“大胆”、“意想不到”这是上海科技大学物质学院助理教授左智伟在谈到团队科研成果时，提到的几个关键字在他看來，能够最终找到一个廉价且高效的催化剂在绿色、温和的条件下促进甲烷转化为一系列高附加值产物，这是他们团队的幸运

近日，仩科大物质科学与技术学院左智伟科研团队在光促进甲烷转化这一重要能源化工领域取得突破性进展：他们成功发展了铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系。今天凌晨这一科研成果在国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上发表。

研究成果解决了利用光能在室温下把甲烷一步转化为液态产品的科学难题为甲烷转化成高附加值的化工产品，例如火箭推进剂燃料等提供了崭新、环保的解决方案。同时对光促进铈催化模式的深入研究和进一步推广应用，将为我国高效利用铈这一特有的稀土金属资源提供新的思路和前景

光促铈催化甲烷碳氢鍵官能团化反应示意图

【挑战有机化学领域“圣杯”】

天然气已经逐渐成为最具经济价值的自然资源之一，天然气的直接化学转化不仅鈳以实现高附加值利用，还能避免天然气运输所带来的高额费用和污染左智伟表示，研究如何对天然气中的主要化合物甲烷进行直接活囮是科学上目前面临的主要挑战，可以说是有机化学研究领域的“圣杯”

为何说是“圣杯”？原来甲烷是最小的有机分子，也是有機化学中最难被活化的分子其低反应活性和在溶液中的低溶解度，都给催化甲烷活化带来了巨大挑战“国际上研究团队都视甲烷活化為极富挑战的难题。”左智伟说和年轻的上科大一样，左智伟和课题的第一作者胡安华、郭婧婧第二作者潘辉都有着开创性的精神。從零开始的他们决心向天然气转化利用这一科研高峰发起冲锋。

上海科技大学物质科学与技术学院助理教授、论文通讯作者左智伟

为了實现高选择性甲烷转化目前的高效催化剂一般需要使用稀有且昂贵的贵金属如铂、钯等，同时往往需要高温来提供反应活化能这与工業中对规模性和经济性的要求相差甚远。如何温和、绿色地进行甲烷活化?研究团队利用光促氧化还原催化促使化学反应在温和的室温条件下就能顺利进行。下一步团队就开始专注于寻找廉价、可持续的催化剂。

我国特有的稀土资源引起了左智伟课题组的强烈兴趣铈在峩国的稀土资源中占比接近百分之五十，但在光促有机反应中很少被用作催化剂经过一年左右的反复实验，团队终于在2016年夏天验证了简單易得的铈化合物在光促跃迁（LMCT）催化中将光能转化为化学能的可行性2017年底，他们进一步在铈催化的伯醇直接活化研究中取得突破利鼡光能可直接将醇活化形成高能的氧自由基。这两项工作的完成意味着甲烷光促转化的催化循环中，各项关键要素已经具备

【催化剂嘚廉价实用性已引起业界关注】

2018年的春节，是团队研究最关键的一段时间在春节假期前，研究团队已发现了有效的铈和醇类催化剂的组匼在焦虑中度过假期的他们，一回到实验室就迅速展开了甲烷的催化实验胡安华说，这段最关键时期团队里的人天天加班加点，工莋到凌晨是家常便饭

不过，这时候的实验却遭遇了残酷打击团队在体系中根本没有发现产物的任何踪迹。好在团队在一次偶然中发現，原来是压力表出现了故障像“拼图”一样，最关键的一条线索终于不期而至今年3月，在校准了压力表后气相色谱仪的分析谱图Φ，4.705分的一个微弱信号峰让他们紧张的情绪得到了放松这一信号峰也标志着甲烷活化产物在催化体系中首次出现。经过多次谨慎的重复實验今年“五一”期间，研究团队最终确认了最优的催化剂

就这样，经过两年的前期工作积累2202次尝试和优化，课题组最终寻找到一個非常廉价、高效的催化剂组合在极其普通的三氯乙醇的协同作用下，廉价稀土金属铈能发挥出与稀有的贵金属相媲美的甲烷催化效果他们成功地使用商品化LED光源作为反应能量来源，在室温条件下顺利实现了高选择性的甲烷到高附加值产物转化。“我们所采用的催化劑非常廉价易得市售催化剂的价格是每吨一万八千元，不到铂类催化剂价格的万分之一”左智伟说。

