周斌華
(湘鄉(xiāng)市東山學(xué)校 湖南湘潭 411400)
數(shù)學(xué)方法在化學(xué)中的應(yīng)用幾則
周斌華
(湘鄉(xiāng)市東山學(xué)校 湖南湘潭 411400)
由于數(shù)學(xué)學(xué)科主要研究的是數(shù)量關(guān)系、空間關(guān)系等,因此,學(xué)生在解決化學(xué)問題的過程中,如果能夠合理地運(yùn)用數(shù)學(xué)方法,即可有效解決相關(guān)問題,將不同的學(xué)科知識(shí)共同利用,在解決問題的同時(shí)獲得綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,提高自身的綜合素質(zhì)。本文即以具體的化學(xué)題目為例,探討了數(shù)學(xué)方法在其中的應(yīng)用。
數(shù)學(xué)方法;化學(xué);應(yīng)用
數(shù)學(xué)作為一門工具學(xué)科,在學(xué)習(xí)其他學(xué)科的過程中,仍然能夠發(fā)揮一定作用,尤其是在化學(xué)或物理等理科的學(xué)習(xí)中,數(shù)學(xué)中的各種計(jì)算方法和解題思路,都能夠?yàn)榛瘜W(xué)問題提供有效的解題依據(jù),從而簡化解題過程,并取得良好的解題效果。由此可見,如果能夠在化學(xué)解題中靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)方法,將為我們學(xué)習(xí)其他科目提供重要途徑。
2.1 概況
數(shù)學(xué)方法在化學(xué)的各分支中,均存在很多的應(yīng)用,例如向量的分析、常微分方程、微分與變分法、偏微分方程、有限差分計(jì)算、數(shù)值方法、矩陣、群論、過程最優(yōu)化方法、概率與統(tǒng)計(jì)等等。而數(shù)學(xué)知識(shí)和方法、計(jì)算語言和在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用更是非常廣泛的。由于現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)投入應(yīng)用,大部分的化學(xué)計(jì)算問題都編成了計(jì)算機(jī)程序,化學(xué)家和化學(xué)工作者只需要學(xué)會(huì)簡單的操作,即可進(jìn)行大量繁重而復(fù)雜的計(jì)算,計(jì)算機(jī)將化學(xué)家們從繁重的數(shù)學(xué)計(jì)算中解放出來了。但是,在我們?nèi)粘W(xué)習(xí)中,還是需要掌握基本的數(shù)學(xué)計(jì)算方法在化學(xué)中的應(yīng)用。
2.2 化學(xué)中應(yīng)用數(shù)學(xué)方法的重要性
數(shù)學(xué)的方法和化學(xué)在高中有很大的相似性,這其間也有很大的聯(lián)系,化學(xué)問題是一種比較現(xiàn)實(shí)性的東西,雖然比較具體化,但是不太容易懂,然而高中數(shù)學(xué)又是一種比較抽象的問題,在學(xué)習(xí)和探討的過程中都需要大量的理性思維,去領(lǐng)會(huì)一種邏輯思想,將許多具體的量化性問題去抽象化解決,達(dá)到一種一般性和概括性的總結(jié)。隨著化學(xué)專業(yè)的發(fā)展和數(shù)學(xué)專業(yè)的發(fā)展,化學(xué)中就出現(xiàn)了一些不得不用數(shù)學(xué)才能解決的問題,這使得數(shù)學(xué)與化學(xué)之間的聯(lián)系更加密切了。高中化學(xué)中的許多問題都需要利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行解答,既可以擴(kuò)展高中數(shù)學(xué)的應(yīng)用空間和范圍,同時(shí)也可以將復(fù)雜的高中化學(xué)問題轉(zhuǎn)化成一些簡單的抽象數(shù)學(xué)問題去解決,充分發(fā)揮了這兩大學(xué)科的優(yōu)勢性。
在化學(xué)研究中,有很多人對(duì)理解和處理許多化學(xué)問題所必須的數(shù)學(xué)知識(shí)比較缺乏。對(duì)于可以經(jīng)過簡單數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以解決的化學(xué)問題束手無策。這種現(xiàn)象普遍存在于化學(xué)研究中。初等分子軌道理論、酶動(dòng)力學(xué)、絡(luò)合物溶液的平衡、熱力學(xué)、波動(dòng)力學(xué)、配位場理論以及氣體分子運(yùn)動(dòng)論等方面的概念,都要借助于數(shù)學(xué)知識(shí)才能夠充分的表達(dá)。
