水溶液稀釋過程中的空間哲學(xué)教育嘗試

任圣穎

摘要：基于“魚是否知道水的存在”這一哲學(xué)問題，解決了水溶液中離子反應(yīng)平衡類比于氣體反應(yīng)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(yīng)用在空間哲學(xué)的理解上；提出化學(xué)哲學(xué)教育不僅需要從現(xiàn)有的化學(xué)素材中總結(jié)出哲學(xué)思想，還可以利用化學(xué)知識作為工具對哲學(xué)問題進行考察，以吸引學(xué)生的興趣。

關(guān)鍵詞：化學(xué)哲學(xué)；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(xué)反應(yīng)原理》的重要內(nèi)容。對該知識的考察，經(jīng)常涉及到平衡移動的方向這個核心問題。在教學(xué)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(jù)一定溫度下化學(xué)平衡常數(shù)不變，通過Q和K值的比較考察稀釋這一因素引發(fā)的變化，方法可靠，學(xué)生易于接受；定性分析多來自于教師的教學(xué)實踐：溶液中的可逆反應(yīng)表達式類似于氣體的形式，解題的經(jīng)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(jīng)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(guī)律“遷移”到溶液里，在處理習(xí)題時是非常有用的。但是教師將這種解題經(jīng)驗“遷移”給學(xué)生時，學(xué)生不免會問：為什么液體中的可逆反應(yīng)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(xué)生需要一種思維過渡。在教學(xué)中，筆者對這個問題的解決進行了哲學(xué)上的處理，在此分享給各位同仁。

1 空間哲學(xué)

1.1 空間哲學(xué)思想及教學(xué)關(guān)鍵問題的設(shè)置

學(xué)生的這個問題，隱含著空間哲學(xué)思想。水中的魚是否知道水的存在，是一個有趣的哲學(xué)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(dāng)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(zhì)看成是水中的魚，我們就會發(fā)現(xiàn)，對于溶質(zhì)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(zhì)和這些溶質(zhì)分子以氣體形式存在于一定空間內(nèi)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(zhì)粒子的運動和氣體分子的運動是相似的）。通過這種哲學(xué)思考，我們可以順利地引導(dǎo)學(xué)生將溶液中的粒子行為轉(zhuǎn)化為容器中氣體的行為來考慮，見圖1。

這種空間哲學(xué)思想，在惰性氣體影響平衡的移動已經(jīng)有所體現(xiàn)。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(yīng)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(fā)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(xué)思想能夠有效解決水溶液中離子反應(yīng)平衡類比于氣體反應(yīng)平衡來處理的思維過渡問題。如何把這種哲學(xué)思想有效傳遞給學(xué)生？這種哲學(xué)思想是借助魚與水的空間關(guān)系來獲得的，所以我們可以把“魚與水的空間關(guān)系”作為空間哲學(xué)教育的起點。在學(xué)生已有的認知中，“魚與水”素材已經(jīng)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(xué)問題爭論。但是，“魚是否知道水的存在”對于多數(shù)學(xué)生來說，是難以回答的問題。而學(xué)生對空氣的感受則有助于回答這個問題。在教學(xué)中，筆者首先設(shè)計如下教學(xué)內(nèi)容和關(guān)鍵問題來解決學(xué)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(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)家麥克斯韋1867年設(shè)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(xué)第二定律提出了挑戰(zhàn)^［2］。這個思想實驗引發(fā)了科學(xué)家對熱力學(xué)第二定律的熱烈討論，促進了信息負熵論的發(fā)展。同時，這個思想實驗也引起了哲學(xué)上的關(guān)注^［3，4］。受此啟發(fā)，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(xué)上的進一步考察，以輔助理解一些“匪夷所思”的空間現(xiàn)象。

將溶液中的水看成空間，這一思維讓學(xué)生體會到了溶液中粒子和氣態(tài)粒子的空間在哲學(xué)思維上的同一性。從“水中的魚是否知道水的存在”這一哲學(xué)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(yīng)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(yīng)的，比如醋酸分子的電離過程。這一局限性將會引發(fā)對空間的進一步哲學(xué)思考。

首先我們設(shè)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(xiàn)象。雖然我們知道，作為空間的一部分，H₂O分子的參與是CH₃COOH發(fā)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(xiàn)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(jīng)驗的限制。長久以來，科學(xué)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(xiàn)象告訴我們，真空（空間）并不像人們所想象的一無所有。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，真空中會憑空出現(xiàn)大量的虛粒子對，它們一正一反，然后又在極短的時間內(nèi)湮滅消失，這種現(xiàn)象被稱為真空量子漲落^［5］。這種從“無（真空）”里產(chǎn)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(xiàn)象就會容易理解得多：我們觀察到的量子漲落現(xiàn)象很有可能是我們意識不到的“無”（空間里）的作用的結(jié)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(dǎo)學(xué)生形成“無中有（包含）有”“無中生有”“有到無中去（變化）”的哲學(xué)觀念，在教學(xué)中，筆者依然通過關(guān)鍵問題引導(dǎo)學(xué)生對空間進行哲學(xué)上的進一步思考，見表2。

1.3 對化學(xué)哲學(xué)教育的思考

近些年，在化學(xué)教學(xué)中強調(diào)了哲學(xué)教育的重要性。從現(xiàn)有的文獻來看，目前哲學(xué)教育，通常是從已知的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)原理、化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)史等中總結(jié)出哲學(xué)思想、方法，從而影響學(xué)生的發(fā)展。但是，這些化學(xué)素材中所體現(xiàn)出的許多哲學(xué)觀，學(xué)生在平時學(xué)習(xí)生活中或多或少都已經(jīng)聽說過，學(xué)生并沒有太大的學(xué)習(xí)熱情。比如化學(xué)哲學(xué)中常見的世界的物質(zhì)觀、對立統(tǒng)一規(guī)律、辯證唯物主義等，在高中政治必修4《哲學(xué)與文化》中都有詳細的介紹。鑒于此，本文嘗試利用化學(xué)知識作為工具對哲學(xué)問題進行突破性的考察，以引起學(xué)生的興趣。在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍能夠接受以上空間哲學(xué)思想，并顯露出較大的學(xué)習(xí)熱情。一個非常重要的原因就是，與以往的化學(xué)哲學(xué)教育相比，學(xué)生覺得這樣的化學(xué)哲學(xué)比較有新意，對自己的世界觀有實質(zhì)性的影響。

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

從歷史上來看，化學(xué)家多是樸素的科學(xué)實在論者，習(xí)慣于將原子、分子、離子等粒子作為世界的構(gòu)成部分。由于化學(xué)與技術(shù)之間的緊密聯(lián)系以及歷史上化學(xué)家注重實用的傳統(tǒng)，他們忙于制造新的化學(xué)物質(zhì)，為人類的物質(zhì)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(xué)，養(yǎng)成了回避形而上學(xué)問題及其爭論的習(xí)慣^［7］。與化學(xué)家的情況類似，化學(xué)教師的哲學(xué)素養(yǎng)因為各種原因通常也是匱乏的。因此，如果化學(xué)教師要承擔(dān)起化學(xué)哲學(xué)教育這一任務(wù)，不僅需要從現(xiàn)有的化學(xué)素材總結(jié)、吸收哲學(xué)思想和方法，還需要重視利用化學(xué)知識對哲學(xué)問題進行一些突破性的考察。

2 結(jié)語

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

參考文獻：

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