浓度与守恒
每次操作分别记溶质与水,再用当前总质量求浓度。
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01
同一杯盐水,三次操作怎样记账?
200克20%的盐水,先加入200克水,再加入50克纯盐,最后蒸发90克水。每步都充分混匀,盐全部溶解;蒸发只失水,盐不挥发且不析出,无飞溅或残留。每步后溶液的质量分数是多少?
一杯盐水 · 四个状态 · 统一质量刻度
第1步 / 共4步:先拆成盐与水
盐的质量是200×20%=40克;其余160克是水。
条形图分别记账,长度按质量绘制,不表示分层、体积或液面。棕色与“盐”对应,绿色与“水”对应。
对应左侧200克盐水的完整演示
20%
先拆成盐与水
分母是盐与水的总质量200克,不是160克水。
初始状态:先建立两本质量账。
同为20%,初始是40克盐,第三步是90克盐。相同的浓度,不代表相同的溶质质量。
02
学习准备:百分数的整体是谁?
本页目标
- 区分溶质、溶剂、溶液三种质量。
- 解释加水、加纯溶质、蒸发时分别谁不变。
- 逐阶段更新质量,并倒推未知加水量。
- 用两种组分的质量关系解决两个未知量。
必要前置
会百分数与分数四则运算、简单方程。盐水中,盐是溶质,水是溶剂,均匀的盐水是溶液。本页只讨论一种溶质和水,均用克或千克计量。
本页“浓度”统一指溶质质量分数(mass fraction):把溶液的总质量看作单位“1”。20%的盐水表示每100克这种溶液含20克盐、80克水。
S班是本项目的教学深度,侧重多阶段与多个质量关系,不代表已经核实的机构分班或学期课纲。
03
原理:先守住质量,再计算分率
设溶质质量为 S,水的质量为 W,溶液质量为 M,均用相同单位。令 c 为以小数或分数表示的质量分数,例如20%写成1/5。
这些式子来自“部分÷整体”的定义。在本页的两组分模型中,M>0、S≥0、W>0,故0≤c<1。c=0对应纯水;c=1是没有水的纯溶质,已经不属于本页的水溶液。
每一种操作,只更改实际进出容器的组分| 操作 | 溶质新质量 | 水的新质量 | 新浓度 |
|---|
| 加 a 克纯水 | S | W+a | S/(M+a) |
| 加 b 克纯溶质并全部溶解 | S+b | W | (S+b)/(M+b) |
| 只蒸发 e 克水 | S | W−e | S/(M−e) |
a、b、e 均为非负质量。蒸发阶段要求 e<W,且没有溶质挥发、析出或其他损失。若 e=0,就是不蒸发。对于有溶质的溶液,加水会稀释,蒸发只失水会浓缩;水为正时,加纯溶质且全溶解也会提高浓度。浓度变化的大小必须计算,不能直接加减百分数。
为什么“加溶质”必须同时改分子和分母?
加进去的纯盐既成为溶质的一部分,也成为整杯盐水的一部分。因此是 (S+b)/(M+b),不能写成 (S+b)/M。例如40克盐、400克盐水,加50克盐后应为90/450=20%;90/400=22.5%错误地保留了旧总质量。
把分阶段的账连接起来
先加 a 克水、再加 b 克纯溶质、最后只蒸发 e 克水,且全程满足模型条件,则:
溶质与水的两本账是独立的组分关系;溶液总质量是它们的和,三条关系不能当成三个独立方程来求三个任意未知量。即使最终总质量回到初始值,盐和水也可能已经改变。
04
完整例题:正向追踪与倒推未知量
下列例题与练习均为自拟教学题。每题假设充分溶解、混匀,无飞溅、残留或反应;蒸发只失水且溶质不析出。
例题一 · 三种操作逐步切换
200克20%盐水:加水、加盐、蒸发
先加200克纯水,再加50克纯盐,最后蒸发90克水。每一步完成后,溶质、水、溶液各有多少克?浓度是多少?
