电荷守恒定律传统的表述：“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫做电荷守恒定律。[1]”然后在介绍带电粒子产生和湮没知识的基础上给出了电荷守恒定律现在的表述：“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。[2]”人教版高中化学教材必修1首先通过分析氧化还原反应实例中元素化合价的升降情况对初中教材中氧化还原反应概念进行拓展而给出氧化还原反应的定义：“并非只有得氧、失氧的反应才是氧化还原反应，凡是有元素化合价升降的化学反应都是氧化还原反应。”然后通过介绍原子结构以及电子在氧化还原反应中转移（得失或偏移）情况阐明氧化还原反应的实质是电子转移，并从氧化还原反应实质（电子转移）的角度给出了氧化还原反应的定义：“通过以上的分析，我们认识到有电子转移（得失或偏移）的反应，是氧化还原反应。[3]”教材没有提及在氧化还原反应中是否存在带电粒子的产生和湮没以及相关情况。本文也在不考虑带电粒子产生和湮没的情况下对电荷守恒定律与氧化还原反应实质做一浅显对比分析。

2 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析

从教材对比我们发现，关于电荷守恒定律与氧化还原反应的实质，两者之间存在着一些相似之处、差异和联系，需要我们重视。

2.1 电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的相似之处

电荷守恒定律与氧化还原反应实质都是对“电荷转移情况”进行描述，两者之间必然存在着相似之处。

（1）所描述对象都是一个与外界没有电荷交换的系统。电荷守恒定律适用的前提是“一个与外界没有电荷交换的系统”；同样，如果把发生氧化还原反应的化学反应体系看作一个系统，虽然该系统通过氧化还原反应使系统中的电子发生了转移，但从氧化还原反应实质来看，该系统与环境没有任何电荷交换，必然是“一个与外界没有电荷交换的系统”。正如物理教材所举用丝绸摩擦玻璃棒这一“摩擦起电”的例子时所描述的那样，“用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了，玻璃棒因缺少电子而带正电，丝绸因有了多余的电子而带负电”。在玻璃棒和丝绸组成的这一系统中，电子只是从玻璃棒这一子系统转移了该系统的另一子系统丝绸上而使该系统的两个子系统带有不同种类的电荷，而该系统与环境并没有任何电荷交换，是“一个与外界没有电荷交换的系统”。同样，在化学教材所举Fe+CuSO4=FeSO4+Cu这一氧化还原反应系统中，电子只是从Fe转移到了Cu2+上，而该系统与环境没有任何电荷交换，也是“一个与外界没有电荷交换的系统”。

（2）系统内的电荷都“既不会创生，也不会消灭”。电荷守恒定律传统的表述首先强调“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭”；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应过程中只是发生了电子的转移，必然没有“电荷的创生与消灭”。其实，无论“摩擦起电”、“感应起电”还是“氧化还原反应中电子的转移”，其微观实质都是因“电子的转移”而发生的电现象，在这三个过程中都没有“电荷的创生与消灭”。

（3）都是电荷在系统内发生转移。电荷守恒定律表明，电荷可以从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应中，电子可以从一个微粒（还原剂）转移到另一个微粒（氧化剂）而发生电子的得失或者从某些微粒的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移（因共价键的形成或断裂而导致原子的电子云形状发生改变）。就物理教材所举摩擦起电和静电感应的例子而言，摩擦起电的实质是由于构成不同物体的原子或分子对电子的引力不同，在环境的作用（摩擦）下迫使电子从一个物体转移到了另一个物体而使两个物体带有不同种电荷；静电感应的实质是在环境（带电体）的作用下迫使电子从导体的一部分转移到了另一部分而使导体两端带有不同种电荷。同样，在氧化还原反应中，诸如2Na+Cl2=2NaCl、Fe+CuSO4=FeSO4+Cu等这一类涉及到离子键的氧化还原反应，其实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子从一个微粒（Na、Fe）转移到另一个微粒（Cl、Cu2+）而发生电子的得失；而H2+Cl2=2HCl、H2O+C=H2+CO等这类只涉及共价键的氧化还原反应，其实质是电子从某些微粒（H、Cl和H、O、C）的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移。

（4）系统的电荷的代数和保持不变。电荷守恒定律现在的表述是将电荷及其发生转移的媒介（电荷发生转移的不同物体或者某一物体）看作一个系统，那么，“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变”；同样，在氧化还原反应系统中，虽然通过氧化还原反应使该系统的电子发生了转移，但电子只是发生了转移，电子的个数自然不会发生改变，电荷的代数和必然保持不变。

2.2 电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的差异

电荷守恒定律与氧化还原反应实质又是从“不同学科视角”来描述电荷转移情况，两者之间的差异具体如下。

（1）所属学科不同。很显然，电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，是对电荷在不同物体之间或者同一物体不同部分之间发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律的描述；而认清氧化还原反应实质则是学习化学学科重点理论知识氧化还原反应的关键，氧化还原反应实质是对电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生转移的这一微观现象及其所遵循规律的描述。

（2）所描述的电荷不同。电荷守恒定律描述的电荷包括正电荷和负电荷，是对电荷在物体上发生转移的现象及其所遵循规律的描述；而氧化还原反应实质描述的电荷就是电子，是对电子在氧化还原反应中发生转移的现象及其所遵循规律的描述。

（3）所描述的电荷转移媒介不同。电荷守恒定律中电荷发生转移的媒介为物体；而氧化还原反应中电子发生转移的媒介为微粒（包括原子和离子）。

2.3 电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的联系

原子是构成物质的最小单元，从原子结构知识可知，原子是由原子核和核外电子构成，原子核中的质子和核外电子所带的电荷数量相等符号相反，所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。要产生电荷守恒定律中所描述的正负电荷和发生电荷转移，其前提条件是必须要使构成物体的物质的部分或全部原子发生电子转移，即只有发生电子转移才会产生电荷和电荷转移。而构成物体的物质的部分或全部原子发生电子定向转移，则必然会发生“电荷从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分”的宏观现象。同样，通过运用原子结构知识以及与电荷在物体上的转移进行对比分析很容易理解，氧化还原反应实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生的转移，且电子在转移的过程中遵守电荷守恒。

3 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的系统整合

知识需要不断地整合，产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，实现知识整体化，从而形成完整的知识体系[4]。高中各门课程作为学校所开设课程体系这个大系统中的子系统，它们之间必然有着密切的联系[5]。物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的自然科学，其特征是研究分子和创造分子。物理学与化学的关系是唇齿相依、息息相关的，无论是从宏观上还是从微观上都是相辅相成、共同发展的[6]。对物理知识与化学知识进行系统整合包括在学科之间不同层次上的纵向整合和同一层次上的横向整合。而对物理与化学的基础知识进行整合是进行学科知识整合的基础，是学生认知结构进行重组的关键，是帮助学生对物理与化学知识进行系统整合的重点[7]。在物理教学中，我们理应在讲解电荷守恒定律时，引导学生将电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律与电子在微粒上发生转移（氧化还原反应实质）的这一微观现象及其所遵循规律进行对比分析，注重引导学生运用氧化还原反应实质来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。在化学教学中，我们理应在讲解氧化还原反应时，引导学生将电子在微粒上发生转移的这一微观现象及其所遵循规律与电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律进行对比分析，并注重引导学生运用电荷守恒定律来理解和掌握氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。通过物理和化学两门学科的教学，帮助学生从不同学科视角来理解和掌握电荷转移知识，通过对电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析和系统整合帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。

