水溶液稀釋過程中的空間哲學教育嘗試

任圣穎

摘要：基于“魚是否知道水的存在”這一哲學問題，解決了水溶液中離子反應平衡類比于氣體反應平衡來處理的思維過渡問題，并利用思想實驗，以醋酸分子為工具將這種思維應用在空間哲學的理解上；提出化學哲學教育不僅需要從現有的化學素材中總結出哲學思想，還可以利用化學知識作為工具對哲學問題進行考察，以吸引學生的興趣。

關鍵詞：化學哲學；思想實驗；水溶液；平衡移動

文章編號：10056629（2023）06004705中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

溶液的稀釋引起的平衡移動是高中《化學反應原理》的重要內容。對該知識的考察，經常涉及到平衡移動的方向這個核心問題。在教學中，教師一般從定量和定性兩個角度來講解。定量分析主要依據一定溫度下化學平衡常數不變，通過Q和K值的比較考察稀釋這一因素引發的變化，方法可靠，學生易于接受；定性分析多來自于教師的教學實踐：溶液中的可逆反應表達式類似于氣體的形式，解題的經驗告訴我們，用氣體平衡的知識點類比處理溶液中的平衡問題，總能夠得到正確的答案。與定量的方法相比，來自經驗的定性分析無需計算，無疑是一種捷徑。

毫無疑問，將氣體中的平衡規律“遷移”到溶液里，在處理習題時是非常有用的。但是教師將這種解題經驗“遷移”給學生時，學生不免會問：為什么液體中的可逆反應可以類比氣體來處理？畢竟，氣體是氣體分子分散在空間（容器）里，而溶液是分子、離子分散在容器中的水里。因此，就這種“遷移”而言，學生需要一種思維過渡。在教學中，筆者對這個問題的解決進行了哲學上的處理，在此分享給各位同仁。

1 空間哲學

1.1 空間哲學思想及教學關鍵問題的設置

學生的這個問題，隱含著空間哲學思想。水中的魚是否知道水的存在，是一個有趣的哲學問題。如果魚一直生活在水里，可以想象，魚不會知道水的存在。就像人類在相當長的一段時間，都沒意識到空氣的存在一樣^［1］。既然水中的魚不知道水的存在，那么對于魚來說，水是什么？不難得出，對于意識不到水存在的魚來說，水其實就是空間。類似于此，如果把溶液中的溶質看成是水中的魚，我們就會發現，對于溶質來說，液體和氣體的空間差別就消失了，存在于溶液中的溶質和這些溶質分子以氣體形式存在于一定空間內的行為是一樣的。增加了水，就是增大了空間；減少了水，就是減小了空間。也就是說，對于水溶液中存在的分子、離子來說，水就是空間，而它們自己，如同氣體分子一樣在這個空間里不斷運動（就運動而言，水溶液中溶質粒子的運動和氣體分子的運動是相似的）。通過這種哲學思考，我們可以順利地引導學生將溶液中的粒子行為轉化為容器中氣體的行為來考慮，見圖1。

這種空間哲學思想，在惰性氣體影響平衡的移動已經有所體現。在考察惰性氣體對平衡移動的影響時，必然會談及惰性氣體的通入是否引起反應空間的變化（進而影響濃度）。例如，對于2NO₂（g）N₂O₄（g），恒容下通入Ar，由于空間沒有發生變化，NO₂、 N₂O₄濃度不變，因此平衡不移動；而恒壓下通入Ar，由于空間增大，NO₂、 N₂O₄濃度變小，因此平衡逆向移動。恒壓下通入Ar，和溶液中加入水是一樣的，都造成了空間增大，從而引起濃度的改變。

上述空間哲學思想能夠有效解決水溶液中離子反應平衡類比于氣體反應平衡來處理的思維過渡問題。如何把這種哲學思想有效傳遞給學生？這種哲學思想是借助魚與水的空間關系來獲得的，所以我們可以把“魚與水的空間關系”作為空間哲學教育的起點。在學生已有的認知中，“魚與水”素材已經存在：八年級語文教材中的“莊子與惠子游于濠梁之上”一文，莊子和惠子正是借助水中的魚進行辯論，引出了認知的范圍是有限還是無限這一哲學問題爭論。但是，“魚是否知道水的存在”對于多數學生來說，是難以回答的問題。而學生對空氣的感受則有助于回答這個問題。在教學中，筆者首先設計如下教學內容和關鍵問題來解決學生的“思維過渡”問題，見表1。

1.2 利用有意識、會觀察的醋酸分子對空間的進一步考察

在物理化學領域，物理學家麥克斯韋1867年設想了一個會觀察的麥克斯韋妖（Maxwell's demon），以此作為工具，對熱力學第二定律提出了挑戰^［2］。這個思想實驗引發了科學家對熱力學第二定律的熱烈討論，促進了信息負熵論的發展。同時，這個思想實驗也引起了哲學上的關注^［3，4］。受此啟發，本文對利用有意識、會觀察的CH₃COOH分子作為工具，對空間做出哲學上的進一步考察，以輔助理解一些“匪夷所思”的空間現象。

將溶液中的水看成空間，這一思維讓學生體會到了溶液中粒子和氣態粒子的空間在哲學思維上的同一性。從“水中的魚是否知道水的存在”這一哲學問題來看，這一思維具有合理性。但是，從水溶液中粒子間的反應機理來看，這一思維方法具有一定的局限性（除水外，其余粒子全部看成氣體，解題時依然有效）：被看成“空間”的水，與粒子并非毫不相干，在一些可逆過程中，一部分水是要參與反應的，比如醋酸分子的電離過程。這一局限性將會引發對空間的進一步哲學思考。