- 初始拆分:S=200×20%=40克,W=200−40=160克。
- 加水后:盐仍40克,水160+200=360克,溶液400克。浓度40÷400=10%。
- 加盐后:水仍360克,盐40+50=90克,溶液400+50=450克。浓度90÷450=20%。
- 蒸发后:盐仍90克,水360−90=270克,溶液450−90=360克。浓度90÷360=25%。
独立核查:最终总质量200+200+50−90=360克,盐40+50=90克,水160+200−90=270克,且90+270=360。加盐后浓度与初始同为20%,但两杯溶液总质量和含盐量都不同。
例题二 · S班变式:从终点倒求加水量
先加未知量的水,再加盐、再蒸发
300克10%的盐水,先加 x 克纯水,再加30克纯盐,最后只蒸发60克水。最终浓度为20%。求 x,并核查每一步的质量。
- 终点盐量可直接求:初始盐300×10%=30克。加盐后及蒸发后都为30+30=60克。
- 终点反求总质量:60克占最终总质量的20%,所以 M末=60÷20%=300克。
- 按全部质量进出列式:300+x+30−60=300,解得 x=30克。
- 分阶段核查:加水后盐30克、水300克、溶液330克,浓度30/330=1/11(约9.09%);加盐后盐60克、水300克、溶液360克,浓度1/6(约16.67%);蒸发后水240克、溶液300克,浓度20%。
水账独立核查:初始水270克,加30克再蒸发60克,剩240克。虽然溶液最终仍是300克,盐已从30克增至60克;不能据“总质量相同”推断“浓度相同”。
例题三 · S班变式:两个未知量,两本账
加水和加盐的量都未知
400克15%的盐水,加入 x 克纯水和 y 克纯盐后,得到500克18%的盐水。求 x、y。
- 总量关系:x+y=500−400=100。
- 盐量关系:初始盐400×15%=60克,最终盐500×18%=90克,所以 y=90−60=30克。
- 回代求水:x=100−30=70克。
- 另用水账验证:初始水340克,最终水410克,增加410−340=70克;最终90+410=500克。
若只知道最终18%,却没有最终500克,只能得到一个关于 x、y 的关系,通常不能唯一求出两个加入量。题目信息是否足够,也要在列式前判断。
05
迁移练习:先写谁不变
练习一 · 加水后又蒸发
250克12%的盐水,加水稀释到8%,再蒸发75克水。加了多少克水?最终浓度是多少?
展开完整解析
初始盐250×12%=30克,水220克。加水不改变盐量,稀释后总质量30÷8%=375克,因此加水375−250=125克,水变为345克。
蒸发后盐仍30克,水345−75=270克,总质量375−75=300克。最终浓度30÷300=10%。核查:220+125−75=270,30+270=300。不能把8%直接加上“蒸发百分数”。
练习二 · 加盐量也进入分母
200克10%的盐水,加入纯盐,使浓度达到20%,再只蒸发45克水。加入了多少克盐?最终浓度是多少?
展开完整解析
初始盐20克、水180克。设加盐 b 克,充分溶解后 (20+b)/(200+b)=20%。于是20+b=40+b/5,4b/5=20,得到 b=25克。
加盐后盐45克、水180克、溶液225克,45÷225=20%。蒸发45克水后,水135克,盐仍45克,溶液180克,浓度45÷180=25%。
错误对照:用(20+b)/200=20%会算得 b=20,但实际40÷220=2/11(约18.18%),达不到20%。
06
边界反例与易错回顾
反例:杯里有未溶解固体,不能把整杯都当溶液
100克20%的某溶液,加入30克同种纯溶质;假设在给定条件下只有5克能溶解,余下25克固体沉底。原先溶质20克、水80克;现在液体中的已溶溶质25克,溶液质量是105克,液体浓度25/105=5/21(约23.81%)。杯内总质量130克还包括25克未溶固体;50/130不能当作该溶液的浓度。
这是一道给定溶解量的假设反例,不是在声明某种实际溶质的溶解度。若继续蒸发导致析出,或溶质本身也挥发,需要另算液相中的溶质质量。
四个常见误判| 误判 | 核查方法 |
|---|
| 浓度=盐÷水 | 分母应为盐+水,即溶液总质量。 |
| 加盐只改变分子 | 盐量和溶液总质量同时增加。 |
| 全程盐的质量都不变 | 加纯盐时盐会增加;守恒要注明阶段与对象。 |
| 减少一半水,浓度一定翻倍 | 水减半不等于溶液总质量减半。例如100克20%溶液去掉40克水,浓度20/60=1/3(约33.33%),并非40%。 |
解题顺序:统一质量单位 → 拆出溶质与水 → 每步列出进出质量 → 用当前溶液总质量作分母 → 检查溶解、蒸发和信息条件。
07
逐章回看
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本页浓度指质量分数:溶质质量,除以溶液总质量。分母不能只用水。
二百克、百分之二十的盐水,含盐四十克,含水一百六十克。
加入二百克水,盐仍是四十克,水增到三百六十克。
溶液共四百克,四十除以四百,浓度降为百分之十。
再加五十克纯盐,并且全部溶解。水不变,盐增到九十克。
总质量也要加五十。九十除以四百五十,浓度回到百分之二十。
最后只蒸发九十克水。盐不挥发、不析出,仍为九十克。
水剩二百七十克,溶液三百六十克,浓度升为百分之二十五。
守恒必须分阶段:加水和蒸发时盐不变,加纯盐时水不变。
全程盐的质量并不守恒。每一步先记两种质量,再用当前溶液总质量求浓度。