关于化学平衡学科理解的几个问题

姜显光 郑长龙

摘要： 学科理解是科学教育研究者和一线教师面临的重大挑战和重要课题。关于化学平衡主题的价值和存在的问题目前在教育教学理论研究和实践领域已经达成了共识，以科学认识论为基础设计并提出问题。通过对一位重点大学物理化学教授的访谈发现： 化学平衡的研究域得到拓展;化学平衡的特征认识更明确;判断化学平衡移动的视角更清晰。并得到了如下启示： 学科理解问题的必要性和紧迫性;学科理解要兼顾深度和广度;学科理解要兼顾理论和实践;学科理解能拓展认识视野。

关键词： 化学平衡的本质特征; 学科理解; 研究域; 认识视角

文章编号： 10056629（2021）07008806

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

近年来，学科理解问题备受科学教育领域的设计者、基础教育教学领域的研究者的关注。当前，我国基础教育教学实践中，对主题教学主要从课程视角、教学视角、学习视角展开。无论是何种视角，学科理解问题都是影响课堂教学质量好坏的重要变数。“学科教学价值转化”的缺失使得学科教学育人价值只能停留在纸面上[1]。化学学科理解能力是化学教师核心素养之一，是从学科视角解决教什么的能力[2]。所谓学科理解能力，应该理解什么？从什么视角理解？理解到什么程度？对这些问题的深入探讨和分析，既有利于提高课堂教学的有效性，也具有重要的学科价值。

1 达成的共识

化学平衡主题的价值和存在的问题在教育教学研究和实践中已达成共识： 第一，化学平衡主题是化学学科的重要主题，是“变化观念与平衡思想”培育的主要载体;第二，化学平衡概念抽象，理解难度较大;第三，教师难以把握化学平衡的本质;第四，学生学习时迷思概念覆盖面广。

2 问题的提出

第一，为什么理解？这是科学实践论问题，理解、认识的最终目的是指导实践。学科理解是对学科知识的再认识，直接目的是指导一线教学实践和教育教学研究，促进学科核心素养在课堂落地。

第二，理解什么？主要针对“学科知识及其思维方式和方法”，属于科学认识论范畴。

第三，理解到什么程度？这是科学本体论问题。学科理解是基于学科主题，抽提学科概念的认识视角和认识思路。

第四，如何理解？这是科学方法论问题。站在不同的角度，对学科知识的理解是不同的。但最终需要站在辅助一线教学和进行科学教育研究的视角进行学科理解。

3 访谈资料获得

本研究采用半结构访谈的形式。访谈对象是一位国内重点大学物理化学学科资深教授。访谈前围绕化学平衡主题，设计了几个问题维度，包括化学平衡的研究域、如何理解可逆反应、化学平衡本质、图像表达、化学平衡的调控、建立、宏观可逆、双向自发等方面。在访谈过程中随着讨论的深入，有些问题做了一定的调整。

2016年10月，出于课题组研究需要，课题组预先对一线教师进行了集体访谈，了解了一线教师在化学平衡主题教学过程中的困扰以及他们迫切需要解决的问题。结合课题组科研实际，与W老师进行了预约。访谈在L省D市某宾馆进行，时间接近4个小时。文本化后对材料中的人名、地名、学校等作了匿名处理，并对部分词句在保留原意的基础上进行了微调。

访谈对象W教授生于1958年，博士学位、博士生导师，具有多年大学物理化学教学经验，发表了多篇学术论文，出版了多部学术著作。

4 访谈研究发现

4.1 理解研究域

根据访谈的预设维度，化学平衡的研究域是其中一个维度。在化学平衡教学中，教师引课多以过饱和溶液为例。但是食盐溶解于水、蔗糖溶解于水是否属于化学平衡问题？这样的引课是否恰当？一线教师对此并不确定。

4.1.1 破坏分子内作用力（涉及电子转移或電子对偏移）

溶解平衡（如食盐溶解于水达到过饱和状态）是不是属于化学平衡的研究范畴？

第一，涉及化学键的断裂和形成就属于化学问题。

W： 关于溶解平衡属不属于化学平衡？我认为属于化学平衡，可从两点上分析。第一点，从化学概念上看，化学的研究领域不外乎是电子的得失、共用等。我现在用的是经典理论，不用近代理论。涉及到化学键，包括金属键、离子键、共价键以及配位键。只要涉及到键的断裂就涉及到电子的重新分配问题，比如说电解质在溶液中解离形成阳离子和阴离子。但如果说温度高在气态的解离就存在一个异裂和均裂的问题，其中均裂就产生自由基。所以无论在哪种情况下，只要涉及化学键的形成和断裂，涉及到这个宏观的平衡就应该属于化学平衡。