3.1 等比數(shù)列的應(yīng)用
例如,一定條件下,將等體積NO和O2的混合氣體置于試管中,并將試管倒立在水槽中,充分反應(yīng)后剩余氣體的體積約為原總體積的( )。
A、1/4 B、3/4 C、1/8 D、3/8
解析:由于該題化學(xué)方程式中的量出現(xiàn)循環(huán)的現(xiàn)象,所以學(xué)生覺得解題有困難,于是在這里運(yùn)用數(shù)學(xué)中的等比數(shù)列,就顯得比較容易,設(shè)NO和O2的體積均為V,則由2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO可知,V體積NO與V/2體積O2反應(yīng)生成V體積NO2,V體積NO2與水反應(yīng)后得V/3體積NO;V/3體積NO與V/6體積O2反應(yīng)生成V/3體積NO2,V/3體積NO2與水反應(yīng)后得V/9體積NO;繼續(xù)反應(yīng)下去,總耗氧量為下列等比數(shù)列各項(xiàng)之和:V/2,V/6,V/18…V/2×3n-1,該等比數(shù)列的求和公式S=V{/2×(1-1/3)}=3V/4,剩余O2體積為(V-3V/4)=V/4;則剩余O2為原總體積的1/8(V(/4×2V))=1/8,所以正確答案為C。
3.2 極端假設(shè)的應(yīng)用
例如,38.4mg銅跟適量的濃硝酸反應(yīng),銅全部作用后,共收集到氣體22.4m(l已轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀況),反應(yīng)消耗的HNO3的物質(zhì)的量可能為( )。
A、1.0×10-3mol B、1.6×10-3mol C、2.2×10-3mol D、2.4×10-3mol
解析:假設(shè)銅全部與濃硝酸反應(yīng),根據(jù)反應(yīng)Cu+4HNO(3濃)=Cu(NO)32+2NO2↑+2H2O,可求得消耗的HNO3為2.4×10-3mol,3Cu+8HNO3(?。? 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,可求得消耗的HNO3的物質(zhì)的量為1.6×10-3mol;而實(shí)際上銅既與濃硝酸反應(yīng),又與稀硝酸反應(yīng)(隨著反應(yīng)的進(jìn)行濃硝酸變?yōu)橄∠跛幔?,則反應(yīng)消耗的HNO3物質(zhì)的量介于1.6×10-3mol與2.4×10-3mol之間,故正確答案為C、D(可考慮用先守恒法,再用極端假設(shè)法解)。
3.3 合分比定理的應(yīng)用
差量法的理論依據(jù)就是合分比定理。在化學(xué)變化前后確定理論差量再根據(jù)題目提供的“實(shí)際差量”,列出比例式,求出答案。它可以是質(zhì)量、氣體物質(zhì)的體積、壓強(qiáng)、物質(zhì)的量、反應(yīng)過程中熱量的變化等。
例如:將20mLCl2和NH3的混合氣體在一定條件下充分反應(yīng),3Cl2+ 8NH3=6NH4Cl+N2,已知參加反應(yīng)的氯氣比氨氣少5mL(氣體體積都在相同狀況下測定),則混合氣體中Cl2和NH3的物質(zhì)的量之比為( )。
A、3:2 B、2:3 C、3:8 D、3:17
解析:設(shè)參加反應(yīng)的Cl2為xmL,NH3為ymL。
3Cl2+8NH3=6NH4Cl+N2⊿V
3 8 5
x y 5
解得:x=3(mL);y=8(mL)
當(dāng)混合氣20mL中Cl2過量時(shí),
V(NH)3=8mL;V(Cl2)=20mL-8mL=12mL
當(dāng)混合氣20mL中NH3過量時(shí),
V(Cl2)=3mL;V(NH3)=20mL-3m l=17mL
因?yàn)橄嗤瑮l件下,各氣體的體積比等于其物質(zhì)的量之比,所以Cl2和NH3的物質(zhì)的量比為:3:2或3:17。
3.4 十字交叉法
十字交叉法是解決二元混合問題的一種常見的有效方法若a、b分別表示某二元混合物中兩組分A、B的量,C為a、b的相對(duì)平均值,為二元混合體系中A和B的組成比,則:
根據(jù)以上說明,二元混合的一般計(jì)算方法是:anA+bnB=(c(nA+nB)),整理得:(a-c)nA=(c-b)nB,即(即上述十字交叉法)。
