以學科核心素養立意的多平衡體系圖像研究

楊軍 于容峻 瞿高烽

摘要： 以江蘇省學業水平等級性考試化學試題為例，通過對化工生產中多平衡體系常見類型的分析和對化學反應速率和化學平衡圖像涵義、分類、功能的研究，從理論分析與真實情境的矛盾出發，初建模型、發展模型、應用模型、優化模型，構建有效解決基于真實情境的多平衡體系圖像問題的認知模型，不斷提升“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養。

關鍵詞： 學科核心素養； 多平衡體系； 化學平衡圖像； 認知模型

文章編號： 10056629（2023）07008207

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 研究的背景

化學平衡是學科大概念，是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）中必修和選擇性必修課程的核心內容之一，在生產、生活和科學研究中有著重要的應用價值。化學平衡問題，歷年來都是高考的重要考點之一。從2020年開始，江蘇省學業水平等級性考試化學試題中化學反應速率與化學平衡圖像分析題的研究對象，由單一的平衡體系逐漸轉變為真實情境的多平衡體系，圖像中的曲線也顯得更復雜，要求學生能基于證據綜合運用化學反應原理分析圖像，因而對化學學科核心素養的考察要求明顯提高。由于試題情境新穎、圖像抽象、試題區分度大，學生得分普遍較低，從而對這類試題產生畏懼心理。教學中若不能歸納平衡圖像的認知模型并提煉出圖像表征背后的本質原理，教學效果都不太理想。因而需構建一種新的認知模型，解決圖像分析問題，以達到事半功倍的效果。

2 多平衡體系的類型

化工生產工藝復雜，往往同時發生多個可逆反應，因此需要嚴格控制反應條件，確保安全生產的前提下盡可能減少副反應的發生，提高生產效率。化學動力學研究中一般把多個基元反應的體系分為平行反應、連續反應和復雜反應。分析

并認識這些反應的特點有利于控制反應條件，提高單位時間內目標產物的選擇性。

2.1 平行反應

反應物同時平行地進行不同的反應稱為平行反應（Parallel reaction）也稱為競爭反應（Competing reactions）。平行反應在有機反應中較多，特別是在有機合成過程中普遍存在。一般將生成期望產物的反應稱為主反應，其余為副反應。

如果我們希望在單位時間內多獲得某一種產品，一種方法是選擇適當的催化劑，提高催化劑對某一反應的選擇性；另一種常用的方法是改變反應體系的溫度［1］。例如甲苯的氯代反應，氯原子可以直接取代苯環上的氫原子，也可以取代甲基上的氫原子，這兩個反應可平行進行。實驗研究表明，在低溫條件下（300～320K）使用FeCl3作催化劑時主要是取代苯環上甲基的鄰、對位氫原子；而在較高溫度（390～400K）或光照條件下，則主要取代的是甲基上的氫原子。

高考試題情境中的多平衡體系常涉及平行反應。例如2016年全國Ⅱ卷第27題，以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副產物丙烯醛（C3H4O）：

（1） C3H6（g）+NH3（g）+112O2（g）C3H3N（g）+3H2O（g） ΔH=－515kJ·mol-1

（2） C3H6（g）+O2（g）C3H4O（g）+H2O（g）

ΔH=－353kJ·mol-1

兩個反應均為放熱較大的反應，在熱力學上趨勢均很大。降低壓強和降低溫度能提高丙烯腈的平衡產率，而選擇合適的催化劑是提高單位時間內丙烯腈反應選擇性的關鍵因素。

2.2 連續反應

在化工生產過程中有很多化工產品需要經過連續多步反應才能完成，前面一步的生成物就是下一步的反應物或反應物之一。如此依次連續進行的化學反應就稱為連續反應（Consecutive Reaction），也稱為連串反應。

對于一般的反應而言，若反應的時間長些，得到的最終產物總是多一些。對于連續反應，假設涉及的兩個反應或多個反應的速率大致相等，如果我們需要的是某個中間產物，由于該產物有一個濃度最大的反應時間tm，若反應時間不足，會引起該中間產物的濃度較低；若超過該時間，中間產物的濃度和副產品濃度都會增加。生產上通過控制反應時間在tm附近，則可得到中間產物濃度最高副產品最少的初產品，這對于初產品的后續處理是有利的。連續反應不論分兩步或多步進行，一般是最慢的一步反應控制著全局，這最慢的一步反應就稱為速率控制步驟，慢反應的速率近似地作為整個反應的速率［2］。