4 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合对教学的启示

总之，知识的生成和发展过程已经由知识的分化占主导地位转变为知识的整合占主导地位，自然科学也在分科越来越细致、更加具体化的基础上正逐渐走向统一与整合[8]。物理和化学作为自然科学中联系最为紧密的两门学科，其相互交叉和融合程度也必然越来越高。通过对电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合，必然会产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，通过系统的整体涌现实现“整体大于部分之和”的效果。在指导学生对电荷守恒定律与氧化还原反应实质进行对比分析与系统整合的基础上，力求对各学科中的相关知识进行系统整合而形成完整的知识，进而对各学科知识体系进行系统整合而形成完整的知识体系，有利于帮助学生构建起符合素质教育要求的知识体系，有利于帮助学生不断提高综合应用知识的能力。

参考文献：

[1][2]张大昌，张维善.物理选修3-1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010：4.

[3]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：35～37.

[4]李喜先等.知识系统论[M].北京：科学出版社，2011：123.

[5]陈伟，谢铁丽.系统学习法的学习方法指导――基于系统论的学习方法指导[J].学园（教育科研），2012，（11）：93～94.

电荷及其守恒定律例2

人民教育出版社《教师教学用书》对这节课的教学目标表述如下：

（1） 知道自然界存在两种电荷，并且只存在两种电荷. 知道同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引.

（2） 经历摩擦起电和感应起电的实验过程，了解使物体带电的方法，能从物质微观结构的角度认识物体带电的本质.

（3） 理解电荷守恒定律.

以上加点的词，对我们正确理解和把握本节课的教学重点和难点有着明确的指导意义.

对于两种电荷之间相互作用的特点，是初中阶段已经掌握的知识，可以从复习巩固的层面上让学生了解，再加上原子结构的基础知识，这就构成了下一步从微观角度认识摩擦起电和感应起电两个典型实验现象的理论依据. 简单地说，教师只需要唤醒学生的回忆，将结论告诉学生，课堂上不建议对这些结论加以推理或证明.

高中侧重从物质微观结构的角度认识物体带电的本质. 对于“摩擦起电”和“感应起电”两个演示实验，强调的是要通过经历实验过程，从而达到了解和认识物体带电本质的教学目的. 所以这些演示实验必须做，最好是让学生亲自完成，而且要力求现象明显有说服力，同时结合物质的微观结构和电荷的相互作用规律来解释物体的带电机理，而实验结论的分析过程，还有一个重要的隐形目的，是为下面正确理解电荷守恒定律铺设台阶.

对电荷守恒定律的教学要求最高，是理解层次，但如何使学生达到理解呢？关键在于对这节课的教材处理是否恰当. 笔者认为立足于实验，在实验探究中生成是一个较好的策略.

二、 设计教学流程（部分）

1. 复习引入

根据课桌上提供的器材（小烧杯、灯泡、木制米尺、吸管、塑料保鲜袋），如图1所示，让学生尝试，如何能不接触但使支起的米尺转动？

学生实验1：用小烧杯、灯泡做成支架（利用灯泡是因为接触处光滑、阻力小），放上木制米尺使之平衡，先用塑料吸管靠近米尺一端；然后用塑料保鲜袋摩擦后的吸管靠近米尺一端，观察米尺的转动情况，如图2所示.

实验分析：相互作用力不是万有引力，这个作用力应该是和摩擦有关系的.

猜测：摩擦起电.

今天开始我们要学习与电有关的知识，回顾电荷间相互作用的规律：自然界存在两种电荷；带电体能吸引轻小物体；同种电荷相排斥，异种电荷相吸引. 这是分析下面几个实验的依据（理论基础）.

2. 实验探究

学生实验2：摩擦起电使验电器张开；（玻棒摩擦丝绸、橡胶棒摩擦毛皮）

提出问题：探究一、摩擦为什么能生电？

从物质的微观结构入手，首先复习物质的微观结构，原子原子核质子（正）中子电子（负）

实验结果论证：玻棒失去电子带正电、丝绸得到电子带负电；橡胶棒得到电子带负电、毛皮失去电子带正电.

实验结论：摩擦起电是因为电子的转移（多媒体模拟其转移过程）

演示实验感应起电（用静电计代替验电器来显示带电情况）

探究二、没有与带电体接触的静电计为何指针发生偏转？

金属微观结构再分析：

金属原子原子核（几乎不动）电子（可自由移动）

实验结果论证：电荷重心偏移，使两端显电性，所以指针偏转.

思考：移去起感电荷，静电计指针偏转情况会如何？

移去起感电荷，是否能让静电计指针依然偏转？

枕形导体的A、B两部分再次接触，指针会发生什么现象？

实验验证猜想：移去起感电荷，静电计指针不偏转；将枕形导体的A、B两部分分开，静电计指针依然偏转，再移去起感电荷，偏角减小；枕形导体的A、B两部分再次接触，指针还原.

实验结论：感应起电是因为电子的重新分布（多媒体模拟其移动过程）

3. 电荷守恒定律

对以上实验结论的分析，用不完全归纳法，得到电荷守恒定律如下：

电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变.

为了帮助学生理解定律，可以先设计以下三个问题：

①电中性的物体有无电荷存在？

②所谓“电荷的中和”是不是正、负电荷一起消失了？

③对于“电荷的总量保持不变”中的“电荷的总量”你是怎么理解的？（对“总量保持不变”的理解：可以是正电荷总数不变；负电荷总数不变；或正、负电荷总数不变）

但随着科学技术的发展，许多新的科学事实被不断发现，例如：一对正、负电子相遇和湮灭，转化为光子，而光子又不带电. 这就与电荷守恒定律相违背. 所以它又有了新的表述形式：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变.

电荷及其守恒定律例3

在解题时衍生为质量守恒；同一元素的微粒数守恒，称原子或离子守恒.

1.质量守恒

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，这个规律就是质量守恒定律.依据该定律，经常采用以下等量关系：反应物的质量之和等于产物的质量之和，反应物减少的总质量等于产物增加的总质量.

例1质量为ag的丁烷，在高温下按以下两种方式发生了裂化：①C4H10C2H6+C2H4，②C4H10CH4+C3H6.求其完全裂化后，所得混合气体对氢气的相对密度为（）.

A.29 B.14.5 C.7 D.无法确定

解析：根据质量守恒定律，无论按①还是②丁烷裂化，1摩尔丁烷只能裂化为两摩尔的混合气体，故两摩尔的混合气体的质量和1摩尔的丁烷的质量相等，因此丁烷裂化后生成的混合气体的平均摩尔质量为58/2=29g/mol，所以混合气体相对于氢气的密度为29/2=14.5.答案为B.题中所给的丁烷的质量ag是一个干扰条件.

2.同一元素的微粒数守恒

质量守恒的实质是在化学反应过程中原子重新组合的过程，因此在反应过程中某种元素的原子在反应前后保持原子的质量守恒，即原子的物质的量守恒.

例2用1L1.0mol/L的NaOH溶液吸收0.8molCO2，所得溶液中的CO2-3和HCO-3的物质的量浓度之比是（）.

