十字交叉法的原理及其在化学计算中的应用

十字交叉法的原理及其在化学计算中的应用
十字交叉法，应用于二元混合体系具有平均值的计算问题,它具有简化思路、简便运算、计算速度快等显著优点.近年来,十字交叉法在中学化学计算中广泛使用,通过十字交叉得到差值的比值的含义如何确定,如果没有真正理解十字交叉法含义,在使用该方法时将没有真正达到简化思路、快速准确求解的目的,从而限制了该方法的推广和应用。

1 十字交叉法的原理：A×a%+B×b%=(A+B)×c% 整理变形得：
A/B=(c-b)/(a-c ) ①
如果我们以100 g溶液所含的溶质为基准
上式表示溶液混合时它们的质量比与相关质量分数比的关系. 可得如下十字交叉形式 a c-b
c ②b a-c
对比①,②两式不难看出：十字交叉关系中(c-b)/(a-c)为组分A和组分B混合时的质量比.推广到二组分混合体系中,当以一定质量的混合体系为基准所得十字交叉关系,其比值为质量比(例如,质量分数是以质量为基准);若有c-b比a-c的化学意义由平均值c决定,则比值就表示组分A中c-b和组分B中a-c所表示的量的比值.如c为质量或质量分数,则(c-b)/(a-c)表示组分A 和组分B溶液的质量之比.若c为密度,则(c-b)/(a-c)就表示组分A和组分B的溶液体积之比.若c为摩尔质量,则(c-b)/(a-c) 就表示组分A和组分B的物质的量比;此时可用十字交叉法求混合物中各组分的含量.
2 十字交叉法的应用例析：
2.1 用于混合物中质量比的计算
例1 将铝铁合金18.5克溶于足量的盐酸中产生标准状况下的氢气11.2升,求合金中铝铁的质量之比是多少？
解：在标准状况下，求出氢气的质量M=1g,以混合物总质量18.5g作为基准物再根据镁铝与盐酸的关系列出十字交叉式如下：
Al 37 / 18 19/56
1 Fe 37/56 19/18 求得铝与铁质量的比是9/28
例2 镁和铝的混合物10g,与足量的稀硫酸充分反应,生成1.0g氢气,混合物中镁和铝的质量比为多少?
解：在标准状况下，以混合物总质量10g作为基准物再根据镁铝与盐酸的关交叉式如下：Mg 5/6 1/9 1 Al 10/9 1/6 求得镁与铝的质量比是2/3
例3 KHCO3和CaCO3的混合物和等质量的NaHCO3分别与盐酸完全反应时,所消耗的酸的量相等,则混合物中KHCO3与CaCO3的质量比是多少? 解析：由化学反应方程式：KHCO3+HCl=KCl+H2O+CO2↑
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑
以消耗HCl物质的量1mol作为基准物, 求出反应掉KHCO3、CaCO3 、NaHCO3的质量的数值分别为100g、50g、84g，依题意KHCO3和CaCO3的混合物84g与NaHCO384g均消耗1molHCl，即两个分量值分别为100和50,平均值为84, 用十字交叉法图解如下：KHCO3 100 34 84 CaCO3 50 16
因为是以物质消耗HCl的物质的量1mol为基准物,所以比值34/16=17/8 为碳酸氢钾与碳酸钙消耗HCl的物质的量之比,故原混合物中碳酸氢钾与碳酸钙的物质的量之比为17/4,即质量
比也为17/4（因它们的相对分子质量相等）.
2.2 用于混合物中物质的量比的计算
例4 在标准状况下，测得空气和HCl混合气体对氢气的相对密度为17，求空气和HCl气体的物质的量之比
解：混合气体的平均式量为17×2=34 ,以1 mol混合物为基准物则十字交叉法如下：空气29 2.5 34 HCl 36.5 5
求出空气与HCl气体的物质的量比是1/2
例5某Na2SO3已部分氧化成Na2SO4,经测定该混合物中硫的质量分数为25%,求混合物中Na2SO3和Na2SO4的物质的量之比(整数比)？解：由平均质量分数25%，列出十字交叉法如下：Na2SO3 中S % 25.397 % 2.465 % 25% Na2SO4 中S % 22.535 % 0.397 % 求得Na2SO3与Na2SO4 的物质的量比是6/1
2.3 用于混合物中体积比的计算
例6已知CH4, C2H4及其混合气体在同温同压下分别为0.71 g / L 、1.25 g / L 、1.16 g / L.求混合气体CH4和C2H4的体积比是多少？
解：以1mol 混合气体密度 1.16 g / L作为基准物则十字交叉法如下：CH4 0.71 0.09 1.16
C2H4 1.25 0.45 求得CH4与C2H4 的体积比是1/3
例7 已经2H2(g)+O2(g)=2H2O(g);△H=-571.6千焦C3H8 (g)+5 O2(g)=3CO2(g)+4H2O(1); △H=-2220千焦求H2和C3H8的体积比.