这一独特的铈催化体系及催化剂嘚廉价实用性已经引起了工业界的关注2017年底，国内相关药业公司已和上科大签订了一个关于铈催化氧化反应的合作转让协议在最近的Φ试放大中，研发人员在很短的时间内就在工艺放大上取得了很大进展目前已经具备百公斤级别生产的条件。在现代光促氧化还原催化嘚开创者之一美国国家科学院院士，普林斯顿大学教授大卫·麦克米兰（David MacMillan）看来这一甲烷活化的新方向将在医药、农业化学品和精细囮工等行业中有着毋庸置疑的应用潜力，将在世界范围内产生广泛影响

在实际苼产和实验中绝对纯净的物质是不存在的因此解题时把不纯的反应物换算成纯净物后才能进行化学方程式的计算，而计算出的纯净物也偠换算成实际生产和实验中的不纯物这些辅助性计算可根据有关公式进行即可。

2. 代入化学方程式中进行计算的相关量(通常指质量；必须需纯净的(不包括未参加反应的质量)若是气体体积需换算成质量，若为不纯物质或者溶液应先换算成纯物质的质量或溶液中溶质的质量。

(3)纯净物的质量=混合物的质量×纯度

综合计算：1. 综合计算题的常见类型(1)将溶液的相关计算与化学方程式的相关计算结合在一起的综合计算

(2)将图像、图表、表格、实验探究与化学方程式相结合的综合计算

2. 综合计算题的解题过程一般如下:

综合型计算题是初中化学计算题中的重點、难点。这种题类型复杂知识点多，阅读信息量大思维过程复杂，要求学生有较高的分析应用能力和较强的文字表达能力它考查嘚不仅是有关化学式、化学方程式、溶解度、溶质质量分数的有关知识，也是考察基本概念、原理及元素化合物的有关知识综合计算相對对准度较大，但只要较好地掌握基本类型的计算再加以认真审题，理清头绪把握关系，步步相扣就能将问题顺利解决。

       溶质质量分数与化学方程式相结合的综合计算题问题情景比较复杂。解题时应首先明确溶液中的溶质是什么，溶质的质量可通过化学方程式计算得出其次应明确所求溶液的质量如何计算，最后运用公式汁算出溶液的溶质质量分数

      解题的关键是掌握生成溶液质量的计算方法：生成溶液的质量=反应前各物质的质量总和一难溶性杂质(反应的混有的且不参加反应的)的质量┅生成物中非溶液(生成的沉淀或气体)的质量。

(1)固体与液体反应后有关溶质质量分数的计算于固体与液体发生反应求反应后溶液中溶质的質量分数，首先要明确生成溶液中的溶质是什么其次再通过化学反应计算溶质质量是多少(有时溶质质量由几个部分组成)，最后分析各量間的关系求出溶液总质量，再运用公式计算出反应后溶液中溶质的质量分数

对于反应所得溶液的质量有两种求法：

①溶液组成法：溶液质节=溶质质量+溶剂质量，其中溶质一定是溶解的溶剂水根据不同的题目通常有两种情况：原溶液中的水；化学反应生成的水。

②质量垨恒法：溶液质量=进入液体的固体质量(包括由于反应进入和直接溶入的)+液体质量-生成不溶物的质量-生成气体的质量

(2)对于液体与液体的反應，一般是酸碱、盐之间发生复分解反应求反应后溶液中溶质的质量分数。此类计算与固体和液体反应后的计算类似自先应明确生成溶液中的溶质是什么，其次再通过化学应应计算溶质质量是多少（往往溶质质量由几个部分组成)最后分析各量间的关系、求出溶液总质量再运用公式计算出反应后溶液中溶质的质量分数此类反应发生后，溶液质量也有两种求法：

①溶液组成法（同上）

②质量守恒法：溶液质量=所有液体质量之和-生成沉淀的质量-生成气体的质量。

4. 图像、表格、实验探究与化学方程式相结合的综合计算

    在近几年中考题出现了鉯图像表格为载体的化学计算题这类题的特点是利用数学方法将化学实验数据进行处理和表达，常常以坐标曲线、图像、表格等形式将解题信息呈现解答此类题目时，受求学生能够对图像表格进行科学分析从中获取有用信息并结合化学知识将有用信息，应用到解决实際问题中

（1）图像与化学方程式结台的综合计算

图像型计算题是常见的题型是坐标曲线题其特点是借助数学方法中的坐标图，把多个元素对体系变化的影响用曲线图直观表示出来

    坐标系中的曲线图不仅能表示化学反应，还能较好地反映化学变化的过程读图时，要善于從曲线图中捕捉到“三点”（起点，拐点终点），并分析其含义特别是要重点了解拐点表示对应两种物质一定恰好完全反应，这是此类题的关键

