關于化學平衡學科理解的幾個問題

姜顯光 鄭長龍

摘要：?學科理解是科學教育研究者和一線教師面臨的重大挑戰和重要課題。關于化學平衡主題的價值和存在的問題目前在教育教學理論研究和實踐領域已經達成了共識，以科學認識論為基礎設計并提出問題。通過對一位重點大學物理化學教授的訪談發現：?化學平衡的研究域得到拓展;化學平衡的特征認識更明確;判斷化學平衡移動的視角更清晰。并得到了如下啟示：?學科理解問題的必要性和緊迫性;學科理解要兼顧深度和廣度;學科理解要兼顧理論和實踐;學科理解能拓展認識視野。

關鍵詞：?化學平衡的本質特征;?學科理解;?研究域;?認識視角

文章編號：?10056629（2021）07008806

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

近年來，學科理解問題備受科學教育領域的設計者、基礎教育教學領域的研究者的關注。當前，我國基礎教育教學實踐中，對主題教學主要從課程視角、教學視角、學習視角展開。無論是何種視角，學科理解問題都是影響課堂教學質量好壞的重要變數。“學科教學價值轉化”的缺失使得學科教學育人價值只能停留在紙面上[1]。化學學科理解能力是化學教師核心素養之一，是從學科視角解決教什么的能力[2]。所謂學科理解能力，應該理解什么？從什么視角理解？理解到什么程度？對這些問題的深入探討和分析，既有利于提高課堂教學的有效性，也具有重要的學科價值。

1?達成的共識

化學平衡主題的價值和存在的問題在教育教學研究和實踐中已達成共識：?第一，化學平衡主題是化學學科的重要主題，是“變化觀念與平衡思想”培育的主要載體;第二，化學平衡概念抽象，理解難度較大;第三，教師難以把握化學平衡的本質;第四，學生學習時迷思概念覆蓋面廣。

2?問題的提出

第一，為什么理解？這是科學實踐論問題，理解、認識的最終目的是指導實踐。學科理解是對學科知識的再認識，直接目的是指導一線教學實踐和教育教學研究，促進學科核心素養在課堂落地。

第二，理解什么？主要針對“學科知識及其思維方式和方法”，屬于科學認識論范疇。

第三，理解到什么程度？這是科學本體論問題。學科理解是基于學科主題，抽提學科概念的認識視角和認識思路。

第四，如何理解？這是科學方法論問題。站在不同的角度，對學科知識的理解是不同的。但最終需要站在輔助一線教學和進行科學教育研究的視角進行學科理解。

3?訪談資料獲得

本研究采用半結構訪談的形式。訪談對象是一位國內重點大學物理化學學科資深教授。訪談前圍繞化學平衡主題，設計了幾個問題維度，包括化學平衡的研究域、如何理解可逆反應、化學平衡本質、圖像表達、化學平衡的調控、建立、宏觀可逆、雙向自發等方面。在訪談過程中隨著討論的深入，有些問題做了一定的調整。

2016年10月，出于課題組研究需要，課題組預先對一線教師進行了集體訪談，了解了一線教師在化學平衡主題教學過程中的困擾以及他們迫切需要解決的問題。結合課題組科研實際，與W老師進行了預約。訪談在L省D市某賓館進行，時間接近4個小時。文本化后對材料中的人名、地名、學校等作了匿名處理，并對部分詞句在保留原意的基礎上進行了微調。

訪談對象W教授生于1958年，博士學位、博士生導師，具有多年大學物理化學教學經驗，發表了多篇學術論文，出版了多部學術著作。

4?訪談研究發現

4.1?理解研究域

根據訪談的預設維度，化學平衡的研究域是其中一個維度。在化學平衡教學中，教師引課多以過飽和溶液為例。但是食鹽溶解于水、蔗糖溶解于水是否屬于化學平衡問題？這樣的引課是否恰當？一線教師對此并不確定。

4.1.1?破壞分子內作用力（涉及電子轉移或電子對偏移）

溶解平衡（如食鹽溶解于水達到過飽和狀態）是不是屬于化學平衡的研究范疇？

第一，涉及化學鍵的斷裂和形成就屬于化學問題。

W：?關于溶解平衡屬不屬于化學平衡？我認為屬于化學平衡，可從兩點上分析。第一點，從化學概念上看，化學的研究領域不外乎是電子的得失、共用等。我現在用的是經典理論，不用近代理論。涉及到化學鍵，包括金屬鍵、離子鍵、共價鍵以及配位鍵。只要涉及到鍵的斷裂就涉及到電子的重新分配問題，比如說電解質在溶液中解離形成陽離子和陰離子。但如果說溫度高在氣態的解離就存在一個異裂和均裂的問題，其中均裂就產生自由基。所以無論在哪種情況下，只要涉及化學鍵的形成和斷裂，涉及到這個宏觀的平衡就應該屬于化學平衡。