A.1∶3B.2∶1C.2∶3D.3∶2

解析：设反应生成的Na2CO3的物质的量为xmol，生成的NaHCO3的物质的量为ymol，根据Na+守恒可得：2x+y=1.0mol/L×1L；根据C原子守恒可得：x+y=0.8mol，联立两个方程式可求出x=0.2mol，y=0.6mol，则CO2-3、HCO-3 物质的量浓度之比为1∶3 .答案为A .

二、电荷守恒关系

在解题时又衍生为电子守恒，电荷守恒.

1.电子守恒

在氧化还原反应中，氧化剂得电子总数必等于还原剂所失去的电子总数.

例324ml浓度为0.05mol/L的Na2SO3溶液，恰好与20ml浓度为0.02mol/L的K2Cr2O7溶液完全反应，则元素Cr在被还原的产物中的化合价是（）.

A.+6B.+3C.+2D.0

解析：Na2SO3的物质的量=24×10-3L×0.05mol/L=1.2×10-3mol，K2Cr2O7的物质的量=20×10-3L×0.02mol/L=0.4×10-3mol，Na2SO3和K2Cr2O7的物质的量之比为3∶1.Na2SO3中的S原子失电子被氧化，化合价从+4价升高到+6价，失电子总数为：3×（6-4）；K2Cr2O7中的Cr原子得电子被还原，得电子总数为：2×（6-x）；根据电子守恒：3×（6-4）=2×（6-x），解得x=3.答案为B.

2.电荷守恒

离子的电荷是原子得失电子的标志，因此，电荷守恒与电子守恒是等价的.在电解质溶液中，电解质电离的阴、阳离子所带正、负电荷总数相等.阴离子的物质的量×阴离子的电荷数=阳离子的物质的量×阳离子的电荷数.

例4将Fe和Fe2O3的混合物2.27克，加入到50ml1.6mol/L的盐酸中，恰好能完全溶解，所得溶液经KSCN检验，溶液不显红色，若忽略溶液体积变化，所得溶液中Fe2+的物质的量浓度是（）.

A.0.3mol/LB.04mol/LC.0.8mol/LD.1.6mol/L

解析：溶液中阳离子只有Fe2+（不考虑水的电离，且为加入KSCN溶液前），阴离子只有Cl-.由电荷守恒得：Fe2+的物质的量×2= Cl-的物质的量×1，又因为同一溶液中，溶液体积相同，则[Fe2+]=1/2×1.6mol/L，故答案为C.

此题用常规方法解题需写出三个方程式，列二元一次方程组，非常耗时，难于计算.

电荷及其守恒定律例4

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2012）07-050-01

化学反应的实质是化学键的破旧立新过程，一切化学反应均遵循质量守恒定律。凡是涉及到物质的量方面的计算，一般都可找到相应的守恒关系，都可应用守恒关系求解。运用“守恒法”解题，只要抓住变化中的某一特定的量，根据“守恒原理”建立相应的代数方程，即可一次求解。守恒法常见的类型有：质量守恒、电荷守恒、得失电子守恒等。涉及物质、化学反应和化学反应方程式等繁多的内容。若改变一点一滴只见树叶不见树干式的学习方式，让其内容呈现出合理的结构状态，就可以产生出积极的整体效应。

一、 质量守恒

宏观表现：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之和。

微观表现：变化前后同种元素的原子个数守恒。

例1、在臭氧发生器中装入100mLO2,经反应3O22O3，最后气体变为95mL（体积在标准状况下测定），则反应后混合气体的密度为多少？

解析:根据质量守恒定律：反应前后容器中缸体的质量不变，等于反应前100毫升氧气的质量，则反应后混合气体的密度为0.1L／22.4L．mol-1 ×32g．mol-1／0.095L ＝1.5g.mol-1

例2、0.1 mol某烃在20L(标况)过量O2中完全燃烧后，将生成的混合气体与足量的Na2O2反应增重15g，剩余气体为14.4 L(标况)，则该烃为( )

A．C2H6B．C3H6C．C4H8D．C5H10

解析：0.1 mol烃和20L O2的质量中有15g进入固体，根据质量守恒定律有：0.1 mol・M(烃) g・mol-1+20 L/22.4 L・mol-1×32 g・mol-1 = 15g +14.4 L/22.4 L・mol-1×32 g・mol-1解得：M(烃)=70 g・mol-1

例3：将一定量的Fe和Fe2O3的混合物放入2mol.L-1的HNO3溶液25mL中，反应完全后，无固体剩余，生成224mLNO气体(标准状况下)，再向反应后的溶液中加入1mol.L-1的NaOH溶液，要使铁元素全部深沉下来，要加NaOH溶液的体积最少是多少？

解析：由守恒可知，要使铁元素全部深沉下来，所得溶液为NaNO3，根据氮元素守恒可知:n(NO3-)=n(Na＋)=2×0.025-224／22400=0.04mol，所以需要NaOH溶液的体积为:0.04／1=0.04L

例4：铜和镁的合金4.6g完全溶于浓硝酸，若反应中硝酸被还原只产生4480mL的NO2气体和336mL N2O4气体(折算成标准状况)，在反应后的溶液中，加入足量的NaOH溶液，生成沉淀的质量为多少？

解析：因为金属都是+2价，可推知每摩尔金属还原得2 molNO2.所以两金属总的物质的量为(4480+336×2)／44800=0.115 mol，两种氢氧化物的总质量可用于金属质量加上氢氧根离子质量来计算：4.6g+0.115 mol×2×17 g.mol-1=8.51g

二、 电荷守恒

1、在电解质溶液中，阴离子所带总负电荷数与阳离子所带总正电荷数必须相等。

2、在离子方程式中，反应物所带电荷总数与生成物所带电荷总数必须相等电性相同。

例5、1L混合溶液中含SO42-0.25 mol；Cl－0.5 mol; NO3-0.25 mol；Na+0.25 mol；其余为H+.则H+的物质的量浓度为多少？

解析：任何溶液都呈电中性,溶液中电荷守恒:

n(Na+)+n(H+)=n(SO42-)×2+n(Cl－)+n(NO3-)代入数据得n(H+)=1.0 mol故C(H+)=1.0 mol・L-1

例6、硫酸镁、硫酸铝两种物质组成的混合溶液100ml中，SO42-的物质的量浓度为0.20 mol・L-1，加入0.5 mol・L-1的NaOH溶液到生成的白色沉淀恰好不再溶解为止，消耗NaOH溶液的体积为100ml。过滤，在所得滤液中AlO2-的物质的量浓度为（忽略溶液混合体积的变化）