高考試題情境中的多平衡體系常涉及連續反應。例如2022年江蘇卷第13題，乙醇水通過催化重整可獲得H2。其主要反應為

C2H5OH（g）+3H2O（g）2CO2（g）+6H2（g）

ΔH＝173.3kJ·mol－1

CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

ΔH＝41.2kJ·mol－1

2.3 復雜反應

平行反應和連續反應相結合的反應稱復雜反應（Complex Reactions）。

例如2013年全國Ⅰ卷第28題，二甲醚（CH3OCH3）是無色氣體，可作為一種新型能源。由合成氣（組成為H2、 CO和少量的CO2）直接制備二甲醚，其中的主要過程包括以下四個反應：

甲醇合成反應：（i） CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

ΔH1＝－90.1kJ·mol-1

（ii） CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH2＝－49.0kJ·mol-1

水煤氣變換反應：

（iii） CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

ΔH3＝－41.1kJ·mol-1

二甲醚合成反應：

（iv） 2CH3OH（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）

ΔH4＝－24.5kJ·mol-1

3 解讀化學反應速率與化學平衡圖像的內涵

3.1 化學反應速率與化學平衡圖像的本質

化學反應速率與化學平衡圖像是針對特定條件下的某一化學反應，將該化學反應速率與化學平衡的相關特征或原理，借助狀態函數間的相互制約關系以及平面坐標的形式，以定性、半定量或定量等為手段的一種獨特表述方式。圖像的本質是揭示原理，即改文字直接描述為潛隱在“線的走勢及其關系”之中的抽象表述。定性或半定量的圖像“圖由理生”，而定量的圖像——特別是高考試題中的圖像——則是基于真實數據的計算機作圖；“理據圖說”即依據圖像揭示其背后的化學反應原理。化學反應速率與化學平衡圖像是一種形象的狀態函數（變量）間關系的表達模型。

3.2 化學反應速率與化學平衡圖像的類型

化學反應速率與化學平衡圖像的常見類型包括但不限于以下類型：速率時間圖，如圖1（a）所示；物質參數（物質的量、物質的量濃度、體積分數、轉化率等）時間圖，如圖1（b）所示；物質參數時間溫度或壓強圖，如圖1（c）所示；物質參數壓強溫度圖，如圖1（d）所示。

這些圖像均屬單一反應的定性或半定量圖像，能粗略地反映變量與物質參數之間的相互影響關系，但不是變量與物質參數之間函數關系的真實體現。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）中建立平衡過程中的線條到底是直線還是曲線？圖1（d）中2條曲線是平行的關系嗎？這些由化學反應動力學原理確定的、不同反應的同類型圖像可能存在差異。這些簡單的示意圖在理解化學反應速率影響因素和化學平衡移動原理上有一定的幫助，但由于這些圖像缺乏真實性，因而一般不會出現在高考題中。

3.3 高考中的平衡圖像及其考察的學業質量水平

培養學生的核心素養，要幫助他們置身于各種復雜多樣的真實情境，讓他們結合有意義的學習任務，通過實踐、反思、質疑、交流等一系列活動，學會從自身的知識結構中提取并運用相關知識與經驗，實現對其中多種復雜和陌生問題的解決，不斷提高應對復雜現實情境的綜合性品質［3］。用多平衡體系的圖像分析試題承載著考察學生核心素養的功能，表1列出了近3年江蘇省學業水平等級性考試試題中多平衡體系圖像的背景、圖像類型、涉及的反應及圖像的特點，表2列出了“課程標準”中核心素養的相關學業質量要求。

3.4 化學反應速率與化學平衡圖像的識別

化學反應速率與化學平衡圖像主要以氣體為研究對象，常以變量（反應時間、溫度或壓強等）為橫坐標，反應的因變量（速率或物質參數）為縱坐標。識圖時，如果發現縱坐標為“轉化率”，要明確是平衡轉化率還是一段時間內的轉化率。平衡轉化率的變化一般可用勒夏特列原理解釋；而一段時間內的轉化率的改變可能是化學反應速率的變化引起的，也可能是條件改變后反應限度發生變化引起的。識圖的過程就是從題干與圖像中排除干擾信息和提取有用信息的過程。在識圖的過程中，很可能已經解決了問題。