第二，符合化学平衡规律。

W： 宏观的化学平衡原理都能指导它。一般的化学反应平衡、沉淀平衡、络合解离平衡，以及一般的溶解，它都符合总的化学平衡规律。那应该就属于化学平衡。

W： 它属于化学过程，但这个化学过程需要进一步解释，所以还不如一步到位，只要涉及到电子得失的平衡都属于化学平衡。

4.1.2 破坏分子间作用力的溶解（即不涉及电子转移或电子对偏移）

溶解包括电解质溶解和非电解质溶解，非电解质溶解，如O2溶解于水，固态物质溶解于液态物质，有机物溶解等，属于化学平衡吗？

W： 这一块不涉及电子的转移问题，但这涉及到它原来存在形态的事儿。所说的有机物溶解，以及氧气的溶解，从物理化学这个学科来看，我仍然把它列为化学平衡。

第一，理想液态混合物。

W： 我们先从液态去谈，液态分为溶液和混合物。将两种结构相差比较大的物质混合称为溶液，将物质结构相近的两种物质混合所得的称为液态混合物。液态混合物又分为理想液态混合物和实际液态混合物。其中符合拉乌尔定律的称为理想液态混合物，它的表现是两种性质相近、体积相近的物质混合，总体积等于两种物质体积之和。它的本质是在液态混合物中两种原子或分子是随机分布的，没有任何趋向性。

第二，实际液态混合物。

W： 如果有趋向性，就说明两种物质是有差别的，在混合时就会产生焓变。例如，如果a和b的作用比b和b的作用更强，那么当混合时就会放出热量，这就是实际液态混合物。然而，实际上a和b不可能没有差别，所以将a和b混合溶解时必然会产生焓变，有焓变那么就应该属于化学。

W： 接下来说O2，它不像CO2溶于水。我们可以认为O2原本没有分子间作用力，但当它溶于水的时候就有了分子间作用力。在19世纪中叶，在描述溶解的时候有一个亨利定律，有一个平衡常数，这个平衡常数和温度有关系。所以这一块我仍然倾向于认为它属于化学平衡。

从化学学科上，对此问题给予回答，将把基础教育教学中与化学物质有关的化学过程平衡都纳入到化学平衡体系中，理论具有更大的包容性，增强化学平衡相关理论的解释力。

4.2 理解可逆反应

4.2.1 正、逆反应双向自发的宏观体系是否存在

按照物理化学，一切宏观的自发过程都是不可逆过程。化学平衡体系是宏观热力学体系，而且是可逆的，那么是否意味着双向自发的宏观体系是存在的呢？

W： 这有两个问题。第一个，如果说A生成B的反应是自发的，那么B生成A的反应一定是非自发的;第二个，如果说A生成B的反应是自发的，自发就不是平衡，但现在你却和平衡套上了，但其实这两个问题都不存在。为什么说不存在？我们说的平衡指的是宏观上的平衡，而不能应用到微观上，宏观是限制不了微观的。平衡时，如果说A生成B的反应是自发的，那么B生成A的反应就一定是非自发的。这里的自发和非自发在概念理解上就已经有了偏差，这个理解的偏差甚至是很多物化老师都存在的。在均相反应中，没有A一点不能生成B、 B一点不能生成A的情况。

第一，理论解释。

W： 我们判断所谓自发和非自发是从化学热力学上计算出来的宏观结果。化学热力学是宏观的，它绝对解决不了微观的问题。

第二，实例分析。

W： 均相反应中，这个最低点的ξ既不能为0，也不能为1。有些均相反应可以无限趋近1，但永远不能等于1;可以无限趋近于0，但永远不能等于0。我们知道氢的燃烧很剧烈，它的趋向很大，但也到不了1，不可能一点氢不剩。汽油燃烧也是如此，所以汽车尾气里仍然还含有燃烧不完全的烃。我们再展开，说说均相反应中的酸碱滴定，根据一定温度下水的离子积，浓碱里也仍然还有质子。