第二，符合化學平衡規律。

W：?宏觀的化學平衡原理都能指導它。一般的化學反應平衡、沉淀平衡、絡合解離平衡，以及一般的溶解，它都符合總的化學平衡規律。那應該就屬于化學平衡。

W：?它屬于化學過程，但這個化學過程需要進一步解釋，所以還不如一步到位，只要涉及到電子得失的平衡都屬于化學平衡。

4.1.2?破壞分子間作用力的溶解（即不涉及電子轉移或電子對偏移）

溶解包括電解質溶解和非電解質溶解，非電解質溶解，如O2溶解于水，固態物質溶解于液態物質，有機物溶解等，屬于化學平衡嗎？

W：?這一塊不涉及電子的轉移問題，但這涉及到它原來存在形態的事兒。所說的有機物溶解，以及氧氣的溶解，從物理化學這個學科來看，我仍然把它列為化學平衡。

第一，理想液態混合物。

W：?我們先從液態去談，液態分為溶液和混合物。將兩種結構相差比較大的物質混合稱為溶液，將物質結構相近的兩種物質混合所得的稱為液態混合物。液態混合物又分為理想液態混合物和實際液態混合物。其中符合拉烏爾定律的稱為理想液態混合物，它的表現是兩種性質相近、體積相近的物質混合，總體積等于兩種物質體積之和。它的本質是在液態混合物中兩種原子或分子是隨機分布的，沒有任何趨向性。

第二，實際液態混合物。

W：?如果有趨向性，就說明兩種物質是有差別的，在混合時就會產生焓變。例如，如果a和b的作用比b和b的作用更強，那么當混合時就會放出熱量，這就是實際液態混合物。然而，實際上a和b不可能沒有差別，所以將a和b混合溶解時必然會產生焓變，有焓變那么就應該屬于化學。

W：?接下來說O2，它不像CO2溶于水。我們可以認為O2原本沒有分子間作用力，但當它溶于水的時候就有了分子間作用力。在19世紀中葉，在描述溶解的時候有一個亨利定律，有一個平衡常數，這個平衡常數和溫度有關系。所以這一塊我仍然傾向于認為它屬于化學平衡。

從化學學科上，對此問題給予回答，將把基礎教育教學中與化學物質有關的化學過程平衡都納入到化學平衡體系中，理論具有更大的包容性，增強化學平衡相關理論的解釋力。

4.2?理解可逆反應

4.2.1?正、逆反應雙向自發的宏觀體系是否存在

按照物理化學，一切宏觀的自發過程都是不可逆過程。化學平衡體系是宏觀熱力學體系，而且是可逆的，那么是否意味著雙向自發的宏觀體系是存在的呢？

W：?這有兩個問題。第一個，如果說A生成B的反應是自發的，那么B生成A的反應一定是非自發的;第二個，如果說A生成B的反應是自發的，自發就不是平衡，但現在你卻和平衡套上了，但其實這兩個問題都不存在。為什么說不存在？我們說的平衡指的是宏觀上的平衡，而不能應用到微觀上，宏觀是限制不了微觀的。平衡時，如果說A生成B的反應是自發的，那么B生成A的反應就一定是非自發的。這里的自發和非自發在概念理解上就已經有了偏差，這個理解的偏差甚至是很多物化老師都存在的。在均相反應中，沒有A一點不能生成B、?B一點不能生成A的情況。

第一，理論解釋。

W：?我們判斷所謂自發和非自發是從化學熱力學上計算出來的宏觀結果。化學熱力學是宏觀的，它絕對解決不了微觀的問題。

第二，實例分析。

W：?均相反應中，這個最低點的ξ既不能為0，也不能為1。有些均相反應可以無限趨近1，但永遠不能等于1;可以無限趨近于0，但永遠不能等于0。我們知道氫的燃燒很劇烈，它的趨向很大，但也到不了1，不可能一點氫不剩。汽油燃燒也是如此，所以汽車尾氣里仍然還含有燃燒不完全的烴。我們再展開，說說均相反應中的酸堿滴定，根據一定溫度下水的離子積，濃堿里也仍然還有質子。

