以學(xué)科核心素養(yǎng)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(xué)業(yè)水平等級性考試化學(xué)試題為例，通過對化工生產(chǎn)中多平衡體系常見類型的分析和對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)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(fā)，初建模型、發(fā)展模型、應(yīng)用模型、優(yōu)化模型，構(gòu)建有效解決基于真實情境的多平衡體系圖像問題的認(rèn)知模型，不斷提升“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 學(xué)科核心素養(yǎng)； 多平衡體系； 化學(xué)平衡圖像； 認(rèn)知模型

文章編號： 10056629（2023）07008207

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 研究的背景

化學(xué)平衡是學(xué)科大概念，是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）中必修和選擇性必修課程的核心內(nèi)容之一，在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中有著重要的應(yīng)用價值。化學(xué)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(xué)業(yè)水平等級性考試化學(xué)試題中化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像分析題的研究對象，由單一的平衡體系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵡榫车亩嗥胶怏w系，圖像中的曲線也顯得更復(fù)雜，要求學(xué)生能基于證據(jù)綜合運用化學(xué)反應(yīng)原理分析圖像，因而對化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考察要求明顯提高。由于試題情境新穎、圖像抽象、試題區(qū)分度大，學(xué)生得分普遍較低，從而對這類試題產(chǎn)生畏懼心理。教學(xué)中若不能歸納平衡圖像的認(rèn)知模型并提煉出圖像表征背后的本質(zhì)原理，教學(xué)效果都不太理想。因而需構(gòu)建一種新的認(rèn)知模型，解決圖像分析問題，以達(dá)到事半功倍的效果。

2 多平衡體系的類型

化工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，往往同時發(fā)生多個可逆反應(yīng)，因此需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，確保安全生產(chǎn)的前提下盡可能減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率?；瘜W(xué)動力學(xué)研究中一般把多個基元反應(yīng)的體系分為平行反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)。分析

并認(rèn)識這些反應(yīng)的特點有利于控制反應(yīng)條件，提高單位時間內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。

2.1 平行反應(yīng)

反應(yīng)物同時平行地進(jìn)行不同的反應(yīng)稱為平行反應(yīng)（Parallel reaction）也稱為競爭反應(yīng)（Competing reactions）。平行反應(yīng)在有機反應(yīng)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(chǎn)物的反應(yīng)稱為主反應(yīng)，其余為副反應(yīng)。

如果我們希望在單位時間內(nèi)多獲得某一種產(chǎn)品，一種方法是選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，提高催化劑對某一反?yīng)的選擇性；另一種常用的方法是改變反應(yīng)體系的溫度［1］。例如甲苯的氯代反應(yīng)，氯原子可以直接取代苯環(huán)上的氫原子，也可以取代甲基上的氫原子，這兩個反應(yīng)可平行進(jìn)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(huán)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(yīng)。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(chǎn)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(yīng)均為放熱較大的反應(yīng)，在熱力學(xué)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(chǎn)率，而選擇合適的催化劑是提高單位時間內(nèi)丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素。

2.2 連續(xù)反應(yīng)

在化工生產(chǎn)過程中有很多化工產(chǎn)品需要經(jīng)過連續(xù)多步反應(yīng)才能完成，前面一步的生成物就是下一步的反應(yīng)物或反應(yīng)物之一。如此依次連續(xù)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)就稱為連續(xù)反應(yīng)（Consecutive Reaction），也稱為連串反應(yīng)。

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

高考試題情境中的多平衡體系常涉及連續(xù)反應(yīng)。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(yīng)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(fù)雜反應(yīng)

平行反應(yīng)和連續(xù)反應(yīng)相結(jié)合的反應(yīng)稱復(fù)雜反應(yīng)（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(yīng)：

甲醇合成反應(yīng)：（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(yīng)：

（iii） CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

ΔH3＝－41.1kJ·mol-1

二甲醚合成反應(yīng)：

（iv） 2CH3OH（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）

ΔH4＝－24.5kJ·mol-1

3 解讀化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像的內(nèi)涵

3.1 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像的本質(zhì)

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像是針對特定條件下的某一化學(xué)反應(yīng)，將該化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡的相關(guān)特征或原理，借助狀態(tài)函數(shù)間的相互制約關(guān)系以及平面坐標(biāo)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(zhì)是揭示原理，即改文字直接描述為潛隱在“線的走勢及其關(guān)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(shù)據(jù)的計算機作圖；“理據(jù)圖說”即依據(jù)圖像揭示其背后的化學(xué)反應(yīng)原理?；瘜W(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像是一種形象的狀態(tài)函數(shù)（變量）間關(guān)系的表達(dá)模型。

3.2 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像的類型

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)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(zhì)參數(shù)（物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度、體積分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)化率等）時間圖，如圖1（b）所示；物質(zhì)參數(shù)時間溫度或壓強圖，如圖1（c）所示；物質(zhì)參數(shù)壓強溫度圖，如圖1（d）所示。

這些圖像均屬單一反應(yīng)的定性或半定量圖像，能粗略地反映變量與物質(zhì)參數(shù)之間的相互影響關(guān)系，但不是變量與物質(zhì)參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的真實體現(xiàn)。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(guān)系嗎？這些由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理確定的、不同反應(yīng)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(xué)反應(yīng)速率影響因素和化學(xué)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(xiàn)在高考題中。