可逆反应不是宏观上的可逆，化学热力学只预测宏观态的走向，绝不预测微观过程。可逆是在微观层面谈问题。

4.2.2 理论、实验和科研实例解释可逆反应的存在

以合成氨为例，反应平衡后体系里还有氮气和氢气，那这氮气和氢气是没有反应掉的还是逆反应过程中产生的呢？

第一，理论解释： 化学势。

W： 假如有个动物膜，它允许水分子通过，而不允许水合离子通过。在有这个膜的U型管中一边加纯水，一边加氯化钠水溶液，我在宏观上预测纯水的液面一定会下降，因为这边化学势低那边化学势高。但是，如果标记溶液中的氧为O18，我并不能说纯水中没有含O18的水，其实两边的水分子是流动的，只是纯水往溶液中跑的比溶液往纯水中跑的多，造成宏观上纯水液面下降。这是从化学热力学的角度看。

第二，实验解释： 同位素示踪。

W： 怎么证明平衡时体系中的反应物是剩下的还是生成物转化来的呢？我们可以用同位素方法，例如合成氨反应，对氨气中的氮进行标记，在最后体系中发现有含标记的氮的氮气，这就可以证明有生成物转化為反应物了。

第三，科研实例分析： 逆向思维研究问题。

W： 在研究催化剂中，当正反应进行费劲而逆反应容易时，我们就选择研究它的逆反应。对逆反应效果好的催化剂对正反应也好，这种研究催化剂的方法在几十年前就有了。

逆反应真的存在吗？学科专家对此问题的认识既有理论依据，又有实验支撑，还有科研实例进行佐证。

4.3 理解动态平衡

宏观上已经达到平衡状态，微观正向和逆向不停地进行。这是由对可逆反应的解释引申出对动态平衡的理解。

W： 刚才我说半透膜。再比如说化学吸附，那不就是表面反应吗？在这个条件下，宏观的吸附量是一定的，处于平衡状态。但是在微观上，有一个分子刚吸上来了，一会又脱下去了，它是在不断地进行的，吸附就是反应。吸附是正向的，脱附是逆向的。

化学热力学只研究系统的宏观趋势，不研究微观上如何变化。动态平衡问题属于微观问题。

4.4 理解本质特征

化学平衡的五个特征（逆、等、动、定、变），哪个是其本质特征？关于化学平衡的本质特征问题，在与一线教师进行交谈过程中，基本上都提出速率相等是其本质特征。但是都无法给予合理的解释，这也给一线教师在教学过程中带来了尴尬。

W： 正向和逆向速率相等是本质。因为你用本质解释现象。

W： 含量相对不变是表面现象，实质是速率相等。

W： 动力学是研究本质的。动力学分为宏观动力学和微观动力学。宏观动力学研究速率随浓度、温度、催化剂如何变化。微观动力学描述的是分子。

W： 我们假定一个基元反应，这个基元反应经过一个过渡态A—B—C， B和C之间键断，那个A和B是键成，我们就用这个来说它的概率。A—B—C往左边变成A和BC、往右边变成AB和C的概率是相同的，所以正向反应和逆向反应速率是相等的。

因此，中学所讲的反应速率是宏观动力学中的速率，以基元反应为例对此进行了分析解释。那么，能否用微观动力学，即基于态态反应予以解释？

W： 态态反应生成反应物的概率就是速率。态态反应生成反应物概率和生成产物概率是相等的。

W： 我是研究催化剂的。因为化学反应物吸附在催化剂表面上有一个吸附态，另外一个反应物也有一个吸附态，这两种吸附态之间的反应，因为它们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，这说明速率是相等的。

运用化学动力学对化学平衡的本质特征进行解释，在教学中遇到了问题。由于涉及基元反应和态态反应，两个概念都是深入到学科内的知识。在新一轮基础教育教学改革中，基元反应概念已经写入到课程标准中，为其合理解释提供了基本理论保障。态态反应涉及学科前沿的量子理论知识，教师和学生理解起来难度更大。