A． 0.025 mol・L-1B．0.05 mol・L-1C．0.10 mol・L-1 D．0.25 mol・L-1

解析：在溶液中存在着离子的电荷守恒和物料守恒，涉及到溶液（尤其是混合溶液）中离子的物质的量或物质的量浓度等问题可考虑电荷守恒法和物料守恒法；当加入NaOH溶液至白色沉淀不再溶解为止时，所得滤液中的溶质只有Na2SO4和NaAlO2，根据电荷守恒和物料守恒：

n(SO42-)= 0.1L×0.2 mol・L-1 =0.02mol

n(Na+)= n(NaOH)= 0.5 mol・L-1 ×0.1L =0.05mol

n(AlO2-)=(0.05-0.02×2)mol= 0.01 mol

电荷及其守恒定律例5

【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）12-0139-01

“守恒”法是最重要的化学学科思想之一，也是高中化学中十分重要的解题方法之一，具有直观性与快速性的特点，是解答偏题与难题的一大捷径，也是近年来高考重点考查的内容，更是高中生在化学学习当中必须要掌握的一种能力。守恒法作为解决化学题的金钥匙，通过综合分析，挖掘反应体系的守恒要素，建立等式关系，达到速解、巧解的目的。笔者在教学过程中发现，有很多同学在解题过程中想到了用守恒法去解题，但往往不能够灵活运用或运用不当，没有充分挖掘题设条件中的守恒关系，导致错解。那么如何在解题过程中灵活运用守恒思想，达到简化解题过程，取得事半功倍的效果呢？笔者根据自己的教学体会，以一些具体的实例，来谈谈这方面的问题。笔者认为，高中化学中的“守恒”主要表现在以下三个方面，现分别加以叙述：

（一） 质量守恒

参加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，这个规律就是质量守恒定律。在中学化学中，质量守恒的规律有很多表现形式和应用，如溶液的稀释或浓缩时溶质的量守恒，物质及其变化过程中的元素守恒等。

（二）电子守恒法

（三）电荷守恒法

电荷守恒是指在溶液中由于整个溶液不显电性，故所有阳离子所带电荷总数等于阴离子所带的电荷总数。

综上所述，学生在解答这类问题的过程中要充分调用各种知识，透过表面现象，抓住守恒要素的实质，这也有利于学生化学素养的培养与提高，而这正是当前素质教育的关键所在。

参考文献：

电荷及其守恒定律例6

在电解质溶液中，不论存在多少种离子，但溶液总是呈电中性，即所有阴离子所带负电荷总数一定等于所有阳离子所带正电荷的总数，这就是所谓的电荷守恒的规律。

例如.在Na2CO3溶液中，阳离子有Na+、H+，阴离子有OH-、CO32-、HCO3-，分子有H2CO3（水分子可不考虑），则由“电荷守恒”有：

[Na+]+[H+]=[OH-]+[HCO3-]+2[CO32-]

二、物料守恒

所谓物料守恒，就是某一组分的原始浓度应该等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和。也就是说，在电解质溶于水时，电离所产生的离子往往能发生反应，如水解反应和配合反应等。反应前离子中所含某元素的原子总数等于反应后溶液中的离子、分子中所含该元素的原子个数的总和。

例如在Na2CO3溶液中，H+和OH-都由H2O电离而来的，故H+和OH-二者的总量应相等，这里OH-全是游离存在的，而H+由于水解的原因有三种存在形式：H+，HCO3-，N2CO3，所以根据“物料守恒”，有：

[OH-]=[H+]+[HCO3-]+2[N2CO3]

又如在K2S溶液中S2-，HS-都能水解；故S元素以S2-，HS-，H2S三种形式存在，它们之间有如下守恒关系：

[K+]=2[S2-]+2[HS-]+2[H2S]

掌握上述“两个守恒”，灵活运用几个关系式，则比较溶液中多种微粒浓度的题便迎刃而解了，下面举两例加以说明：

例1.在物质的量浓度均为0.01mol/L的CH3COOH和CH3COONa混合溶液中，测得[CH3COO-]>[Na+]，则下列关系式正确的是（ ）（上海市高考题）。

A.[H+]>[OH-] B.[H+]

C.[CH3COOH]>[CH3COO-]

D.[CH3COOH]+[CH3COO-]=0.02mol/L

解析：根据电荷守恒规律：

[Na+]+[H+]=[CH3COO-]+[OH-]

因为[CH3COO-]>[Na+]，所以[H+]>[OH-]，继而推断出CH3COOH的电离程度大于CH3COO-的水解程度，即就是CH3COOH的电离占主导地位，所以溶液中[CH3COO-]>[CH3COOH]。根据物料守恒规律，不管溶液中电离平衡和水解平衡如何移动，碳原子总是守恒的，故有

[CH3COOH]+[CH3COO-]=0.02mol/L。

答案：AD。

例2.某次酸雨的分析数据如下：

[NH4+]=2.0×10-5mol/L；[Cl-]=6.0×10-5mol/L；[Na+]=1.9×10-5mol/L；[NO3-]=2.3×10-5mol/L；[SO42-]=2.8×10-5mol/L，则此次酸雨的pH值大约为（ ）（95年江西省竞赛题）。

A.3 B.4 C.5 D.6

解析：依电荷守恒有下列关系式：

[NH4+]+[H+]+[Na+]=[Cl-]+[OH-]+[NO3-]+2[SO42-]

因溶液呈酸性，[H+]>[OH-]，故[OH-]在上式中忽略，然后将有关离子浓度代入上式得：[H+]=1.0×10-5mol/L，pH=4。

答案：B。

“两个守恒”的另一个应用是比较溶液中的离子浓度大小

（1）多元弱酸溶液

多元弱酸分步电离且一步比一步更难电离。

如H2CO3溶液中，c（H+）>c（HCO3-）>c（CO32-）。

（2）多元弱酸的正盐溶液：

多元弱酸的酸根离子分步水解且一步比一步更难水解。如K2S溶液中c（K+）>c（S2-）>c（OH-）>c（H+），

（3）不同溶液中同一离子浓度大小的比较：

要考虑溶液中其他离子的影响。如在相同物质的量浓度的下列溶液中①NH4Cl、②CH3COONH4、③NH4HSO4，C（NH4+）由大到小的顺序是：③>①>②。

（4）混合溶液中各离子浓度大小的比较：

要考虑溶液中发生的水解平衡、电离平衡等。如在0.1mol/L的NH4Cl溶液和0.1mol/L的氨水混合溶液中，各离子溶液由大到小的顺序是：c（NH4+）>c（Cl-）>c（OH-）>c（H+）。这是由于在该溶液中NH3・H2O的电离与NH4+的水解程度。

例3（2011・江苏高考）下列有关电解质溶液中微粒的物质的量浓度关系正确的是（ ）

A.c（Na+）>c（HCO32-）>c（CO32-）>c（H2CO3）

B.在0.1mol/L Na2CO3溶液中：c（OH-）-c（H+）=c（HCO3-）+2c（H2CO3）

C.在0.2mol/L NaHCO3溶液中加入等体积0.1mol/L NaOH溶液：c（CO32-）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）

D.常温下，CH3COONa和CH3COOH混合溶液[pH=7，=0.1mol/L]：=c（Na+）>c（CH3COO-）>c（CH3COOH）>c（H+）>c（OH-）

【解析】本题考查溶液中离子浓度大小的比较，意在考查考生灵活运用电荷守恒、物料守恒和质子守恒的能力。A项，HCO3-水解程度大于电离程度，c（H2CO3）>c（CO32-），不正确；C项，反应后生成浓度比为1：1的Na2CO3和NaHCO3溶液，此溶液中CO32-水解程度大于HCO3-的电离程度，故应该是c（HCO3-）>c（CO32-），故不正确。