3.5 極值法
極值法又稱極端思維法,就是從某種極限狀態(tài)出發(fā),進(jìn)行分析、推理、判斷的一種思維方法,一般做法是先根據(jù)邊界條件(極值)確定答案的可能取值范圍,然后再結(jié)合題給條件,確定答案。極值法往往是根據(jù)解題的需要,把問題或過程推向極限,使復(fù)雜的問題單一化,極端化和簡單化,常用于混合物、化學(xué)平衡等的計(jì)算。在解有關(guān)混合物的計(jì)算時(shí),可采用極端值法、解題時(shí)分別假設(shè)混合物是某一種純凈物,進(jìn)行計(jì)算,求出混合物的極大值,極小值再進(jìn)行分析,得出結(jié)論。
在密閉容器中進(jìn)行x(g)+4Y(g)=2Z(g)+3W(g)的反應(yīng),其中X、Y、Z、W的起始長度分別為0.1mol·L-1,0.4mol·L-1,0.3mol·L-1,0.3mol·L-1當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),各物質(zhì)的量濃度不可能為( )。
①C(x)=0.15ml·L-1②C(Y)=0.9ml·L-1
③C(Z)=0.3mol·L-1④C(W)=0.6ml·L-1
A、①④ B、②③ C、①③ D、②③④
解析:找極值,假設(shè)可逆反應(yīng)向正反應(yīng)方向完全進(jìn)行到底時(shí),生成物C(Z)=0.4mol·L-1,C(W)=0.6mol·L-1,但該反應(yīng)實(shí)際為可逆反應(yīng),故C(Z)= 0.3mol·L-1可能,再找極值,假設(shè)可逆反應(yīng)方向完全進(jìn)行到底時(shí),反應(yīng)物C(x)=0.2mol·L-1,C(Y)=0.8mol·L-1,由于此反應(yīng)為可逆反應(yīng),故C(x)= 0.15mol·C-1有可能,C(Y)=0.9mol·L-1不可能。
3.6 圖像分析法(數(shù)形結(jié)合)
化學(xué)題型中,許多涉及圖像,圖表類型的題目,對(duì)于這類題目,我們除了做到“四看”:看坐標(biāo)、看比例、看起點(diǎn)、看特征以外,有些還涉及作輔助線及借助數(shù)學(xué)公式解題。
例如:某溶液中發(fā)生反應(yīng):A=2B+3C,υ(A)與時(shí)間t的關(guān)系如圖1所示。若溶液體積為2L,則反應(yīng)開始的2min,以A的濃度改變表示的平均反應(yīng)速率_______0.375mol/(L·min)(填大于、小于或等于)。
圖1
解析:根據(jù)圖像的物理意義,陰影部分的面積表示2min內(nèi)A的變化濃度,而所以首先必須求出陰影部分面積,通過觀察知道陰影部分由一長方形和的一個(gè)不規(guī)則圖像組成,所以必須做輔助線,連接BC:
∴S=SAODC+S△ABC
=0.25×2+(0.25×2)/2
=0.75mol/L,而陰影面積小于S
即υ<0.375mol·L-·1min-1
3.7 通式法
有機(jī)化學(xué)中同系物間存在通式相同的情況,而且對(duì)于某些同系列物質(zhì)也存在結(jié)構(gòu)的相似而具有相同的通式,找出它們的通式必須應(yīng)用到數(shù)學(xué)中的遞推數(shù)列。
例如:烷烴中有:CH4、C2H6、C3H8…其通式中C數(shù)為一系列自然數(shù),其通項(xiàng)公式為Cn,而H數(shù)為首項(xiàng)為4公差為2的一系列數(shù),其通項(xiàng)公式為2n+2,所以烷烴通式為CnH2n+2,類似的還可以求出烯烴(CnH2)n炔烴(CnH2n-2)等。
用數(shù)學(xué)的方法來解決化學(xué)中的問題,使問題的解答更科學(xué)、更合理,不僅憑經(jīng)驗(yàn),而且從理論上獲得了一個(gè)完滿的解釋,這對(duì)學(xué)習(xí)和從事化學(xué)工作的人們來說,都應(yīng)該引起注意。所以,應(yīng)當(dāng)盡可能地用數(shù)學(xué)的方法去解決一些化學(xué)問題,盡可能地多學(xué)和學(xué)好數(shù)學(xué)知識(shí),為解決化學(xué)中的計(jì)量問題服務(wù)。
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A
1004-7344(2016)26-0048-02
2016-8-28
周斌華(2000-),男,高中學(xué)生。