4.5 理解认识视角

状态函数有ΔG、 ΔA、 ΔS、 ΔH，哪些能成为判断化学平衡移动方向的视角。在一线教学中，都是以高考为指向，而高考对此问题予以回避。因此在教学过程中，此内容也就成了学生自学内容。教学研究者和一线教师对此问题都存在着迷思概念。

4.5.1 ΔG、 ΔA是判断化学平衡移动的能量视角

W： 能量降低是自发的。但什么是能量？能量用什么代表？现在我来回答，在定温定压下，能量就用G（吉布斯自由能）来代表，在定温定容下，能量就用A（亥姆霍兹自由能）来代表。

4.5.2 ΔS是判断化学反应能否实现的视角

W： ΔS能成为视角。ΔS解决能不能实现的问题。

W： 这里要提到一个概念——孤立体系，原来系统再加上原环境构成的就是一个虚拟系统。系统熵变就是原系统熵变和原环境熵变加一起，这就是孤立系统的熵变了。孤立系统的熵变如果小于零得出来的结论是什么？就是我要论证的，原来的过程能实现，能实现并不见得是自发。

4.5.3 ΔH不是判断化学平衡移动的视角

W： 能量在定温定压下是ΔG，定温定容是ΔA。ΔH不代表能量，它只代表热量。因为热量降低同时，还有熵变发生，所以把它们合二为一，称为吉布斯（自由能）。

对化学反应能量的认识，在一线教学中大多数都认为是ΔH，即热量。而热量只是能量的一种形式。实际上，能量是由焓变、温度、熵变综合作用的结果。熵变作为认识视角，解决了反应能不能实现的问题。

5 讨论与结论

5.1 拓展了化學平衡的研究域

学科认为化学平衡的研究域是化学反应平衡。通过对W教授的访谈，对于化学学科中常见的溶解平衡，如食盐溶解平衡等这类破坏分子内作用力的溶解过程被纳入到了化学平衡的研究域。如氧气、蔗糖等溶解于水，有机物溶解平衡等，这些在溶解过程中破坏分子间作用力，通过理想液态混合物和实际液态混合物的溶解过程分析，在很大程度上也可被纳入到化学平衡的研究域。

5.2 明确了化学平衡的特征认识

经W教授分析，对化学平衡体系的可逆反应、动态平衡、本质特征的认识更加明确了。

化学平衡是热力学宏观平衡体系，这对可逆反应和动态平衡的理解造成了困扰。W教授认为这两个特征都是化学平衡的微观特征，并通过理论和实例对此作了分析论证。对宏观体系双向自发性不可能存在的问题也作了论证。通过理论、实验和科研逆向思维三个角度分析了逆反应是真实存在的。

通过与W教授讨论，分别从宏观动力学和微观动力学两个不同理论出发，对基元反应的过渡态和态态反应进行分析，最终以“概率”为契合点，合二为一进行了解释，正反应速率等于逆反应速率是化学平衡的本质特征。

5.3 清晰了判断化学平衡移动的视角

判断化学平衡移动的视角是能量，等温等压条件下，能量就用G（吉布斯自由能）来代表，在定温定容下，能量就用A（亥姆霍兹自由能）来表示。而G的构成不仅有焓变，还包括熵变（系统熵变和环境熵变之和）。

判断化学平衡移动能不能实现的视角是熵变。

焓变仅代表化学反应过程中的热量，这只是能量的一个样态，因此不能作为判断化学平衡移动的视角。

6 启示与建议

以化学平衡主题为依托，通过对一线教师的集体访谈和W教授的专访，结合课题组的科研实际，对学科理解得出如下启示和建议。

6.1 学科理解的必要性和紧迫性

第一，学科理解的必要性。

学科理解是一线教师的迫切需求。通过对部分一线教师访谈发现： 在教学过程中，多从课程视角、教学视角、学习视角展开，对知识的理解流于表面，不敢深入学科;有的一线教师对化学平衡理解知其然，不知其所以然，这直接导致这些教师经常回答不上学生的问题。结合对W教授的访谈，发现教师关于化学平衡主题存在大量的迷思概念，这将给学生学习带来困扰。

第二，学科理解的紧迫性。

学科理解是学科核心素养在课堂教学中落地的基础。学科核心素养发展是新一轮基础教育课程改革的主旨，其关键是如何将知识转化为素养，即将所学知识作为未来新知识学习的基础。教师学科理解水平直接决定其是否有能力在课堂上落实学科核心素养。没有学科理解作为支撑的课堂教学，学科核心素养的落实就是无根之木、无源之水。