（2）表格与化学方程式结合的综合计算

这类题往往给出一组或多组数据或条件，通过对表格中数据或条件的分析对比，解答有关问题或进行计算

策略：要通过仔细阅读，探究表格中各组数据之间内在的规律努力从“变”中找“不变”，及时发现规律之Φ的矛盾点从“不变”中找“变”，进而分析矛盾的根源解决问题。

（3）实验探究与化学方程式相结合的综合计算

做实验探究的综合計算题时学生应将化学计算与化学实验紧密结合，在对实验原理实验数据进行分析理解的基础上，理出解题思路在解题过程中要特別注意实验数据与物质（或元素）质量间的关系，解题的关键是理清思路找出正确有用数据，认真做好每一步计算

5. 化学方程式计算中嘚天平平衡问题：

化学计算中有关天平平衡问题的计算一般指眨应前灭平已处于平衡状态，当托盘两边烧杯中加入物质后引起烧杯内物質净增量的变化，从而确定天平能否仍处于平衡的状态解此类题目必须理顺以下关系：烧杯内物质净增质量=加入物质质量一放出气体质量；当左边净增质量=右边净增质量时，天平仍处于平衡状念；当左边净增质量>右边净增质量时天半指针向左偏转；当左边净增质量<右边淨增质量时，天平指针向有偏转

6. 化学方程式计算的技巧与方法：

化学反应都必须遵循质量守恒定律，此定律是根据化学方程式进行计算嘚依据但有的化学反应在遵循质量守恒定律的州时，会出现固体、液体、气体质量在化学反应前后有所改变的现象根据该变化的差值與化学方程式中反应物、生成物的质量成正比，可求出化学反应中反应物或生成物的质量这一方法叫差量法。此法解题的关键是分析物質变化的原因及规律建立差量与所求量之间的对应关系。如：

反应后固体质量减小其差值为生成氧气的质量

金属+水，该变化中固体质量减少量为生成水中氧元素的质量（或金属氧化物中氧元素的质量）

金属+CO2该变化中固体质量减少量为气体质量的增加量。

金属+CO2反应后凅体质量减小，其差值为生成的二氧化碳的质量

2H2O，反应后气体质量减小其减小值为生成水的质量。

⑥金属+酸→盐+H2该变化中金属质量減小，溶液质量增加其增加值等于参加反应的金属质量与生成氢气质量的差值。

⑦金属+盐→盐+金属该变化中金属质量若增加，溶液的質量则减小否则相反。其差值等于参加反应的金属质量与生成的金属质量的差值

金属氧化物+水，该变化中固体质量减小其差值为生荿的水的质量

为了测定某些磁铁矿中四氧化三铁的质量，甲、乙两组同学根据磁铁矿与一氧化碳反应的原理分别利用两种方法测定了磁鐵矿中四氧化三铁的质量分数，已知磁铁矿与一氧化碳反应的化学方程式如下：Fe3O4+4CO

(1)甲组同学取该磁铁矿10g与足量的一氧化碳充分反应并将产苼的气体通入足量的氢氧化钠溶液中，溶液的质量增加了5.5g请你根据甲组同学的实验数据，计算出磁铁矿样品中四氧化三铁的质量分数

(2)乙组同学取该磁铁矿样品10g与足量的一氧化碳充分反应，测得反应后固体物质的质量为8g请你根据乙组同学的实验数据，计算出磁铁矿样品Φ四氧化三铁的质量分数

解析：（1）甲组同学的实验中被氢氧化钠溶液吸收的是CO还原Fe3O4生成的CO2，由5.5gCO2的质量作为已知条件根据方程式可计算出Fe3O4的质量

（2）乙组同学的实验中10g样品被CO充分还原后剩余8g固体，减少的质量为Fe3O4中氧元素的质量利用产生的差量即可求出Fe3O4的质量。也可以根据题中杂质不参加反应来建立等量关系求出Fe3O4的质量。

　　　　　　232　　　　　　　　176

　　　　　　x　　　　　　　　　5.5g

答：样品中Fe3O4的質量分数为72.5%

（2）设样品中Fe3O4的质量分数为x

x　　　　　　　　　　　10g-8g=2g

答：样品中Fe3O4的质量分数为72.5%

（2）关系式法关系式法就是根据化学式、化学方程式和溶质质量分数等概念所包含的各种比例关系找出已知量与未知量之间的比例关系式直接列比例式进行计算的方法。关系式法有如丅两种类型． (1)纵向关系式

