虚拟法在化学解题中的运用

虚拟法在化学解题中的运用

长汀一中  戴开腾

虚拟法就是在分析或解决问题时，根据需要和可能，虚拟出能方便解题的对象，并以此为中介，实现由条件向结论转化的思维方法。虚拟法在化学解题中有广泛的运用。

一、虚拟法在解化学平衡题中的运用

[例1] A、B、C、D为四种易溶物质，它们在稀溶液中建立如下平衡：

，当加水稀释时，平衡向          （填“正”或“逆”）反应方向移动，理由是       。

[解题思路] 可将水虚拟为容器，将A、B、C、D四种易溶物质虚拟为盛在“水—容器”中的气态物质。那么，加水稀释，“气体”的体积扩大，压强减小，根据勒夏特列原理，平衡向气体体积增大的方向移动，即上述平衡向逆反应方向移动。由此，可以得出结论：溶液稀释时，平衡向溶质粒子总数增大方向移动。

[参考答案] 逆；因为稀释后，单位体积内溶质的粒子总数（或总浓度）减小，根据勒夏特列原理，平衡向单位体积内溶质的粒子总数（或总浓度）增大的方向移动。

[例2] 在一定温度下，某容器内存在如下平衡（平衡A）：

，这是工业合成尿素的反应。如果将容器的容积缩小为原来的 ，则达平衡时（平衡B），下列说法一定正确的是（    ）

A、气体的平均式量比原来大         B、气体平均式量比原来小

C、气体的平均式量与原来相等           D、依据题给条件无法确定

[解题思路] 容器容积缩小，反应向气体压强增大，即合成尿素[CO(NH₂)₂]的正反应方向移动，由反应方程式可知，气体物质的量每减少2mol，就有60g尿素生成——固体质量增加60g，气体质量减少60g。那么，可将平衡向右移动的结果虚拟为30g·mol^-1的气体从反应容器中移出。由于原混合气体平均式量 （A）介于Mr(NH₃)、Mr(CO₂)、Mr(H₂O)中最大者（44）与最小者（17）之间，故有以下讨论：（1）若 （A）＞30，则移走Mr=30的气体后，剩余气体平均式量增大，故有 （B）＞ （A）；（2）若 （A）=30，则 （B）= （A）；（3）若 （A）＜30，则 （B）＜ （A）。因为原混合气体的平均式量在题设条件下无法确定，所以新平衡建立后气体平均式量数值的变化无法确定。

[参考答案] D

综观例1、例2的解题思路我们发现，在解化学平衡的有关题中，灵活运用虚拟法可使解题方便。另外，依据盖斯定律即殊途同归原理，我们在解有关化学平衡题时，当某反应由平衡状态（一）转化为平衡状态（二）时，经常会虚拟中间状态（三），即状态（一）→状态（三）→状态（二），从而使问题更易解决。

二、虚拟法在解化学计算题中的运用

1、虚拟反应过程

[例3] 将11.6克CO₂和H₂O(g)的混合气体通入足量的Na₂O₂固体中，最后固体的质量增加了3.6克，则原混合气体的平均相对分子质量为      。

[解题思路]2Na₂O₂+2CO₂=2Na₂CO₃+O₂；2NaOH+2H₂O=4NaOH+O₂，由于Na₂O₂足量，所以CO₂和H₂O(g)完全反应。可是，通入气体，固体质量增加的同时有气体产生，这就给固体质量增加的计算带来不便。但是，通过观察化学方程式发现，当通入2molCO₂时生成了1molO₂，我们就可以将此过程虚拟为往Na₂O₂中通入了CO而得到Na₂CO₃；同理，我们可以将Na₂O₂与H₂O反应的过程虚拟为往过氧化钠中通入H₂，即：Na₂O₂+CO=Na₂CO₃；Na₂O₂+2H₂=2NaOH，依据质量守恒定律，CO的物质的量即为CO₂的物质的量，H₂的物质的量就是原来H₂O(g)的物质的量。