6.2 学科理解要兼顾深度和广度

不同人站在各自的立场上，根据不同的需求和不同的理解水平，对学科理解有不同的认识。因此学科理解问题不是一个人或者一类人就能够解决的。应该是有学科专家、学科教育专家、一线教师三者组成的学术共同体，以此实现对学科理解“度”的把握。通过对一线教师的访谈发现，他们迫切需要解决教学实践中的问题，如何能够深入浅出地把知识呈现给学生，让学生能够更好地理解和掌握所学的知识;对W教授的访谈结果发现，学科专家的学科理解往往是站在学科视角，有时理论过于深奥，这对于一线教师和学生来说是无法理解的，这显然也不是一线教师所需要的。学科理解需要把理论性、抽象性较强的知识在不改变知识“原味”的基础上，进行结构化、通俗化和简单化处理;科学教育研究者是站在教育教学研究的视角进行学科理解的。根据不同的人的不同需要，把三者的需求加以契合，找到最佳契合点，也就是我们要的——兼顾深度和广度。

6.3 学科理解要兼顾理论和实践

学科理解切入点很多，如何能够做到有说服力？通过对W教授的访谈发现，学科理解既要有理论支撑，同时也需要实践佐证。如可逆反应是否存在的论证，W教授从理论到实验，再到科研实例进行了分析，虽然是站在学科视角，但通过不同角度给予理解，更具有说服力，也更容易理解。也就是说，学科理解既需要理论解释，上升到理论高度，也必需有实例支撑，回到实践中去。

6.4 学科理解能拓展认识视野

学科理解是对知识的全面系统分析，从学科视角对此予以理解。这也涉及到诸多问题，可能引发其他知识的再认识。

例如对化学键认识的拓展问题不在预设维度内，是随着讨论的深入而逐步加深的，如氧气溶解于水属于化学过程。为了能够将两个过程合二为一，即把非电解质溶解平衡纳入电解质溶解平衡体系中。郑长龙教授现场思考、生成、提出问题： 是否可以将化学键的概念进行拓展？W教授对此结合实际进行了分析。

W： 你把化学键概念进行拓宽，那么刚刚的问题就都不是问题了。这是一个非常好的想法，但问题是阻力会非常大。大到什么程度呢？你将会颠覆专业人的认识。

W： 可是如果往后推50年，我觉得还真有可能落到你这里。

进一步追问： 如果只在原子间相互作用上理解化学相互作用，我认为它包容性不够。我们站在学科外面看，所以需求更加迫切。我现在就有这个需求，为什么现在化学就被化学键束缚住，仅仅局限于分子内的相互作用？我们现在已经有超分子了，为什么不能把化学相互作用的视域给打开，使我们的理论有更大的解释力。

W教授对化学键拓展可能遇到的阻力和未来发展的可能性进行了分析。

第一，可能遇到的阻力。

W： 现在专业上对化学键的认识已经根深蒂固了。专业上区分化学键和分子间作用力是根据它们的能量。专业人研究了很多液态物质的蒸发焓，大概在几到几十焦每摩尔的数量级上，从而确定了分子间作用力的大小，而我们涉及键的断裂和生成的化学反应起码在几十千焦每摩尔的数量级上。根据能量的量级差别就可以区分原子间作用力和分子间作用力。在吸附上，靠分子间作用力的吸附是物理吸附，而靠原子间作用力的吸附是化学吸附。想要冲破专业人的这种认识比较难，这就是将要遇到的阻力。

第二，未来发展的可能性。

W： 因为关于物理吸附，如果你穷追不舍地去探讨，那就不得不回到微观上看吸附到底是怎么发生的，这又可能不得不用到现代的一些有关电子的模型去解釋物理吸附。而一旦运用这个电子的模型，物理吸附又是化学了。所以如果穷追不舍地问，最后肯定会有新的问题产生。

参考文献：

[1]李政涛. 深度开发与转化学科教学的“育人价值”[J]. 课程·教材·教法， 2019， 39（3）： 55～61， 101.

[2]郑长龙. 化学学科理解与“素养为本”的化学课堂教学[J]. 课程·教材·教法， 2019， 39（9）： 120～125.