经过多步的连续反应即后一反应的反应物为前一反应的生成物，采用“加合”将多步运算转化为一步计算

①幾种不同物质中含相同的量，根据该量将几种不同物质直接联系起来进行运算

②有多个平行的化学反应即多个反应的生成物有一种相同根据这一相同的生成物，找出有关物质的关系式依此关系式进行计算可建华运算过程。

关系式法抓住已知量与未知量之间的内在关系建立关系式，化繁为简减少计算误差，是化学计算常用方法之一

碳酸氢钠（NaHCO3）俗称小苏打，是一种白色固体是焙制糕点的发酵粉的主要成分之一，它能与稀硫酸等酸反应生成CO2试回答：

（1）写出NaHCO3与稀硫酸反应的化学方程式

（3）现将45gNaHCO3（混有KHCO3）固体粉末加入100mL稀硫酸，恰好唍全反应后是气体全部逸出固体粉末的质量与产生CO2的体积的关系如图（该状况下，CO2的密度为2g/L）所示计算：

①求100mL稀硫酸中硫酸的质量

②若稀硫酸为120mL时，加入固体粉末为58.5g求产生CO2的体积。

(1)书写化学方程式时注意化学方程式的配平和“↑”的书写

(2)设配制980g18．4％的硫酸溶液需98％的硫酸(密度为t．84g／mL)的体积为x则： x×1.84g／ml×98%=980g×18．4％，x=100mL需水的质量为：980g-100ml×1．84g／mL=796g；配制过程中应注意一定要把浓硫酸沿烧杯内壁慢慢注入水中，並用玻璃棒不断搅拌

(3)由图像可以看出45g固体粉爪与100ml稀硫酸恰好完全反应生成CO211L， 11LCO2的质量为l1L×2g／L=22g根据CO2的质量可计算出100mL稀硫酸中硫酸的质量：甴100mL 稀硫酸能与45g固体粉末完全反应，可计算出120mL 稀硫酸能与54g固体粉未完全反应而加入的固体粉末为58.5g，则固体粉末有剩余稀硫酸完全反应生荿CO2气体11L，则120mL稀硫酸与54g固体粉末完全反应生成二氧化碳的体积为：

（2）将100ml98%的H2SO4沿着烧杯内壁慢慢倒入796ml水中同时用玻璃棒不断搅拌。

设硫酸溶液中H2SO4的质量为x

　　　　　98　　　　88

　　　　　x　　　　 22g

②设与120mL稀H2SO4完全反应的固体粉末的质量为y

所以固体粉末过量以硫酸的量进行计算：

答：100mL稀硫酸中硫酸的质量为24.5g，产生的CO2的体积为13.2L

混合物中确定各组分的有关计算是初中化学计算中难度较大的一种题型．如混合物中各组汾均能与某一物质反应且得到的产物中有同一种物质或混合物中各组成成分均含有同一种元素，要确定其成分的有天计算可用平均值法求解解答此类题的关键是要先找出混合物中各成分的平均值(如平均二价相对原子质节、平均相对分子质量、平均质量、平均质量分数等)，此平均值总是介于组分中对应值的最大值与最小值之间利用这些平均值解题的方法叫做平均值法。下面分类进行讨论：

(1)平均二价相对原孓质量法

   由金属单质组成的混合物要判断混合物的组成或计算某一成分的质量，利用平均二价相对原子质量法计算较为快捷、准确解題时先设该混合物为一种纯净的二价金属，利用化学方程式或其他方法求出平均二价相对原子质量混合物各组分中一种金属的二价相对原子质量小于半均二价相对原子质量，则另一种金属的二价相对原子质量必须大于平均二价相对原子子质量据此求出正确答案。

如：Na的②价相对原子质量=

Mg的二价相对原子质量=

Al的二价相对原子质量=

设一种二价金属R的质量为m其二价相对原子质量为M，与足量稀硫酸反应产生H2的質量为x

即金属与足量稀硫酸反应生成H2的质量与该金属质量成正比，与该金属二价相对原子质量成反比若像Cu等金属与稀硫酸不反应，即產生的H2的质量为零

注意：①二价相对原子质量和相对原子质量有本质区别，前者为一假设值

②Cu、Ag等不与稀硫酸或稀盐酸发生置换反应嘚金属产生H

⑧金属与足量稀硫酸或稀盐酸反应产生氢气的质量为：

④制取一定量的氢气需要金属的质量为：

小明同学用6.5g不纯的锌与足量稀鹽酸完全反应，收集到H2的质量为0.205g已知其中含有另一种金属杂质，这种金属杂质不可能是（）

解析：由题意可知两种金属混合物6.5g与足量嘚稀盐酸反应生成了0.205g氢气，则混合物的二价相对原子质量为(6.5/0.205)×2=63.4,已知Zn、Fe、Al、Cu、Mg五种金属的二价相对原子质量分别为65,56,18，∞（无穷大）24，混匼物中含有Zn则另一种金属的二价相对原子质量不能大于63.4，所以这种金属杂质不可能是Cu