[解题过程] 设原混合物中CO₂的物质的量为x，H₂O(g)的物质的量为y，依题意有：

44x+18y=11.6……①

28x+2y=3.6……②

联立方程①、②解得：x=0.1(mol) y=0.4(mol)，混合气体总物质的量为0.5mol，混合气体平均摩尔质量 ，故混合气体平均相对分子质量为23.2

[参考答案] 23.2

2、虚拟反应物质的化学式

[例4] （2002年·全国卷）用足量的CO还原32.0g某种氧化物，将生成的气体通入足量澄清石灰水中，得到60g沉淀，则该氧化物是（    ）

A、FeO      B、Fe₂O₃     C、CuO      D、Cu₂O

[解题过程] 设所求氧化物的化学式为MxOy,M的相对原子质量为a

依题意可知：60g沉淀是CaCO₃，物质的量为0.6mol，所以，反应中生成CO₂为0.6mol

(xa+16y)g               ymol

32.0g                   0.6mol

 即3ax=112y.

讨论：①设M为Fe，即 a=56，则 ，选B

②设M为Cu，即a=64，不符合题意

[参考答案] B

另外，我们在解有关确定有机物分子式的计算时，也经常用虚拟法。如：虚拟烃的分子式为C_xH_y，烃的含氧衍生物的分子式为C_xH_yO_z等。

三、虚拟法在配平氧化还原反应方程式中的运用

氧化还原反应是贯穿整个中学化学的主线之一，是中学化学学习重点和难点，而氧化还原反应方程式的配平又是氧化还原反应学习的重点和难点。配平氧化还原反应方程式的常见方法有：（1）化合价升降法（2）待定系数法（3）逆向配平法等。

但是，在一些氧化还原方程式中，一些物质的化合价比较复杂，无法标出或判断这些元素的化合价，所以，无法用化合价升降法等配平。

[例5] Fe₃C+HNO₃－Fe(NO₃)₃+NO↑+CO₂↑+H₂O

[解题思路] 其中Fe₃C中Fe和C元素的化合价无法得知，难于用化合价升降法配平。这样可以采用虚拟法来配平，将Fe₃C中Fe和C的化合价均虚拟为零价。

化合价升4

化合价降3

所以，最小公倍数为13×3，则：

  3×13

配平为：

再用观察法配平未参加氧化还原反应的元素，27个HNO₃未参加氧化还原反应，HNO₃前面的系数再加27，最后，利用氢元素守恒可知H₂O的系数为20。

[参考答案] 3Fe₃C+40HNO₃=9Fe(NO₃)₃+13NO↑+3CO₂↑+20H₂O

[巩固练习]用虚拟法配平以下氧化还原反应方程式：

1、Fe₃P+HNO₃—Fe(NO₃)₃+NO↑+H₃PO₄+H₂O

2、FeS₂+HNO₃—Fe(NO₃)₃+H₂SO₄+NO↑+H₂O

四、虚拟法在化学定量实验误差分析中的运用

高中化学常见的定量实验有：（1）一定物质的量浓度溶液的配制（2）酸碱中和滴定（3）硫酸铜晶体水含量的测定（4）中和热的测定。在进行以上实验考查时，误差分析成为最常见题型之一。

[例6] 以下是某同学进行CuSO₄· nH₂O结晶水测定的实验时出现的情况，所测n值偏高的有（    ）

A、所称坩埚不干燥

B、晶体表面有水

C、晶体不纯（含有不挥发性杂质）

D、粉末没有完全变白就停止加热

E、加热时间过长，固体部分变黑

F、加热后在空气中冷却称量

G、加热过程中少量晶体溅出

H、最后两次称量相差0.12g

[参考答案] A、B、D、E、F、G

又如：配制一定物质的量浓度溶液时，（1）转移时有液体溅出（2）转移后没有洗涤烧杯和玻璃棒等。可将操作（1）虚拟为全部溶液溅出，所配溶液浓度偏低，操作（2）虚拟为全部溶质粘在烧杯壁和玻璃棒上，所配溶液浓度偏低。

由此可见，虚拟法在化学解题中有广泛的运用，只要努力寻找，正确分析，灵活运用，虚拟法就会给我们解题带来诸多方便。