基于證據推理素養的化學反應方向課堂實踐

羅丹　梁弘文

【摘要】文章以化學反應進行的方向為主題，以二氧化碳的轉化利用為背景，從生活實例、已知化學反應、實驗現象和化學史實中尋找證據，通過分類、歸納提出假設，再通過支撐證據加以證實、證偽和邏輯推理，得出科學結論，并將其用于解決二氧化碳資源化問題，以期提升學生的化學反應方向判斷能力以及化學核心素養。

【關鍵詞】證據推理;反應方向;化學教學

作者簡介：羅丹（1980—），女，福建省同安第一中學。

梁弘文（1972—），男，福建省廈門第一中學。

一、研究背景

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出化學學科核心素養及其五個方面，其中證據推理是科學探究的思維核心，也是化學學科核心素養思維能力的體現[1]。證據推理素養旨在培養學生的證據意識，使其能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論與證據之間的聯系，用化學家的思維方法去認識、思考和解決化學問題，形成化學科學思維。

化學反應方向的判斷是人類認識自然、探索真理的過程，是不斷尋找證據、提出觀點、推理論證的過程。對特定化學反應進行方向的判斷是開展科學研究的先決條件，因此，理解和運用其中的判據至關重要。但是因相關知識涉及熱力學和數學推導，對學生而言具有一定的難度，所以，在對化學反應進行方向判斷的教學中，引導學生運用證據推理思維方式展開學習和推理是促進學生培養此能力的最佳途徑。

“化學反應的方向”一節涉及自發反應、熵變、熵增等概念，學生理解難度較大。而在日常的教學中，論證自發過程提供的證據往往比較單一，并且缺少實例來讓學生感受熱力學理論研究對生產生活和科研的重大意義。實際上，化學學科領域的證據非常豐富，如宏觀和微觀證據、定性和定量證據、符號證據、理論證據等。本文以人教版《化學反應原理（高中化學）》（2019版）第二章第三節“化學反應的方向”為例，以二氧化碳的轉化為問題中心，運用證據推理的邏輯思維模型（圖1）進行課堂教學嘗試，以期拋磚引玉。

二、教學設計思路

科學家對化學反應進行方向判斷的探究始于19世紀中葉，科學探究的過程是一個逐步深入的過程，一般遵循“根據事實提出假設→設計實驗驗證→嚴密地推理和論證實驗結果→形成正確認知”的順序。因此在教學中，筆者以反應自發性判據的發展史為線索，依據證據推理的邏輯思維模型，對反應方向的認知在“提出猜想→科學論證→得出結論”的過程中得出科學的結論，并運用該原理說明已有的事實，預測未知事實，解決二氧化碳轉化的實際問題。

本節教學內容以二氧化碳的資源利用為教學情境，設計了三個核心任務，以日常生活中能夠觀測到的物理現象和化學變化等為研究對象，提出判斷化學反應自發進行方向的猜想，再經過設計實驗、已知知識證實和證偽以及結合化學史實，最終獲得化學反應進行方向的判據（圖2）。

三、教學過程

（一）導入情境，引出問題

[播放視頻]微視頻“碳中和目標下的藍天保衛戰”。

[師]碳達峰、碳中和是當今全社會關注的重點問題。空氣中的CO2是最大的碳資源庫，其含碳量是化石燃料總含碳量的10倍[2]，CO2含量的增加導致全球溫度升高，嚴重威脅人類的生存環境，2060年前實現碳中和的承諾，已經成為國際共識。

任務1：如果你是一位科學家，如何利用廉價而豐富的CO2實現資源轉化的任務？從結構、化合價、物質類別的角度分析，設計利用CO2可能合成其他物質的反應。

[生]CO2是酸性氧化物，可與水、堿、堿性氧化物反應;CO2中碳的化合價處于最高價，可以與碳、氫氣、活潑金屬等還原劑反應;CO2中有碳氧雙鍵，與氫氣加成生成甲酸。

[師]科學家也設想過利用可再生氫氣和二氧化碳合成甲醇、二甲醚和甲酸等基礎化學品，同時減少大氣中二氧化碳的含量的方法。但是二氧化碳具有穩定的雙鍵，能否合成反應活性高的甲醇、二甲醚和甲酸？

設計意圖：由當今面臨的嚴峻環境問題“溫室效應”引入，提出二氧化碳轉化利用是空氣減碳的途徑之一，激發學生運用知識解決實際問題的欲望，發展學生的科學態度與社會責任核心素養。引導學生多視角認識物質，設計可能的轉化途徑，體會化學家思考問題、解決問題的思路與方法，在方案評價過程中發展學生的高階思維，也為本節課的探究任務做鋪墊。