可逆反應不是宏觀上的可逆，化學熱力學只預測宏觀態的走向，絕不預測微觀過程。可逆是在微觀層面談問題。

4.2.2?理論、實驗和科研實例解釋可逆反應的存在

以合成氨為例，反應平衡后體系里還有氮氣和氫氣，那這氮氣和氫氣是沒有反應掉的還是逆反應過程中產生的呢？

第一，理論解釋：?化學勢。

W：?假如有個動物膜，它允許水分子通過，而不允許水合離子通過。在有這個膜的U型管中一邊加純水，一邊加氯化鈉水溶液，我在宏觀上預測純水的液面一定會下降，因為這邊化學勢低那邊化學勢高。但是，如果標記溶液中的氧為O18，我并不能說純水中沒有含O18的水，其實兩邊的水分子是流動的，只是純水往溶液中跑的比溶液往純水中跑的多，造成宏觀上純水液面下降。這是從化學熱力學的角度看。

第二，實驗解釋：?同位素示蹤。

W：?怎么證明平衡時體系中的反應物是剩下的還是生成物轉化來的呢？我們可以用同位素方法，例如合成氨反應，對氨氣中的氮進行標記，在最后體系中發現有含標記的氮的氮氣，這就可以證明有生成物轉化為反應物了。

第三，科研實例分析：?逆向思維研究問題。

W：?在研究催化劑中，當正反應進行費勁而逆反應容易時，我們就選擇研究它的逆反應。對逆反應效果好的催化劑對正反應也好，這種研究催化劑的方法在幾十年前就有了。

逆反應真的存在嗎？學科專家對此問題的認識既有理論依據，又有實驗支撐，還有科研實例進行佐證。

4.3?理解動態平衡

宏觀上已經達到平衡狀態，微觀正向和逆向不停地進行。這是由對可逆反應的解釋引申出對動態平衡的理解。

W：?剛才我說半透膜。再比如說化學吸附，那不就是表面反應嗎？在這個條件下，宏觀的吸附量是一定的，處于平衡狀態。但是在微觀上，有一個分子剛吸上來了，一會又脫下去了，它是在不斷地進行的，吸附就是反應。吸附是正向的，脫附是逆向的。

化學熱力學只研究系統的宏觀趨勢，不研究微觀上如何變化。動態平衡問題屬于微觀問題。

4.4?理解本質特征

化學平衡的五個特征（逆、等、動、定、變），哪個是其本質特征？關于化學平衡的本質特征問題，在與一線教師進行交談過程中，基本上都提出速率相等是其本質特征。但是都無法給予合理的解釋，這也給一線教師在教學過程中帶來了尷尬。

W：?正向和逆向速率相等是本質。因為你用本質解釋現象。

W：?含量相對不變是表面現象，實質是速率相等。

W：?動力學是研究本質的。動力學分為宏觀動力學和微觀動力學。宏觀動力學研究速率隨濃度、溫度、催化劑如何變化。微觀動力學描述的是分子。

W：?我們假定一個基元反應，這個基元反應經過一個過渡態A—B—C，?B和C之間鍵斷，那個A和B是鍵成，我們就用這個來說它的概率。A—B—C往左邊變成A和BC、往右邊變成AB和C的概率是相同的，所以正向反應和逆向反應速率是相等的。

因此，中學所講的反應速率是宏觀動力學中的速率，以基元反應為例對此進行了分析解釋。那么，能否用微觀動力學，即基于態態反應予以解釋？

W：?態態反應生成反應物的概率就是速率。態態反應生成反應物概率和生成產物概率是相等的。

W：?我是研究催化劑的。因為化學反應物吸附在催化劑表面上有一個吸附態，另外一個反應物也有一個吸附態，這兩種吸附態之間的反應，因為它們的能量都在高峰位置上，既可以向左，又可以向右，向左和向右的概率是相同的，這說明速率是相等的。

運用化學動力學對化學平衡的本質特征進行解釋，在教學中遇到了問題。由于涉及基元反應和態態反應，兩個概念都是深入到學科內的知識。在新一輪基礎教育教學改革中，基元反應概念已經寫入到課程標準中，為其合理解釋提供了基本理論保障。態態反應涉及學科前沿的量子理論知識，教師和學生理解起來難度更大。