例4.（2010・广东高考）HA为酸性略强于醋酸的一元弱酸。在0.1mol/L NaA溶液中，离子浓度关系正确的是（ ）

A.c（Na+）>c（A-）>c（H+）>c（OH-）

B.c（Na+）>c（OH-）>c（A-）>c（H+）

C.c（Na+）+c（OH-）=c（A-）+c（H+）

D.c（Na+）+c（H+）=c（A-）+c（OH-）

解析：HA为一元弱酸，则为强碱弱酸盐，溶液由于的水解显碱性，离子溶液大小为：c（Na+）>c（A-）>c（OH-）>c（H+），A项错误，B项错误；根据溶液中电荷守恒，则c（Na+）+c（H+）=c（A-）+c（OH-），C项错误，D项正确。

答案：D

例5.（2010・上海高考）下列溶液中微粒浓度关系一定正确的是（ ）

A.氨水与氯化铵的pH=7的混合溶液中：[Cl]>[NH4+]

B.pH=2的一元酸和pH=12的一元强碱等体积混合：[OH-]=[H+]

C.0.1mol/L的硫酸铵溶液中：[NH4+]>[SO42-]>[H+]

D.0.1mol/L的硫酸钠溶液中：[OH-]=[H+]+[HS-]+[H2S]

解析：氨水与氯化铵混合溶液的pH=7，则[H+]=[OH-]，根据电荷守恒：[H+]+[NH4+]=[OH-]+[Cl-]，则[NH4+]=[Cl-]，A项错误；pH=2的一元酸和pH=12的一元强碱等体积混合，若一元酸为强酸，则二者恰好完全反应，溶液显中性，[H+]=[OH-]，若一元酸为弱酸，则一元酸过量，溶液显酸性，[H+]>[OH-]，B项错误；0.1mol/L的（NH4）2SO4溶液中由于NH4+水解，溶液显酸性，离子浓度大小为[NH4+]>[SO42-]>[H+]>[OH-]，C项正确；0.1mol/L的Na2S溶液中，根据电荷守恒：[Na+]+[H+]=2[S2-]+[HS-]+[OH-]…①，根据物料守恒：[Na+]=2（[S2-]+[HS-]+[H2S]）…②，将②代入①，消去[Na+]，则[H+]+[HS-]+2[H2S]=[OH-]，D项错误。

电荷及其守恒定律例7

在由赵凯华和陈熙谋编写的《电磁学》中，有一个这样的例子，

例1求一对垂直放置的电流元间的相互作用力，如图1，其中电流元1沿水平方向放置，电流元2沿竖直方向放置.由安培定律

dF21=μ04πI1・d1×（I2・d2×r21）r221

可以判断出：电流元1受到沿竖直向下的力，而电流元2没有受力.从这一结果看，这一对电流元受到的力的情况并不满足牛顿第三定律.难道牛顿第三定律是错误的吗？

通过阅读物理学史，我们发现，在牛顿生活的时代，物理学家们研究的相互作用都是沿着存在相互作用的两个物体的连线方向上，而且这两个物体运动的速度都处于常速范围内.在这个背景下，牛顿发现了牛顿第三定律.牛顿运动定律是建立在绝对时空观和超距作用的基础上的.所谓绝对时空观，就是空间和时间与物质及其运动无关，它们彼此也不相关，而一切物理过程都用相对于它们的空间坐标和时间坐标来描述.超距作用是指分离物体间不需要任何介质，也不需要时间来传递它们之间的相互作用，也就是说相互作用以无穷大的速度传递.

在相当长的一段时间内，牛顿力学的思想统治了整个物理学，直到19世纪，物理学界发现了电和磁之间的关系，建立了电场、磁场的概念.在麦克斯韦建立了系统的电磁场理论后，证实了，电磁作用是通过电磁场以光速c=3×108 m/s来传递的，超距作用被否定.同时，物理学家发现：运动的电荷在磁场中受到洛伦兹力，并且运动的电荷仍能激发出磁场，这个磁场又将作用于另外一个运动电荷，因此，这两个运动电荷之间也存在相互作用.那么，两个运动电荷之间的电磁作用力满足牛顿第三定律吗？由于运动电荷之间的库仑力是满足牛顿第三定律的，因此，我们仅来讨论物体在磁场中的受力的情况.

1运动电荷间的相互作用力是否满足牛顿第三定律

例2如图2，一个带正电的电荷A，以速度A水平向右运动，在它的正右方，有一个同样带正电的电荷B，以速度B竖直向上运动.由安培定律判断得出：A受到一个竖直向下的力A，但是，B不受力.在这个例子中，FA≠FB，很明显牛顿第三定律不成立.但是所有的运动电荷间的相互作用力都不满足牛顿第三定律吗？

一些文章认为：“电荷A受到由电荷B激发的磁场所施加的作用力，同理，B受到由A激发出的磁场所施加的作用力，这两个力根本就不是一对相互作用力，因此判定两个运动电荷之间作用力不满足牛顿第三定律”.我认为这种想法太片面，因为电荷之间的相互作用是通过电荷激发的电磁场来实现的，因此在研究电磁场中作用力问题时，应该把电荷和它所激发的场作为一个研究对象.因此，可以通过间接研究两个电荷受到的力是否等大、反向，来判断牛顿第三定律是否适用！

1.1运用动量守恒定律定量分析

我们知道运动电荷产生的磁场随时间变化，从而激发涡旋电场.当我们只考虑磁相互作用时，有

对于图2所示例子，我们可以看出并不满足以上条件，所以运动电荷之间的相互作用力不满足牛顿第三定律.

1.2定性分析

如果把两个运动电荷和它们激发的场看做一个系统的话，这是一个封闭的系统，系统总动量守恒.但是，由于电磁场也是一种物质，具有动量和角动量，在非恒定情况下，它的动量和角动量会随时间变化，而且它可以和运动电荷交换动量和角动量，因此，两个电荷之间的总动量发生变化，两个电荷动量变化量的大小不等，从而作用力不满足牛顿第三定律.但是运动电荷和磁场在一起的总的动量和角动量是守恒的.

从以上分析我们可以得出结论：运动电荷之间的相互作用力，不满足牛顿第三定律.

2电流间的相互作用力满足牛顿第三定律吗？

我们知道在电磁场中的基本研究对象除了运动电荷外还有电流，那么两个电流之间的相互作用力满足牛顿第三定律吗？

由于电流的基本单位是电流元，所以我们首先来研究一下电流元的受力情况.对于文章开头的例1，两个电流元是稳恒电流元，但是稳恒电流的电场线是无头无尾的闭合曲线，因此载有稳恒电流元的电路必须是闭合的，可见孤立的稳恒电流元并不存在.所以研究稳恒状态下孤立的电流元之间的作用力是否满足牛顿第三定律没有意义.因此我们在讨论稳恒电流之间相互作用力时，不用通过研究电流元的情况来讨论.

2.1定量分析

我们知道常见的电流包括：闭合稳恒电流、非稳恒电流和非稳恒回路电流.对于闭合稳恒电流来说，对于两个闭合载流回路L1和L2，计算它们之间的相互作用力，需要将安培定律沿着两个闭合回路进行积分：

由于r012=-r021，所以F12=-F21，由此可见两个闭合稳恒电流间的相互作用力满足牛顿第三定律.