例如表1中2022年江蘇卷第13題：乙醇水催化重整可獲得H2，涉及的反應是連續反應，圖像表達的是平衡時CO2和CO的選擇性及H2的產率隨溫度的變化關系。我們首先應識別曲線①、曲線②、曲線③分別代表什么物理量隨溫度的變化。根據信息可知任一溫度下平衡時CO的選擇性與CO2的選擇性之和為1，所以曲線①、曲線③對應的是平衡時CO或CO2的選擇性，曲線①到底代表的是CO的選擇性還是CO2的選擇性？還有待進一步分析；曲線②則表示平衡時H2的產率。由于兩個主要反應均為吸熱反應，根據勒夏特列原理可知，隨著溫度的升高，平衡均正向移動，因而體系中CO的物質的量增大，所以平衡時CO的選擇性增大。由此可知曲線③代表的是CO的選擇性隨溫度的變化，曲線①代表的是CO2的選擇性隨溫度的變化。

4 建構模型挖掘多平衡體系圖像的內涵

4.1 模型的界定

模型是一種重要的認識物質或建立觀念的科學研究方法，一般包括物質模型和觀念模型。從科學方法論的層面來看，由于觀念模型可以幫助人們認識事物的本質屬性和發展過程，建立科學概念和理論，因此具有更為深刻的意義。

4.2 建模的意義

模型作為一種方法，可以幫助人們認識事物的本質屬性及屬性之間的關系。建模教學，即為基于模型的教學（Modeling-Based Teaching，簡稱MBT），是理解復雜動態系統的一種手段，也是一個獲取概念知識和學習科學推理的過程［5］。該理論強調學生在掌握學科知識的基礎上以已有經驗為基礎，發展學生理解科學本質及過程的能力和解決真實問題的能力；同時通過師生之間的問答，加深對模型的認識，將所建模型應用于不同的情境中，提高模型的解釋力，直至達到預期的目標［6］。

“課程標準”中核心素養的相關學業質量要求（見表2）也指出學生應具備“選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題”的能力。

4.3 建模的步驟

多平衡體系的圖像研究，構建認知模型可遵循以下步驟（圖2）。

4.3.1 初建模型

化學反應速率與化學平衡移動圖像的多樣性、平衡體系的復雜性是學生難以掌握該題型的主要原因之一。其實不管化學平衡圖像如何變化，化學平衡涉及的變量僅有三個：化學反應的特征、外界條件的改變和化學平衡移動的方向。結合問題的情景，逐一分析這三個變量中哪些是已知量、哪些是未知量。依據勒夏特列原理，就能夠順利地解決單一平衡體系圖像識別問題。這三個變量的常見呈現形式如表3所示。

2. 外界條件的變化

①濃度（c）；②溫度（T）；③壓強（P）。

3. 平衡移動的方向

平衡正向移動：某反應物的轉化率增大、某反應物的濃度（或體積分數等）減小、某生成物的濃度（或體積分數等）增加、某生成物產率增大等；同理可知平衡逆向移動的情況。

熟悉掌握化學平衡三種變量的常見呈現形式，是辨析平衡移動方向的前提，是解決化學平衡圖像問題的基礎。化學平衡的三個變量之間存在一個“三角”規律，即只要知道了三角形的任意兩個頂點（即任何兩個變量），就可以根據勒夏特列原理推導出三角形的第三個頂點（即第三個變量），這個規律就是這類試題的命題原理。基于上述分析初步建立解答這類問題的認知模型如圖3所示。

例如表1中2021年江蘇卷第18題：測得平衡體系中主要原料CH4、 CO2的平衡轉化率與反應溫度的定量關系，圖像中有兩條線分別描述了CH4和CO2的平衡轉化率隨反應溫度的升高而增大的事實。第（2）問，若考察“800℃下CH4平衡轉化率大于600℃下CH4平衡轉化率的原因”，則比較簡單。我們知道“1.研究對象的特征”：只有“反應1”中涉及CH4，這是單一平衡體系且“反應1”為吸熱反應；“2.外界條件的變化”為溫度，根據“勒夏特列原理”可知“3.平衡移動的方向”，溫度越高反應的限度越大，因而CH4平衡轉化率則越高。這一結論與圖像吻合。