4.5?理解認識視角

狀態函數有ΔG、?ΔA、?ΔS、?ΔH，哪些能成為判斷化學平衡移動方向的視角。在一線教學中，都是以高考為指向，而高考對此問題予以回避。因此在教學過程中，此內容也就成了學生自學內容。教學研究者和一線教師對此問題都存在著迷思概念。

4.5.1?ΔG、?ΔA是判斷化學平衡移動的能量視角

W：?能量降低是自發的。但什么是能量？能量用什么代表？現在我來回答，在定溫定壓下，能量就用G（吉布斯自由能）來代表，在定溫定容下，能量就用A（亥姆霍茲自由能）來代表。

4.5.2?ΔS是判斷化學反應能否實現的視角

W：?ΔS能成為視角。ΔS解決能不能實現的問題。

W：?這里要提到一個概念——孤立體系，原來系統再加上原環境構成的就是一個虛擬系統。系統熵變就是原系統熵變和原環境熵變加一起，這就是孤立系統的熵變了。孤立系統的熵變如果小于零得出來的結論是什么？就是我要論證的，原來的過程能實現，能實現并不見得是自發。

4.5.3?ΔH不是判斷化學平衡移動的視角

W：?能量在定溫定壓下是ΔG，定溫定容是ΔA。ΔH不代表能量，它只代表熱量。因為熱量降低同時，還有熵變發生，所以把它們合二為一，稱為吉布斯（自由能）。

對化學反應能量的認識，在一線教學中大多數都認為是ΔH，即熱量。而熱量只是能量的一種形式。實際上，能量是由焓變、溫度、熵變綜合作用的結果。熵變作為認識視角，解決了反應能不能實現的問題。

5?討論與結論

5.1?拓展了化學平衡的研究域

學科認為化學平衡的研究域是化學反應平衡。通過對W教授的訪談，對于化學學科中常見的溶解平衡，如食鹽溶解平衡等這類破壞分子內作用力的溶解過程被納入到了化學平衡的研究域。如氧氣、蔗糖等溶解于水，有機物溶解平衡等，這些在溶解過程中破壞分子間作用力，通過理想液態混合物和實際液態混合物的溶解過程分析，在很大程度上也可被納入到化學平衡的研究域。

5.2?明確了化學平衡的特征認識

經W教授分析，對化學平衡體系的可逆反應、動態平衡、本質特征的認識更加明確了。

化學平衡是熱力學宏觀平衡體系，這對可逆反應和動態平衡的理解造成了困擾。W教授認為這兩個特征都是化學平衡的微觀特征，并通過理論和實例對此作了分析論證。對宏觀體系雙向自發性不可能存在的問題也作了論證。通過理論、實驗和科研逆向思維三個角度分析了逆反應是真實存在的。

通過與W教授討論，分別從宏觀動力學和微觀動力學兩個不同理論出發，對基元反應的過渡態和態態反應進行分析，最終以“概率”為契合點，合二為一進行了解釋，正反應速率等于逆反應速率是化學平衡的本質特征。

5.3?清晰了判斷化學平衡移動的視角

判斷化學平衡移動的視角是能量，等溫等壓條件下，能量就用G（吉布斯自由能）來代表，在定溫定容下，能量就用A（亥姆霍茲自由能）來表示。而G的構成不僅有焓變，還包括熵變（系統熵變和環境熵變之和）。

判斷化學平衡移動能不能實現的視角是熵變。

焓變僅代表化學反應過程中的熱量，這只是能量的一個樣態，因此不能作為判斷化學平衡移動的視角。

6?啟示與建議

以化學平衡主題為依托，通過對一線教師的集體訪談和W教授的專訪，結合課題組的科研實際，對學科理解得出如下啟示和建議。

6.1?學科理解的必要性和緊迫性

第一，學科理解的必要性。

學科理解是一線教師的迫切需求。通過對部分一線教師訪談發現：?在教學過程中，多從課程視角、教學視角、學習視角展開，對知識的理解流于表面，不敢深入學科;有的一線教師對化學平衡理解知其然，不知其所以然，這直接導致這些教師經常回答不上學生的問題。結合對W教授的訪談，發現教師關于化學平衡主題存在大量的迷思概念，這將給學生學習帶來困擾。

第二，學科理解的緊迫性。

學科理解是學科核心素養在課堂教學中落地的基礎。學科核心素養發展是新一輪基礎教育課程改革的主旨，其關鍵是如何將知識轉化為素養，即將所學知識作為未來新知識學習的基礎。教師學科理解水平直接決定其是否有能力在課堂上落實學科核心素養。沒有學科理解作為支撐的課堂教學，學科核心素養的落實就是無根之木、無源之水。