解析:lmol C3H8完全燃烧放热为:571.6/2=285.8千焦lmol C3H8完全燃烧放热为:2220千焦lmol混合气体完全燃烧放热为:3847/5=769.4千焦列出十字交叉法如下：
H2 285.5 1460.6 769.4
C3H8 2220 483.6 求得H2和C3H8 的体积比为3/1
例8一种气态烷烃和一种气态烯烃，它们的分子式中所含碳原子数相同，若l体积这种混合烃在O2中充分燃烧，能生成2体积的和2.4体积的水蒸气，则混合中烷烃和烯烃的体积比是多少？
解:设混合烃分子式为CxHy、烷烃与烯烃的体积比为CxHy + 3.2 O2 = 2 CO2+ 2.4 H2O 1 3.2 2 2.4
根据原子守衡定理得混合烃分子式为C2H4.8 即氢的原子数是4.8.十字交叉法如下：C2H6 6 0.8 4.8 C2H4 4 1.2
求得混合物中C2H6和C2H4 的体积比是2/3
2.4 用于混合物中原子个数比的计算
例9 已知自然界中铱有两种质量数分别为191和193的同位素,而铱的相对分子质量为192.22,求这两种同位素原子个数比.
解：以1 mol铱的相对分子质量为192.22为基准则十字交叉法如下：
191
Ir 191 0.78
199.2 191Ir / 193Ir = 0.78 / 1.22
193
Ir 193 1.22
求得191Ir 与193Ir 物质的量比39/61 也是它们原子个数比.
2.5 用于混合物中质量分数和体积分数的计算
例10 把0.200gNaCl和KI混和物溶于水后加入过量AgN03溶液析出0.449 g，求原混和物中NaCl和KI的质量百分数.
解：分别计算产生沉淀物的质量,根据化学方程式得：0.200 g NaCl生成0.490 g AgCl 0.200 g NaI 生成0.283 g AgI
则十字交叉法如下：
NaCl 0.490 / 0.200 0.166
0.449/0.200 m( NaCl ) / m(KI) =0.166/ 0.041 KI 0.283 / 0.200 0.041
求得NaCl 和KI 的质量比是4/1，即他们的质量分数分别为80% ，20%
例11在标准状况下氢气和一氧化碳的混合气体7L，质量为2.25g，求H2和CO的体积分数？解：设混合气体的摩尔质量为M 2.25 / M = 7 / 22.4 L / mol M=7.29 列出十字交叉法如下：CO 28 5.2
7.2 V( CO ) / V( H2 )=5.2 / 20.8
H2 2 20.8
求得CO与H2体积比是1/4 即它们体积分数分别是25% ,75%
例12 已知Fe2O3在高炉中发生反应Fe2O3+CO = 2FeO+CO2,反应形成的固体混合物Fe2O3、FeO中,元素铁和氧的质量之比用m(Fe)∶m(O)表示.若m(Fe)∶m(O)=21∶8,计算Fe2O3被CO 还原的质量分数.
解析:此题用方程式法甚为烦琐,用十字交叉法则非常简单.即:若Fe2O3全部被还原,则m(Fe)∶m(O)=21∶6;若Fe2O3未被还原,则m(Fe)∶m(O)=21∶9.列出十字交叉法如下：未被还原Fe2O3 9 / 21 2 / 21
8/21 被还原Fe2O3 6 / 21 1 / 21
则未被还原的氧化铁与被还原的氧化铁的物质的量之比为2∶1,所以被还原的氧化铁的质量分数为13×100%=33.3%.
例13 将20%NaCl溶液与60%NaCl溶液按质量比1:3混合,计算NaCl溶液的质量分数. 解：设20%NaCl溶液为mg,则60%NaCl溶液质量就为3mg,所得NaCl溶液的质量为x% 列出十字交叉法如下：
m 20% x%-60% x%
3m 60 % 20%-x%
则m / 3m = ( x % - 60% ) / ( 20% - x % )求出x=50 既NaCl质量分数50%
通过上面的论述,我们可以看出,十字交叉法确实简单、方便、容易操作,但值得一提的是,在应用十字交叉法进行运算时,必须满足它的运算基础.十字交叉法应用于处理两组分(或相当于两组分)的混合物的组成计算十分方便.不断积累、总结、发掘新的解题方法，可促进知识的有效迁移、同化和深化对问题的理解，提高解题的效率与正确率.。