首先我們設想一個有意識、會觀察的CH₃COOH分子。CH₃COOH分子在水溶液中存在電離平衡CH₃COOH（aq）+H₂O（l）CH₃COO^-（aq）+H₃O⁺（aq）。這個有意識、會觀察的CH₃COOH分子會看到其他醋酸分子在什么都沒有的“空間”里被分解掉、又會重新生成這一現象。雖然我們知道，作為空間的一部分，H₂O分子的參與是CH₃COOH發生電離的原因，但是要知道的是，CH₃COOH分子是意識不到水的存在的。對于有意識的CH₃COOH分子來說，這個現象是不可思議的：它會觀察到其他CH₃COOH分子被“無（空間）”分解掉了，又能在“無（空間）”中重新生成。由此我們可以想象出，人類對于空間的認識很有可能也受到了經驗的限制。長久以來，科學家先是認為，真空里什么都不存在，真空就是單純的空間。但是量子漲落現象告訴我們，真空（空間）并不像人們所想象的一無所有。科學家發現，真空中會憑空出現大量的虛粒子對，它們一正一反，然后又在極短的時間內湮滅消失，這種現象被稱為真空量子漲落^［5］。這種從“無（真空）”里產生粒子對，對于我們來說，就像CH₃COOH分子觀察到其他CH₃COOH分子在“無（空間）”里被分解和生成了一樣，也是不可思議的。借助有意識、會觀察的CH₃COOH分子這一思想實驗，量子漲落現象就會容易理解得多：我們觀察到的量子漲落現象很有可能是我們意識不到的“無”（空間里）的作用的結果。事實上，量子場論認為，真空中其實蘊含著巨大的暗能量，這是造成量子漲落的原因^［6］。

對空間進一步考察可以引導學生形成“無中有（包含）有”“無中生有”“有到無中去（變化）”的哲學觀念，在教學中，筆者依然通過關鍵問題引導學生對空間進行哲學上的進一步思考，見表2。

1.3 對化學哲學教育的思考

近些年，在化學教學中強調了哲學教育的重要性。從現有的文獻來看，目前哲學教育，通常是從已知的化學結構、化學反應、化學原理、化學現象、化學史等中總結出哲學思想、方法，從而影響學生的發展。但是，這些化學素材中所體現出的許多哲學觀，學生在平時學習生活中或多或少都已經聽說過，學生并沒有太大的學習熱情。比如化學哲學中常見的世界的物質觀、對立統一規律、辯證唯物主義等，在高中政治必修4《哲學與文化》中都有詳細的介紹。鑒于此，本文嘗試利用化學知識作為工具對哲學問題進行突破性的考察，以引起學生的興趣。在教學過程中，筆者發現學生普遍能夠接受以上空間哲學思想，并顯露出較大的學習熱情。一個非常重要的原因就是，與以往的化學哲學教育相比，學生覺得這樣的化學哲學比較有新意，對自己的世界觀有實質性的影響。

本文中對空間這一哲學核心問題的思考，顯然和常見的從已有的化學素材中獲取哲學思想不同，這種不同體現在突破了“知道道理”范圍。因此，化學哲學的教育還可以更進一步：不僅僅告訴學生道理（哲學思想和方法），還可以利用化學知識作為工具對現有的哲學問題進行考察。

從歷史上來看，化學家多是樸素的科學實在論者，習慣于將原子、分子、離子等粒子作為世界的構成部分。由于化學與技術之間的緊密聯系以及歷史上化學家注重實用的傳統，他們忙于制造新的化學物質，為人類的物質文明帶來巨大貢獻。然而，也正是由于以上原因，他們在意念上卻鄙視哲學，養成了回避形而上學問題及其爭論的習慣^［7］。與化學家的情況類似，化學教師的哲學素養因為各種原因通常也是匱乏的。因此，如果化學教師要承擔起化學哲學教育這一任務，不僅需要從現有的化學素材總結、吸收哲學思想和方法，還需要重視利用化學知識對哲學問題進行一些突破性的考察。

2 結語

有文獻認為，很多學生學習化學課程之后，從化學的視角去審視和解決生活中的相關問題方面并沒有得到很好的發展。最主要的一個原因是教師對化學教學內容缺乏反思和質疑，經常用線性、單維的教學方式進行教學，很少超出教材所呈現的范疇^［8］。以有限的形式表現出來的無限就是美，本文中空間思維轉換的思想顯然超越了化學和教材的界限，這種思想不僅能幫助學生解決一種類型的題目，更是能深刻地影響學生的世界觀。在其他學科中，基本遇不到溶液的稀釋引起的離子反應的平衡移動問題，也就無法引起空間哲學的進一步思考。只有在化學的學習中，遇到這個問題，才能進一步闡述空間哲學。因此，在高中化學學習中，這種空間哲學教育的機會是非常珍貴的。

參考文獻：

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［3］孫圣. 科學思想實驗的劃界問題研究： 技術細節及其缺省［J］. 自然辯證法研究，2022，38（6）： 109～114.

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［5］［6］邢志忠. 浩瀚的宇宙來自“真空漲落”嗎［J］. 現代物理知識，2018，30（3）： 70～71.

［7］邢如萍，桂起權. 化學哲學研究的新走向［J］. 哲學動態，2008，（12）： 54～60.

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