6.2?學科理解要兼顧深度和廣度

不同人站在各自的立場上，根據不同的需求和不同的理解水平，對學科理解有不同的認識。因此學科理解問題不是一個人或者一類人就能夠解決的。應該是有學科專家、學科教育專家、一線教師三者組成的學術共同體，以此實現對學科理解“度”的把握。通過對一線教師的訪談發現，他們迫切需要解決教學實踐中的問題，如何能夠深入淺出地把知識呈現給學生，讓學生能夠更好地理解和掌握所學的知識;對W教授的訪談結果發現，學科專家的學科理解往往是站在學科視角，有時理論過于深奧，這對于一線教師和學生來說是無法理解的，這顯然也不是一線教師所需要的。學科理解需要把理論性、抽象性較強的知識在不改變知識“原味”的基礎上，進行結構化、通俗化和簡單化處理;科學教育研究者是站在教育教學研究的視角進行學科理解的。根據不同的人的不同需要，把三者的需求加以契合，找到最佳契合點，也就是我們要的——兼顧深度和廣度。

6.3?學科理解要兼顧理論和實踐

學科理解切入點很多，如何能夠做到有說服力？通過對W教授的訪談發現，學科理解既要有理論支撐，同時也需要實踐佐證。如可逆反應是否存在的論證，W教授從理論到實驗，再到科研實例進行了分析，雖然是站在學科視角，但通過不同角度給予理解，更具有說服力，也更容易理解。也就是說，學科理解既需要理論解釋，上升到理論高度，也必需有實例支撐，回到實踐中去。

6.4?學科理解能拓展認識視野

學科理解是對知識的全面系統分析，從學科視角對此予以理解。這也涉及到諸多問題，可能引發其他知識的再認識。

例如對化學鍵認識的拓展問題不在預設維度內，是隨著討論的深入而逐步加深的，如氧氣溶解于水屬于化學過程。為了能夠將兩個過程合二為一，即把非電解質溶解平衡納入電解質溶解平衡體系中。鄭長龍教授現場思考、生成、提出問題：?是否可以將化學鍵的概念進行拓展？W教授對此結合實際進行了分析。

W：?你把化學鍵概念進行拓寬，那么剛剛的問題就都不是問題了。這是一個非常好的想法，但問題是阻力會非常大。大到什么程度呢？你將會顛覆專業人的認識。

W：?可是如果往后推50年，我覺得還真有可能落到你這里。

進一步追問：?如果只在原子間相互作用上理解化學相互作用，我認為它包容性不夠。我們站在學科外面看，所以需求更加迫切。我現在就有這個需求，為什么現在化學就被化學鍵束縛住，僅僅局限于分子內的相互作用？我們現在已經有超分子了，為什么不能把化學相互作用的視域給打開，使我們的理論有更大的解釋力。

W教授對化學鍵拓展可能遇到的阻力和未來發展的可能性進行了分析。

第一，可能遇到的阻力。

W：?現在專業上對化學鍵的認識已經根深蒂固了。專業上區分化學鍵和分子間作用力是根據它們的能量。專業人研究了很多液態物質的蒸發焓，大概在幾到幾十焦每摩爾的數量級上，從而確定了分子間作用力的大小，而我們涉及鍵的斷裂和生成的化學反應起碼在幾十千焦每摩爾的數量級上。根據能量的量級差別就可以區分原子間作用力和分子間作用力。在吸附上，靠分子間作用力的吸附是物理吸附，而靠原子間作用力的吸附是化學吸附。想要沖破專業人的這種認識比較難，這就是將要遇到的阻力。

第二，未來發展的可能性。

W：?因為關于物理吸附，如果你窮追不舍地去探討，那就不得不回到微觀上看吸附到底是怎么發生的，這又可能不得不用到現代的一些有關電子的模型去解釋物理吸附。而一旦運用這個電子的模型，物理吸附又是化學了。所以如果窮追不舍地問，最后肯定會有新的問題產生。

參考文獻：

[1]李政濤.?深度開發與轉化學科教學的“育人價值”[J].?課程·教材·教法，?2019，?39（3）：?55～61，?101.

[2]鄭長龍.?化學學科理解與“素養為本”的化學課堂教學[J].?課程·教材·教法，?2019，?39（9）：?120～125.