4.3.2 拓展模型

對于熟悉的單一平衡體系，如果僅改變一個外界條件時，依據上述模型，學生可準確地分析化學平衡的移動方向。同理，根據圖像表征和化學平衡移動的方向，依據上述模型，學生也能推測何種外界條件發生了改變。但是由于真實情境中有多個可逆化學反應同時發生，所以對于工業生產中復雜圖像的分析，學生缺乏有效的分析方法。

對于多平衡體系，我們要引導學生從試題的情境、圖像、化學用語中提取有價值的信息，并結合已有知識體系，進一步理清三個變量：（1）圖像中曲線的研究對象是何種物質？該物質涉及哪些反應？每個反應的特征？（2）改變了什么外界條件？（3）根據上述條件的變化導致各平衡的移動的結果與圖像的表征是否一致？如果一致，問題解決；如果不一致，則基于證據（即圖像表征）分析與圖像表征一致的反應是主反應，或平衡的移動是導致圖像表征的物理量變化的主要原因。若無法確定主反應，則要根據各反應的特征和外界條件的改變，進一步挖掘影響平衡的間接因素。基于圖像表征的事實，結合化學熱力學或動力學原理，揭示圖像中某個曲線走勢變化的原因，需幫助學生逐步建立并擴展解決問題的認知模型（如圖4所示）。

4.3.3 應用模型

例如表1中2021年江蘇卷第18題第（2）問：如何解釋800℃下CO2平衡轉化率遠大于600℃下CO2平衡轉化率？CO2既是反應1、反應2的反應物，又是反應3的生成物，所以3個反應都是研究對象，且反應1和反應2是吸熱反應、反應3為放熱反應。利用上述模型，據勒夏特列原理可知，隨著溫度的升高，反應1和反應2的正反應進行的程度增大與圖像中CO2在高溫時平衡轉化率較大這一事實吻合；而反應3正反應進行的程度減小，與圖像中CO2在高溫時平衡轉化率較大這一事實不吻合，因而高溫時以反應1和反應2為主。該問答案可描述為“反應Ⅰ、反應Ⅱ的ΔH>0，高溫下正反應進行程度大，反應消耗的CO2多；反應Ⅲ的ΔH<0，高溫下正反應進行程度小，CO2的生成量少”。

又如表1中2022年江蘇卷第13題（試題拓展）：試解釋其他條件均不改變，在300～700℃范圍內隨著溫度的升高，平衡時H2產率減小的原因。根據圖4所示的認知模型，隨著溫度升高反應①正向移動，H2的產率增大，與圖像不一致；隨著溫度升高反應②也正向移動，消耗H2， H2的產率減小，與圖像一致，所以在300～700℃范圍內升高溫度，反應①正向移動生成的H2的量小于反應②正向移動消耗的H2的量。

5 研究反思

教學活動中應注重引導學生基于圖像并充分利用構建的“解釋多平衡體系問題的認知模型”分析圖像，形成解決化學反應速率和化學平衡圖像問題的有效策略。

在教學過程中，從學生的認知角度出發，通過對多平衡體系中的關鍵物質或圖像中關鍵點的分析，并將曲線的變化趨勢轉化為描述化學平衡狀態的“三個變量”的變化情況，通過建構認知模型，反復推演多平衡體系外界條件（例如溫度）的改變與實驗結果（即圖像表征）之間的內在“互動”關系。教學評價表明，學生已初步學會了處理真實情境下多平衡圖像問題的一般方法，提升了學生“證據推理與模型認知”的核心素養。

通過真實情境中多平衡體系的研究，提高了學生對于化學反應速率與化學平衡的認知水平，認識到多平衡體系中各個反應之間是相互影響的。通過改變外界條件，例如加壓，可能對某一反應的平衡狀態沒有直接的影響，但由于其他平衡的移動，改變了一些物質的濃度，繼而對該平衡產生了間接的影響。在分析改變外界條件對于復雜平衡體系的影響時，能從多角度分析并解決實際問題，將有利于學生“變化觀念與平衡思想”核心素養的培育。

參考文獻：

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［6］J. J. Clement， M. A. Rea-Ramirez. Model Based Learning and Instructionin Science ［M］． Springer Netherlands， 2008：5978.