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化学中的数学思想

来源:作者:范瑞开 点击:所属专题: 数学思想 计算方法

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化学计算是从定量的角度研究化学反应规律,在化学计算过程中应用许多数学知识和数学思想.数学思想和数学方法在高考化学试题中的应用主要有:分类讨论的思想,转化与化归的思想,数形结合的思想,函数与方程的思想.除了上述四种数学思想的应用外,还有数学方法技巧的应用,如:

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化学计算是从定量的角度研究化学反应规律,在化学计算过程中应用许多数学知识和数学思想.数学思想和数学方法在高考化学试题中的应用主要有:分类讨论的思想,转化与化归的思想,数形结合的思想,函数与方程的思想.除了上述四种数学思想的应用外,还有数学方法技巧的应用,如:极值法,十字交叉法,平均值法,方程法。

一,数形结合解化学题

通过数与形的对应关系,数与形的相互转化和综合运用代数,几何知识求解出复杂问题所需的答案.数形对照,以利理解;数形联系,以利推断;数形结合,以利解题.图象题的特点,是以图象的形式把相关量通过形象,直观的曲线表示出来.在解题时先明确图象坐标的意义,在着重分析曲线上的特殊点,分析清楚可能发生的反应,寻找有关量之间的关系,提高思维的整体性.

二,等比数列在化学中的应用

例3:一定条件下,将等体积NO和O2的混合气体置于试管中,并将试管倒立在水槽中,充分反应后剩余气体的体积约为原总体积的()

A,1/4     B,3/4     C,1/8       D,3/8

解析:由于该题的化学方程式中的量出现循环的现象,所以学生觉得解题有困难,于是在这里运用数学中的等比数列,就显得比较容易,设NO和O2的体积均为V,则由2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO可知,V体积NO与V/2体积O2反应生成V体积NO2V体积NO2与水反应后得V/3体积NO;V/3体积NO与V/6体积O2反应生成V/3体积NO2,V/3体积NO2与水反应后得V/9体积NO;继续反应下去,总耗氧量为下列等比数列各项之和:V/2,V/6,V/18…,该等比数列的求和公式S=V/2(1-1/3)=3V/4,剩余O2体积为(V-3V/4)=V/4;则剩余O2为原总体积的1/8(V/4×2V)=1/8.所以正确答案为(C).

三,极端假设在化学中的应用

例4:38.4Mg铜跟适量的浓硝酸反应,铜全部作用后,共收集到气体22.4mL(标准状况),反应消耗的HNO3的物质的量可能为(  )

A,1.0×10-3mol     B,1.6×10-3mol      C,2.2×10-3mol       D,2.4×10-3mol

解析:假设铜全部与浓硝酸反应,则根据反应Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,可求得消耗的HNO3为2.4×10-3mol   3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,可求得消耗的HNO3的物质的量为1.6×10-3mol;而实际上铜既与浓硝酸反应,又与稀硝酸反应(随着反应的进行浓硝酸变为稀硝酸),则反应消耗的HNO3的物质的量介于1.6×10-3mol 与2.4×10-3mol 之间,故正确答案为(C).

四,不定方程讨论在化学中的运用

如果由题设条件列出的等式个数少于未知数的个数,则形成不定方程.此时往往要从题中找出限定条件,进行最小范围的讨论,这种解题方法在解有机题目时经常用到。

例5:在标准状况下,将1L 由CO和某气态烷烃组成的混合气体与9L 氧气混合起来,点燃,充分燃烧后当压强不变,温度为409.5K时,气体体积为15L.求该烷烃的分子式及该烷烃在原混合气体中的体积分数.

解析:反应前标准状况下的10L 气体在101.3KPa,409.5K时体积为10L×409.5K/273K=15L 反应后气体的体积也为15L.

设该烷烃的分子式为CnH2n+2,其体积为xL,CO的体积为(1-x)L,则依

2CO+O2=2CO2   气体体积减少

1                                   1

(1-x)L               (1-x)/2L

CnH2n+2+(3n+1/2)O2→nCO2+(n+1)H2O    气体体积增加
           1                                                                               n-1/2

xL                                                                                (n-1)x/2L

因反应前后气体体积未变,故 1-x/2=(n-1)x/2   (X<1,n为不超过4的正整数)

讨论:(1)n=1时,x=1,不合理

(2)n=2时,x=1/2,合理

(3)n=3时,x=1/3,合理

(4)n=4时,x=1/4,合理

即该烷烃可能是C2H6,占50%;也可能是C3H8,占33.3%;还可能是C4H10占25%

五,对不等式的讨论

借助于数学中的不等式,将题中的信息(显性或隐性)转化成数学关系---不等式进行讨论,最后可得出答案.

例6:10mL 某气态烃在30mL 氧气里充分燃烧后,得到了液态水和35mL 混合气体(所有气体的体积都是在同温同压下测定的)求该气态烃的分子式.

解析:设该烃的分子式为 CxHy

CxHy+(xy/4)O2xCO2y/2H2O(液)   体积减少

1                                                                 1+y/4

10mL                                           (10+50-35)mL=25mL

列式后可解得y=6 因该烃是气态烃,故其分子式为CxH6(x=2,3,4)

以上解法看似无懈可击,但深究后不难发现,“烃充分燃烧”隐含着“氧气必须适量或过量”,即有10(xy/4)mL≤50mL 因y=6.

(责任编辑:化学自习室)
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