（二）梳理證據，論證推理

任務2：面對一個陌生的反應，如何判斷這個反應能否實現？

[師]培根說過，只有從自然中了解自然。

[游戲]拿出一副新撲克牌，取出撲克牌觀察，撲克是按順序排列的;請一位學生洗牌，再觀察撲克牌的順序;最后將撲克牌散落在桌面上。

[提問]撲克牌能越洗越有規律地排列嗎？生活中哪些過程是自發進行的？請結合生活經驗，舉例不需要借助外力作用就能自發進行的過程。

[生]撲克牌越洗越亂;易燃物自燃、高水低流、食鹽溶解、干冰升華、墨在水中擴散、鋼鐵生銹……

[展示圖片]圖片內容為一杯放置在空氣中的開水，高山上的流水，轉動的陀螺。

[師]合理的分類能使事物的內在聯系清晰明朗，讓我們事半功倍。以上這3幅圖在變化過程中有什么共同特點？

[生]從能量高的狀態向能量低的狀態變化。它們的逆過程不可能自發進行。

[師]如果一個化學反應，在一定溫度和壓強下，不需要借助外力作用（如光照、電解等）就能進行，這樣的反應是自發反應。

[提供化學史]19世紀中期，化學家湯姆遜和貝賽羅曾把反應熱看作是反應的策動力，認為化學反應是向放熱的方向進行。對此你有什么看法？請舉例證實或證偽。

[師]我們通過兩個實驗來驗證真偽。

[演示實驗1]氯化銨和氫氧化鋇晶體的反應（圖3）。觀察反應現象，比較反應前后溫度。

[師]是什么因素驅動了吸熱反應的自發進行？

[展示]提供撲克牌灑落的視頻，干冰氣化的圖片和KMnO4固體溶解的視頻。

[提供化學史]德國物理學家克勞修斯在1854年提出：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化”，并最早引入了熵的概念，得出熵增加原理。1877年，玻耳茲曼對熵作了微觀的解釋，混亂度越大，熵值（符號：S 單位：J·mol-1·K-1）越大。

[問題1]什么是熵？熵的大小與什么有關？

[問題2]以上自發的吸熱反應的熵如何變化？

[問題3]“熵增”是反應自發的唯一判據嗎？請舉例證實或證偽。

[演示實驗2]將一根玻璃管平放在桌面上，將兩團分別滴有一滴濃氨水和一滴濃鹽酸的棉花放在玻璃管兩端，塞上橡膠塞，觀察現象。

[師]實驗過程中熵變如何變化？

[生]濃氨水、鹽酸揮發的過程中熵在增大，氨氣和氯化氫氣體相遇反應生成氯化銨固體的過程中熵又減小。

[師]可見熵變也不能作為判斷反應自發的唯一判據。請分析吸熱反應的熵變和熵減反應的焓變，你能發現什么？

[提供化學史]1878年，美國物理化學家吉布斯提出：“在等溫等壓不做其他功的條件下，自發變化總是朝向吉布斯自由能減少的方向進行，直至體系達到平衡”。這就是著名的吉布斯自由能判據（ΔG=ΔH-TΔS）。

[追問]ΔG=0的反應是什么狀態？

[總結講解]一般地，放熱和熵增能拉動反應的進行，所以判斷時要綜合考慮焓變、熵變和溫度三者的關系，溫度影響的大小要視ΔH、ΔS的具體數值而定。用改編宋代辛棄疾的《鷓鴣天》來做個總結：熱已放，氣難收，反應一去不回頭。焓變已被熵遮斷，判依溫度不自由。

設計意圖：本環節首先回答為什么要研究化學反應的方向（讓知識生根），接著對判斷化學反應的方向提出假設（讓知識發芽），再通過事實證據、實驗證據進行證據評估（讓知識開花），最終推理出科學的結論（讓知識結果），并將此理論進行歸納和演繹，在下一環節用于解決實際問題（讓知識繁衍），這是知識的自然生長過程，也是學生基于證據推理的認知建構過程，學生在活動中體會科學探究的思路與方法、艱辛與快樂。最后教師將本節的核心內容改編成詩詞，起到總結和升華的作用。

（三）應用模型，解決生產、生活中的問題

任務3：利用可再生氫氣和二氧化碳為原料設計反應，助力達到碳達峰、碳中和的目標。

[合作探究]有人利用二氧化碳和氫氣設計了分別合成甲醇（同時生成了水）、甲酸、甲醚（同時生成了水）的反應，已知常溫常壓下測得三個反應的焓變分別為-49.0kJ/mol、+30.9kJ/mol、-122.5kJ/mol。

[問題1]通過計算判斷各反應能否自發進行。

[生]三個反應均是氣體分子數減少的反應，所以ΔS﹤0。反應①和③的ΔH﹤0，由ΔG=ΔH-TΔS可知，高溫時，ΔG﹥0，反應非自發;低溫時有可能自發，因此，CO2與H2制甲醇和二甲醚低溫可以實現。反應②無論溫度高還是低，ΔG恒大于0，反應不能自發進行。

[問題2]反應發生了就等于快速進行了嗎？二氧化碳的轉化率怎樣？

[問題3]反應②的ΔG﹥0，該條件下非自發，如何解決這個難題呢？

[資料]已知HCOOH與氨水、NaOH、甲醇的酯化反應均為放熱反應。

[生]加入易與產物中的HCOOH反應的物質，且反應過程中ΔS﹥0、ΔH﹤0更佳。

[教師總結]對于ΔG>O的反應，可以通過改變溫度、壓強使ΔG[師]熵增定律在宇宙中是普遍存在的，自然界如果沒有控制和干預，將會越來越混亂。向環境中排放二氧化碳容易，但是從環境中捕集二氧化碳卻要付出代價，所以我們要行動起來，踐行節能減排、低碳生活。

設計意圖：首尾呼應，學以致用，幫助學生認識吉布斯自由能判據的功能價值，初步形成基于ΔS、ΔH和T之間的關系來比較分析反應方向的一般思路和方法，讓學生在解決實際而復雜的問題過程中，感受化學與STEM的關系，構建化學價值觀，增強文化自信。同時使學生明確反應的方向、速率和限度是認識化學反應的三個方面，自發不代表一定發生，發生不一定速率快、產率高。

【參考文獻】

[1]楊梅，莫尊理，張英，王培.從證據推理視角對“離子反應”教學案例的分析及其啟示[J].化學教育（中英文），2020，41（17）：60-65.

[2]張一平.二氧化碳加氫合成甲酸的熱力學分析[J].浙江教育學院學報，2005（03）：53-58.