2.2定性分析

因为两个电流和它们激发的电磁场组成的系统动量守恒.因为稳恒电流所激发的电磁场是稳恒的，因此电磁场的动量不改变，但是电磁场仍参与和两个电流交换动量，因此，两个电流的总动量不改变.所以，两个电流的动量变化量大小相等，方向相反，其相互作用力大小相等，方向相反，满足牛顿第三定律.

电荷及其守恒定律例8

G634.8

自然界中存在各种守恒关系，在我们中学化学中主要有质量守恒、电荷守恒、能量守恒等。三大守恒定律对于化学方程式的书写有很大的指导意义。在化学学习中要学会加以运用。

一、质量守恒与化学方程式

质量守恒定律是自然界的基本定律之一，也是中学化学的一条基本定律，我们必须认真学习。我们须注意以下两点：①化学方程式在应用中必须配平，否则可能会出现应用中的错误；②反应物之间是按比例进行反应的，这是由方程式中的量可以体现的，虽然并不一定完全与题目一致。所以要考虑到过量问题，查看哪些量是不足的。质量守恒直接反映了化学反应中量的变化关系，具有重要意义。自然界中物质各种变化，都会存在质量关系的变化，质量守恒定律具有不可忽视的意义。应当指出，在核素变化中同样遵循质量守恒。不管是人工的还是天然的，在发生核变化时，前后质量仍会保持一致。

二、能量守恒与化学方程式

自然界中存在各种形式的能量，各种类型的可以互相转换。化学能可以转化为其它能量，其他的也可以转化为化学能。转换途径很多，中学化学里的热能和电能转化就是这样的一种方式。任何化学反应，都会有热效应产生，要么吸收热，要么放出热。从实质上讲，化学反应中反应物的部分所有能量与产物所有能量相同。化学键的断裂要吸收热能，生成物中化学键的形成要释放热能。在化学反应中的放热与吸热的差值，就是该反应的反应热。反应热的多少、正负取决于键能的形成与破坏中热值的变化。因此，热化学反应方程式就会展示键能的变化，也会体现转换过程中的能量守恒关系。因此，根据能量关系，可以进行有关一系列的计算。

三、电荷守恒和化学反应方程式

对氧化还原反应，必然存在电子转移和电荷变化。无论是氧化剂、还原剂，都会有化合价的变化。反应的参加者，有可能以离子形式出现，电荷守恒关系在这时候就会派上用处。在配平化学方程式的过程中，要注意氧化还原的变化，尤其是氧化剂和还原剂的变化。在没有差错的情况下，最终离子方程式中电荷量不会有差错，在练习中必须要进行检验，防止大意。这里要注意区分化合价变化与电荷守恒关系，氧化还原剂与电子得失关系。前者是指反应物与生成物之间的关系，后者是氧化剂与还原剂的关系；前者的价态变化包括氧化剂、还原剂及它们的产物；后者的电子转移可以是复分解反应中发生。

四、应用

（一）质量守恒

例 1. 在反应 A + B C + D 中，A 与 B 参加反应的质量比为 4：3，生成的 C 和 D 的质量和为 2.8 g，则参加反应的 B 的质量为 （ ）

A.0.3 g B.0.9 g C.1.2 g D.1.6 g

反应前后质量守恒，C+D=2.8g，反应的B为0.9g。

例 2. 某化合物R在足量的氧气中燃烧，产物只有二氧化碳和水，下列说法正确的是 （ ）

A.R 中一定含碳氢，可能含有氧元素

B.R 中只含有碳氢元素

C.R 一定含碳氢氧三种

D.R 中可能含有碳氢氧三种中的两中

根据质量守恒，应该是A：一定有碳氢，可能有氧。

例 3. 一个密闭容器内，有 A，B，C，D 四种物质。一定条件下充分反应，测得反应前后各质量如下：

则正确的说法是 （ ）

A.参加反应的 A 和 C 的质量比为 1：9

B.容器中发生的化学反应，属于分解反应

C.B 和 D 的相对分子质量比一定为 10：9

D.反应后，待测 A 的质量为 8g

未知应该为0，反应A为4g，C为36，二者之比为1：9。B选项无法确定。C相对分子质量没有给出。D反应后A为0，全部参加反应。

（二）能量守恒

能量守恒考察的手段主要是热化学方程式。一方面是书写，一方面是能量变化。书写的时候要密切注意物质的状态，气液固三种状态一定要确定好。能量的变化H为“+”或“-”与反应的前后书写顺序有关；最后要注意H的大小与反应物或生成物的关系。除了基本知识的考察，盖斯定律也会是考点。

例：己知甲醇和甲醛的燃烧热分别为-726.64KJ/mol及一563.58KJ/mol，求反应CH3OH（l）+O2（g）=HCHO（g）+H2O（l）的反应热

解：HCHO（g）+ O2（g）= CO2（g）+ H2O（l）；H= - 563.58KJ/mol

CH3OH （l）+ O2（g）= CO2（g）+2 H2O（g）；H= - 726.64KJ/mol

②-①=

CH3OH（l）+O2（g）=HCHO（g）+H2O（l）；H= - 163.06KJ/mol

（三）荷守恒

方程式2KMnO4+5KNO2十3H2SO4=2MnSO4十K2SO4+5KNO3+3H2O可以写出离子方程式：

2MnO4-+5NO2-+6H+=2Mn2++5NO3-+3H2O

根据电荷守恒：左边：-1；右边：-1.与H2SO4中的H+有关。电子得失与H2SO4没有关系。

五、结语

综上所述，与化学方程式有关的化学计算题型很多，正确的书写配平化学方程式是解答问题的基础。在较为复杂的化学反应中涉及的方程式较复杂，一定要重视化学方程式。运用各种守恒法到化学计算中，可以帮助同学们明确解题思路，进而提高解题准确性。同学们一定要对解题方法加以总结积累，并认真分析。掌握守恒定律的解题方法，提高解题能力.

参考文献：

电荷及其守恒定律例9

学科知识、学科能力以及学科思想是学科体系的3个要素，而学科思想是一个学科的灵魂。对于化学学科而言，学生需在化学学科思想的支配与指导下通过具体化学知识的学习、理解、掌握和运用，形成特有的化学学科能力。“化学守恒”是高中化学学科思想之一，学生“化学守恒”的思维水平影响着学生相关化学问题的解决。本研究旨在揭示不同学生群体“化学守恒”水平的具体差异以及初步探究形成差异的原因，以期能为今后的化学学科思想教学与研究作出有价值的参考。

1　研究设计与实施

1.1　研究设计

“化学守恒”作为一种化学学科思想，具有概括性和层次性等鲜明特点。在中学化学知识体系中，“化学守恒”的内涵在不同领域具有相当丰富的表现，而且学生对“化学守恒”思想的认识水平也是由低到高逐步发展起来的。为保证研究结果的全面性和准确性，本研究采用文献调研和专家访谈的方法，将“化学守恒”的内涵具体化和层次化，建立如表1所示的考查指标体系。

本研究针对高中生“化学守恒”思维水平考查指标体系，自行编制了“高中生‘化学守恒’思维水平测验题”。该测验题由单项选择题(1～8题)、填空题(9～11题)和计算题(12、13题)组成，试题满分100分，试题具体组成与分值见表2。

