剖析化学中的平衡问题

化学中的平衡问题，是一类理化综合性题，它涉及到物理上的等臂杠杆，又涉及到化学中的化学反应。出题的意图是利用化学反应而引起的左右两端物质质量的变化，让学生分析平衡的变化，或者是有平衡的变化让学生分析物质质量的变化，从而来考查学生分析问题解决问题的能力，逻辑思维能力，理解能力和对基本化学知识的掌握情况。解决这一问题的关键是：要根据平衡找到两边物质质量变化关系；根据一边物质质量的变化推导出另一边物质质量的变化；要根据物质的反应情况推导出两边物质质量的变化情况，进而得出平衡情况；分析受力时，要考虑由反应引起的质量变化，进而引起的重力改变情况；由溶液中溶质的改变而引起的密度改变，进而引起浮力的变化情况；由两端浮力和重力的合力大小，分析杠杆平衡情况。学生解决这一问题常出错的原因：⑴有关的化学反应没有掌握好；⑵有一端质量变化不会推导另一端质量是如何变化的，不会找两端质量变化的联系；⑶没有考虑到左右两端能否完全反应，因此，导致两端质量变化分析有误；⑷审题不细心，考虑不全面，在解题过程中漏条件，导致分析错误。下面举例几种平衡问题的解题思路和方法。供大家参考：
　　
　　一、根据两边物质的质量找平衡关系
　　
　　例1、在天平的两个托盘上各放一只烧杯，烧杯中都盛有足量的盐酸，此时天平保持平衡。如果一边投入少许锌粒，另一端投入相同质量的铁粉，两者都完全溶解后，天平指针将﹙﹚
　　
　　A﹑偏向放锌的一边 B﹑不发生偏转 C﹑偏向放铁粉的一边 D﹑无法判断
　　
　　分析：两只烧杯中分别加入等质量的锌粒和铁粉，两边都会产生氢气，指针是否偏转，关键是看两边产生氢气的多少。产生氢气多的一边质量减少的多，产生氢气少的一边质量减小的少，由于等质量的锌粒和铁粉与盐酸反应，铁粉产生的氢气多，故这边减少的多，这边轻而加锌粒的一边重，指针偏向放锌粒的一边，答案选A
　　
　　答案：A
　　
　　二、根据平衡找到两边物质质量变化关系
　　
　　例2﹑在托盘天平的两个托盘上的烧杯里，放入含纯硫酸9﹒8g的稀硫酸100g，再向两个烧杯中放入一定质量的铁片和锌粒，通过计算回答。
　　
　　⑴为保持天平平衡，至少加入锌粒铁片的质量是多少？
　　
　　⑵如果反应后的酸有剩余，所加锌与铁的质量少于上述中的质量，天平能否平衡，若不平衡，天平指针偏向那边。
　　
　　分析：⑴本题是有平衡问题推导两边所加物质质量的问题，是上一题的逆向思维。根据题意要保持天平平衡，加入铁和锌的质量一定相等，且生成氢气的质量也要相等，故加入铁、锌的质量相等且把酸反应完，酸反应完了产生的氢气也相等。⑵如果酸有剩余，加入锌铁的质量相等，且少于上述质量，则锌、铁完全反应，由于铁的相对原子质量小，产生的氢气多，结果铁一端就变轻，指针偏向锌。
　　
　　解：⑴设使9﹒8克硫酸完全反应需要锌的质量为x，需要铁的质量为y。
　　
　　Zn ﹢ H2SO4 ＝ ZnSO4 ﹢ H2↑
　　
　　65 98
　　
　　x 9.8克
　　
　　﹦ x﹦﹦6.5克
　　
　　Fe ﹢ H2SO4 ＝ FeSO4 ﹢ H2↑
　　
　　56 98
　　
　　y 9.8克
　　
　　﹦ y ﹦ ﹦5.6克
　　
　　答案：⑴至少应加锌粒和铁片的质量都是6.5克,才能使硫酸完全反应,生成等质量的氢气天平才会平衡。⑵天平指针偏向加锌的一边。
　　
　　三、根据一边物质质量的变化推导出另一边物质质量的变化
　　
　　例3﹑天平两边托盘内各放一只相同的烧杯，烧杯内各盛足量的盐酸，若烧杯甲中放入5.6克铁，在烧杯乙中加入一定量的碳酸钙，充分反应，天平两边仍平衡，则所加碳酸钙的质量为﹙﹚
　　
　　A﹑5.6克 B﹑5.4克 C﹑9.64克 D﹑10克
　　
　　分析：由题意知,酸足量,则加入固体都能完全反应,要想天平平衡,则两边纯增加质量必须相等,即:5.6克铁减去生成氢气的质量等于碳酸钙的质量减去生成二氧化碳的质量，通过这一等量关系求解碳酸钙的质量。
　　
　　解：设5.6克铁完全反应生成氢气的质量为x，向乙烧杯中加入碳酸钙的质量为y。
　　
　　Fe ﹢ 2HCl ＝ FeCl2 ﹢ H2↑
　　
　　56 2
　　
　　5.6克 x
　　
　　﹦ x ﹦ ﹦0.2克
　　
　　则甲烧杯纯增加质量为 5.6克－0.2克﹦5.4克
　　
　　CaCO3 ﹢ 2HCl ＝ CaCl2 ﹢ CO2↑ ﹢ H2O 纯增加质量
　　
　　100 44 100﹣44
　　
　　Y 5.4克
　　
　　﹦ y﹦≈9.64克
　　
　　答案：C
　　
　　四、由两端浮力和重力的合力大小，分析杠杆平衡情况
　　
　　例4﹑等臂杠杆AB两端各挂体积相等，质量相等的空心铜球和铁球，在水平位置平衡，将铜球铁球分别浸没在盛有硫酸铜溶液的烧杯中，则将发现（球体积变化忽略不计）﹙﹚。
　　
　　A﹑杠杆A端下倾 B﹑杠杆B端下倾
　　
　　C﹑杠杆仍在水平位置 D﹑杠杆先A端下倾，后B端下倾
　　
　　分析：该题不仅要考虑两边质量的变化情况，还要考虑两边重力和浮力的变化情况。由重力和浮力这对反方向力的大小决定了等臂杠杆的平衡情况。将铜球和铁球分别同时浸没在盛有硫酸铜溶液的烧杯中，铜球与硫酸铜溶液不反应，铜球重力不变，又因溶液密度不变，根据F浮﹦P液.g.V排可知,铜球受到的浮力不变,这时根据FA﹦G铜﹣F浮,FA不变,而铁球与硫酸铜液反应Fe﹢CuSO4＝Cu﹢FeSO4,反应生成硫酸亚铁溶液,同时有红色铜析出,附着在铁球上,铁球重力增大又因溶液的密度减小,使得铁球受到的浮力变小,所以FB增大,则杠杆B端下倾,故选B。
　　
　　答案：B