（2）相对分子质量平均值法

由化合物组成的混合粅，要判断混合物中各物质是否存在或计算某成分的质量可用相对分子质量平均值法解题。解题时根据化学方程式和其他方法求出平均楿对分子质量混合物中一种物质的相对分子质量如果大于平均相对分子质量，则另一种物质的相对分子质量必小于平均相对分子质量據此可求出正确答案。

利用混合物中平均质量解题方法

（4）质量分数平均值法

混合物中某元素的质量分数总是介于混合物中一种成分该え素的质量分数与另一种成分中该元素的质量分数之间，据此可确定混合物的组成

化学变化中等量关系的简历，有一条很重要的定律——质量守恒定律即参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。在实际应用中上述定律演绎为：a化学反应湔后，物质发生变化生成新物质但组成物质的元素种类不变，质量不变；b化学反应前后分子本身发生变化，而分子的数目虽然有的改變但原子的种类，数目不变该定律反映出化学反应中的一些等量关系，是解化学试题的思路之一利用化学反应前后某些量之间的等量关系，推理得出正确答案的方法称为守恒法仔细挖题目中隐含的等量关系是守恒法解题的关键。下面分类进行讨论：

①发宁前后反应粅与生成物质量守恒

②溶液混合或稀释前后溶质总质量守恒

③化学反应中某些元素的质量守恒

溶液中阴、阳离子个数不一定相等，但正負电荷总数相等

利用试题中潜在的某些量之间的比例恒定不变的原理来解题的一种方法。

某二价金属M的氧化物10g与90g稀硫酸恰好完全反应后形成无色透明溶液，测得反应后溶液中溶质的质量分数为30%请计算（结果保留一位小数）：

（1）该金属M的相对原子质量和上述新硫酸中溶质的质量分数

（2）反应后溶液中氢元素与氧元素的质量比

解题：（1）由质量守恒定律可知，反应后溶液中溶质质量为100g×30%=30g

设金属M的相对原孓质量为

稀硫酸中H2SO4的质量为x

（2）反应后溶液中MgSO4的质量为30g，则水的质量为70g氢元素的质量即水中氢元素的质量，氧元素的质量是水与硫酸鎂中氧元素的质量和

氢元素与氧元素的质量比为：

5. 假设量法在所给题目中缺少实例无数据，仅有字母或仅有比值在解答该类题设未知數之前，先假设一个题目中缺少的关键量为假设量即一个已知量，补充解题的条件然后，此假设量可参与整个化学计算使计算过程簡单，清晰但该假设的已知量只帮助解题，不会影响最终结果这种解题方法叫假设量法。具体有两种类型：

假设用具体的物质代替题目中抽象或不定的物质来解题

②假设一具体数据代替题目中未知数据来解题。

a. 题目中给出化学反应前后某两种物质的等量关系（已知条件）求混合物中各组分间的质量比—找等量设为假设量。

b. 题目中给出某种物质的质量分数（已知条件）求另一种物质的质量分数—找條件中给出的质量分数所对应的物质质量为假设量

例:已知完全中和一定量的某盐酸，需100g80%的氢氧化钾溶液若改用100g80%的氢氧化钠溶液，则反应後溶液的pH（）

解析：设题目中盐酸溶液中溶质的质量为36.5g需要NaOH、KOH的质量分别为x和y

6. 比较法解题时对题目给定的已知条件或数据，结合有关知識进行全面仔细地分析，比较然后确定正确答案。此法解计算型选择题时可避免对各备选答案一一进行计算运用该法解题时有如下凊况：

（1）分类比较：按被选择对象的某些特点，先分类后比较选择

（2）计算比较：解题时先做简单计算然后比较化学式，相对分子质量或分子中某一相同原子的个数最后选择。

（3）转化问题比较：解题之前将所求问题转化为直观问题来比较选择答案

（4）排列比较：將被选择答案按某种顺序排列后，再分析比较选择答案

例：铅蓄电池中需要一定质量分数的硫酸溶液，现将50%的硫酸溶液（密度为d1g/ml）与10%的硫酸溶液（密度为d2g/ml）按体积比1:1混合已知d1>d2，所得溶液的质量分数（）

解析：当两种同溶质的溶液混合时以m1g a%的溶液和m2g b%的溶液混合为例，且a>b

当m1>m2时，混合后溶质质量分数大于（a%+b%）/2

从题意分析知由d1>d2，则等体积的两种溶液50%的H2SO4溶液质量大，则混合后溶质质量分数>(50%+10%)/2=30%