1.2　研究实施

本研究采取整群抽样的方法，选取了上海市某重点中学高二年级同一老师任教、教学进度相同的3个平行班的学生进行测试。测试于2011年4月进行，共发放测试卷93份，收回测试卷93份，其中有效测试卷89份，有效回收率为95.7％，有效测试卷的被试构成见表3。对学生答题情况进行分析与赋值后，所得数据采用SPSS 16.0进行统计分析。学优生，小于负的1个标准差的为学困生，其余均为中等生。

2　研究结果与分析

2.1　测试问卷的结构分析

2.1.1　试卷的效度与信度检验

为保证本研究的操作性工具(高中生“化学守恒”思维水平测验题)的质量与可靠性，首先选择了5名高二学生进行小范围测试，根据测试结果和学生反馈进行修改，再请化学学科教学论专家和经验丰富的高中化学教师进行审查方进人正式测试阶段，较好地保证了测试卷的效度。本研究所用测试卷的内在一致性系数a值为0.711，表明了该测试卷基本达到作为本研究测量工具的要求，具有一定的可靠性。

2.1.2　试卷的相关性分析

本研究拟用学生上学期2次大型考试(期中考试与期末考试)的化学成绩的平均分作为高中生“化学守恒”问题解决的效标，分析了2者之间的关系，其结果列于表4。

测试卷中涉及其他化学学习内容(如化学方程式、溶液酸碱性、化学计算)，而化学守恒及各二级指标中电量守恒、电子得失守恒等均与学生的化学学习成绩达到了显著相关水平，表明本测试卷具有一定的结构效度，可以通过测试成绩来判断学生化学守恒问题解决能力的强弱。

2.2　高中生“化学守恒”思维水平状况分析

2.2.1　测试成绩总体分布

图1是全部有效测试卷中各分数段人数统计，图2是各二级指标所对应试题的得分率。

由统计结果可知，大部分被试的得分集中在70～79这一分数段，成绩分布符合正态分布；最高分96分，最低分27分，平均分67.0分，及格率为68.5％；被试在电荷守恒题目上的得分率最高(0.764)，元素守恒和电子得失守恒题目的得分率相当(分别为0.673、0.687)，而能量守恒题目得分率最低(0.541)。

2.2.2　不同学生群体“化学守恒”问题解决表现差异

将被试成绩进行统计后发现：(1)全部有效被试中有53.9％的学生得分在60～79分之间，表明高中生化学守恒问题解决能力处于中等水平；(2)学优生中没有学生化学守恒问题解决能力处于较差水平，学困生中没有学生化学守恒问题解决能力处于优秀水平；(3)中等生中有19人化学守恒问题解决能力处于较差水平，这在很大程度上影响了整体化学守恒问题解决能力水平的分布。

2.2.2.1　不同学生群体电荷守恒问题解决表现差异

本研究将文献中的“化合价守恒”与“电荷守恒”统称为“电荷守恒”。化合价守恒是让学生根据“在化合物或混合物中正负电荷总和的绝对值相等”这一原则来推断不常见元素的化合价或常见元素的不常见化合价。测验结果显示，高二学生已经完全理解“化合价守恒”的内涵。

对于电荷守恒而言，92.1％的同学已经理解“离子方程式等号左右，反应物中各微粒所带电荷的总和等于生成物中各微粒所带电荷的总和”；但题目情景的复杂性增加，会使得学生很难找出解题依据，如62.8％的学生(主要为中等生和学困生)还需考虑弱电解质的电离情况而没有认识到“溶液中正负电荷代数和为零”。学优生在解决涉及电荷守恒的几道试题上正确率是比较高的，可推测学优生的知识结构完备，在解决问题时能够有效调动自己已有知识、顺利实现知识迁移从而正确解决问题。

2.2.2.2　不同学生群体元素守恒问题解决表现差异

元素守恒是“化学守恒”中最重要的部分，本研究在宏观和微观2层次上从定性和定量的角度来考查学生在元素守恒问题解决上的表现。

在考查学生设计实验验证“质量守恒定律”时发现，有15.7％的学生没有意识到验证“质量守恒定律”需要保证体系的密闭性；甚至有两名学困生还无法复述出质量守恒定律的确切内容，想当然认为“该反应有气体生成，质量增加”。进一步考查学生对元素守恒的理解发现，有14.6％的学生不从元素守恒的角度来分析化学反应，而根据已有知识确定“石蜡中仅有碳氢元素”。随后，测试卷设计一道以“化学平衡”为背景、利用质量守恒定律计算的选择题，绝大多数学生(91.0％)没有受到“化学平衡”的干扰，这表明了学生有关质量守恒简单定量计算掌握得较好。

测试卷中还设计3道综合题从宏观和微观2层次上考查学生对元素守恒的理解。以其中一道“工业上燃烧硫矿石生产硫酸”的计算题为例，89名被试中有74人在解题时候能够列出解题依据，其中48人直接根据硫元素守恒列出从FeS2到H2SO4的转化关系等式(一步守恒)，26人还需借助化学方程式或转化式才能列出从FeSz到H2SO4的转化关系等式(多步转化)。除15名被试无法列出解题依据(TM1)外，其余被试并不是均对该题作出正确解答，还有32人次在解题过程中出现其他错误致使无法正确解答，主要的错误有反应过程中的损耗关系没有厘清(TM2)、以“物质的量”为核心的计算体系与以“质量”为核心的计算体系没有统一(TM3)、单位换算出现错误(TM4)、多步转化中由FeS2到H2SO4之间量的关系错误(TM5)、计算错误(TM6)，各错误类型比例见图3。由图可见，“能否找出量的关系”、“能否厘清反应过程中量的关系”以及“能否正确使用‘物质的量’为核心的计算系统”是影响学生正确解答该题的关键因素。

2.2.2.3　不同学生群体电子守恒问题解决表现差异

本研究根据氧化还原反应中电子得失守恒规律设计了2道试题，一道是确定某氧化还原反应的还原产物中某元素的化合价(选择题)；另一道是利用电子得失守恒来配平化学方程式(填空题)。从测验结果来看，氧化还原配平题的得分率(0.878)远高于另一道试题(0.528)。通过分析上海市教育委员会教学研究室编写的《化学学科教学基本要求》(简称“基本要求”)和试后访谈，不难理解这一结果：氧化还原反应配平是上海化学高考必考题目，甚至在历年的高考化学试卷中处于同一位置，这导致教师在平时教学中格外重视“氧化还原反应”配平的教学，高考复习时更是给予学生大量练习；而基本要求中对氧化还原反应的量化计算没有作出相关要求，教师在平时的教学中并不重视。

2.2.2.4　不同学生群体能量守恒问题解决表现差异

能量观是中学化学学习的核心观念，能量观的构建有利于学生形成从能量的角度研究物质及其转化的思维方法。本研究设计了一道在饱和溶液中加入溶质来让学生判断能量变化的试题。大部分学生常常在从宏观向微观迁移时感到困难、倾向于用物质的宏观性质来解释微观性质，因而有46.1％的学生没有认识到“‘溶解’与‘结晶’同时发生，而且在这一过程中能量是不发生变化的”。再从宏观角度来考查学生对“热化学方程式”相关知识的掌握情况发现，47.1％的被试能够从能量的角度判断反应是吸热还是放热，但只有23.5％的被试在书写热化学方程时将热量符号表示正确。

由此可见，中学化学能量的教学还存在着很大问题：(1)教师在教学过程当中忽略从能量的角度来解释化学反应，而学生也无法正确理解化学反应中的能量变化，如有学生会将“吸热反应”与“加热反应”等同起来；(2)热化学方程式中的各符号均有特殊的含义，如能量数值前面的“+”或“－”表明该反应是放热或吸热，教师在教学过程中直接让学生强记符号的意思而不引导学生思考，以至学生不能正确认识化学符号的意义；(3)“热化学方程式书写”属于程序性知识，需要在整个高中化学教学过程中不断地去完善学习而不是在新课和复习时才予以重视，而新课程教学“突出学习的过程，注重探究性学习、自主学习”更需要在教学中将程序性知识教学作为首要目标。

3　研究结论

本研究结果表明：(1)高中生“化学守恒”思维水平处于中等水平，学生对“守恒”思想的运用仍处于机械应用水平，并没有理解其实质而灵活迁移；(2)高中生对“物质守恒”的理解明显优于对“能量守恒”的理解，这与学生在平时学习中没有建立起“从能量角度来分析化学变化”有关；(3)与简单的数学运算不同，化学中的量化计算均是在定性理解的基础上进行的，因而学生在解题过程中表现出定量计算能力较定性分析能力弱；(4)高考内容在一定程度上制约着高中化学教学的内容，这不仅不利于学生的全面发展，也会对学生既有知识的学习产生一定的负面影响；(5)在测试过程中还发现很多学生解题较不规范，部分学生的解题过程显得“杂乱无章”，这不仅直接影响了学生的得分，而且在一定程度上制约了学生的思维进程。导致上述问题产生的原因是多种多样的，而如何解决这些问题则需要更多化学教育界的同行在今后的教学与研究中，用更多的时间和精力致力于化学学科思想的教学研究，以强化对学生的学科思想教育，不断丰富化学教育理论和实践成果。

参考文献

[1]　刘永和.中学化学教学参考，2005，(7)：19－20

[2]　金洪源.学科学习困难的诊断与辅导.上海：上海教育出版社，2004：29－61

[3]　上海市教育委员会教学研究室.化学学科教学基本要求(试验本).上海：华东师范大学出版社，2005：88－90

电荷及其守恒定律例10

守恒法是一种中学化学典型的解题方法，它利用物质变化过程中某一特定的量固定不变来列式求解，可以免去一些复杂的数学计算，大大简化解题过程，提高解题速度和正确率。它的优点是用宏观的统揽全局的方式列式，不去探求某些细枝末节，直接抓住其中的特有守恒关系，快速建立计算式，巧妙地解答题目。

化学反应的实质是原子间重新组合，依据质量守恒定律在化学反应中存在一系列守恒现象，如：质量守恒、原子守恒、元素守恒、电荷守恒、电子得失守恒等，利用这些守恒关系解题的方法叫做守恒法。质量守恒就是化学反应前后各物质的质量总和不变，在配制或稀释溶液的过程中，溶质的质量不变。原子守恒即反应前后主要元素的原子的个数不变，物质的量保持不变。元素守恒即反应前后各元素种类不变，各元素原子个数不变，其物质的量、质量也不变。电荷守恒即对任一电中性的体系，如化合物、混合物、溶液、胶体等，电荷的代数和为零，即正电荷总数和负电荷总数相等。电子得失守恒是指在发生氧化还原反应时，氧化剂得到的电子数一定等于还原剂失去的电子数，无论是自发进行的氧化还原反应还是以后将要学习的原电池或电解池均如此。物料守恒是指电解质溶液中某一组分的原始浓度等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和，它实质上也是元素守恒。

1. 质量守恒

[例1] 在臭氧发生器中装入100mLO2 ，经反应3O2 2O3，最后气体体积变为95mL（体积均为标准状况下测定），则反应后混合气体的密度为多少？

[解析] 根据质量守恒定律反应前后容器中气体的质量不变，等于反应前100mLO2的质量。则反应后混合气体的密度为： （0.1L/22.4 L・mol -1 × 32g・mol -1）/0.095L = 1.5 g・L -1

2. 元素守恒

[例2] 将几种铁的氧化物的混合物加入100mL、7mol・L-1的盐酸中。氧化物恰好完全溶解，在所得的溶液中通入0.56L（标况）氯气时，恰好使溶液中的Fe2+完全转化为Fe3+，则该混合物中铁元素的质量分数为 （ ）

A. 72.4% B. 71.4% C. 79.0% D. 63.6%

[解析] 铁的氧化物中含Fe和O两种元素，由题意，反应后，HCl中的H全在水中，O元素全部转化为水中的O，由关系式：2HCl～H2O～O，得：n（O）=1/2×n（HCl）=1/2×0.7mol=

0.35mol，m（O）=0.35mol×16g・mol-1=5.6g；而铁最终全部转

化为FeCl3，n（Cl）=2n（Cl2）+n（HCl）=0.56L ÷22.4L/mol×2+0.7mol=

0.75mol，n（Fe）=1/3 × n（Cl）=1/3×0.75mol=0.25mol，m（Fe）=

0.25mol×56g・mol-1=14 g，则铁的质量分数为：14/（14+ 5.6）×100%=71.4% 。

3. 电荷守恒

[例3] 已知某H2SO4、FeSO4、Fe2（SO4）3的混合溶液100 mL，其中阳离子浓度相等，SO42-浓度为6 mol/L，则此溶液还可溶解铁粉的质量为 。

[解析] 根据溶液中电荷守恒得：c（H+）+2c（Fe2+）+3c（Fe3+）=2c（SO42-），又因为溶液中的阳离子浓度相等，所以阳离子的浓度均为2 mol/L.加入铁粉后，最终溶液中全部为FeSO4，即铁的总物质的量与硫酸根离子的物质的量相等，因此继续溶解的铁的物质的量为：6 mol/L×0.1 L-2 mol/L×0.1 L×2=0.2 mol，其质量为：0.2 mol×56 g/mol=11.2 g。

4. 得失电子守恒法

[例4] 将m mol的Cu2S跟足量稀HNO3反应，生成Cu（NO3）2、H2SO4、NO和H2O，则参加反应的HNO3中被还原的HNO3的物质的量是（ ）

A. 4m mol B. 10m mol C. 10m/3 mol D. 2m/3 mol

[解析] 由反应物、生成物可知：

失电子的为：Cu+（+1+2），失1 mol电子

（+6），失8 mol电子

得电子的为： （+5+2），得3 mol电子

根据得、失电子数相等，有：

1×2×m+8×m=3n（HNO3）还

n（HNO3）还=mol.

[答案]C

5.物料守恒

[例5] 0.1 mol/L NaHCO3（溶液）中有关粒子浓度（mol/L）的关系式，正确的是 （ ）

A.c（Na+）>c（HCO3-）>c（CO32-）>c（H+）>c（OH-）

B.c（Na+）+c（H+）=c（HCO3-）+c（CO32-）+c（OH-）

C.c（Na+）+c（H+）=c（HCO3-）+2c（CO32-）+c（OH-）