3.3 高考中的平衡圖像及其考察的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，要幫助他們置身于各種復(fù)雜多樣的真實情境，讓他們結(jié)合有意義的學(xué)習(xí)任務(wù)，通過實踐、反思、質(zhì)疑、交流等一系列活動，學(xué)會從自身的知識結(jié)構(gòu)中提取并運用相關(guān)知識與經(jīng)驗，實現(xiàn)對其中多種復(fù)雜和陌生問題的解決，不斷提高應(yīng)對復(fù)雜現(xiàn)實情境的綜合性品質(zhì)［3］。用多平衡體系的圖像分析試題承載著考察學(xué)生核心素養(yǎng)的功能，表1列出了近3年江蘇省學(xué)業(yè)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(yīng)及圖像的特點，表2列出了“課程標(biāo)準(zhǔn)”中核心素養(yǎng)的相關(guān)學(xué)業(yè)質(zhì)量要求。

3.4 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像的識別

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像主要以氣體為研究對象，常以變量（反應(yīng)時間、溫度或壓強等）為橫坐標(biāo)，反應(yīng)的因變量（速率或物質(zhì)參數(shù)）為縱坐標(biāo)。識圖時，如果發(fā)現(xiàn)縱坐標(biāo)為“轉(zhuǎn)化率”，要明確是平衡轉(zhuǎn)化率還是一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率。平衡轉(zhuǎn)化率的變化一般可用勒夏特列原理解釋；而一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率的改變可能是化學(xué)反應(yīng)速率的變化引起的，也可能是條件改變后反應(yīng)限度發(fā)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(jīng)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(yīng)是連續(xù)反應(yīng)，圖像表達(dá)的是平衡時CO2和CO的選擇性及H2的產(chǎn)率隨溫度的變化關(guān)系。我們首先應(yīng)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(jù)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(yīng)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(jìn)一步分析；曲線②則表示平衡時H2的產(chǎn)率。由于兩個主要反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，根據(jù)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(zhì)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(gòu)模型挖掘多平衡體系圖像的內(nèi)涵

4.1 模型的界定

模型是一種重要的認(rèn)識物質(zhì)或建立觀念的科學(xué)研究方法，一般包括物質(zhì)模型和觀念模型。從科學(xué)方法論的層面來看，由于觀念模型可以幫助人們認(rèn)識事物的本質(zhì)屬性和發(fā)展過程，建立科學(xué)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(rèn)識事物的本質(zhì)屬性及屬性之間的關(guān)系。建模教學(xué)，即為基于模型的教學(xué)（Modeling-Based Teaching，簡稱MBT），是理解復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的一種手段，也是一個獲取概念知識和學(xué)習(xí)科學(xué)推理的過程［5］。該理論強調(diào)學(xué)生在掌握學(xué)科知識的基礎(chǔ)上以已有經(jīng)驗為基礎(chǔ)，發(fā)展學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)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(rèn)識，將所建模型應(yīng)用于不同的情境中，提高模型的解釋力，直至達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)［6］。

“課程標(biāo)準(zhǔn)”中核心素養(yǎng)的相關(guān)學(xué)業(yè)質(zhì)量要求（見表2）也指出學(xué)生應(yīng)具備“選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題”的能力。

4.3 建模的步驟

多平衡體系的圖像研究，構(gòu)建認(rèn)知模型可遵循以下步驟（圖2）。

4.3.1 初建模型

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡移動圖像的多樣性、平衡體系的復(fù)雜性是學(xué)生難以掌握該題型的主要原因之一。其實不管化學(xué)平衡圖像如何變化，化學(xué)平衡涉及的變量僅有三個：化學(xué)反應(yīng)的特征、外界條件的改變和化學(xué)平衡移動的方向。結(jié)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(jù)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(xiàn)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(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大、某反應(yīng)物的濃度（或體積分?jǐn)?shù)等）減小、某生成物的濃度（或體積分?jǐn)?shù)等）增加、某生成物產(chǎn)率增大等；同理可知平衡逆向移動的情況。

熟悉掌握化學(xué)平衡三種變量的常見呈現(xiàn)形式，是辨析平衡移動方向的前提，是解決化學(xué)平衡圖像問題的基礎(chǔ)。化學(xué)平衡的三個變量之間存在一個“三角”規(guī)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(jù)勒夏特列原理推導(dǎo)出三角形的第三個頂點（即第三個變量），這個規(guī)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(rèn)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(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度的定量關(guān)系，圖像中有兩條線分別描述了CH4和CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的升高而增大的事實。第（2）問，若考察“800℃下CH4平衡轉(zhuǎn)化率大于600℃下CH4平衡轉(zhuǎn)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(yīng)1”中涉及CH4，這是單一平衡體系且“反應(yīng)1”為吸熱反應(yīng)；“2.外界條件的變化”為溫度，根據(jù)“勒夏特列原理”可知“3.平衡移動的方向”，溫度越高反應(yīng)的限度越大，因而CH4平衡轉(zhuǎn)化率則越高。這一結(jié)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(jù)上述模型，學(xué)生可準(zhǔn)確地分析化學(xué)平衡的移動方向。同理，根據(jù)圖像表征和化學(xué)平衡移動的方向，依據(jù)上述模型，學(xué)生也能推測何種外界條件發(fā)生了改變。但是由于真實情境中有多個可逆化學(xué)反應(yīng)同時發(fā)生，所以對于工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜圖像的分析，學(xué)生缺乏有效的分析方法。

對于多平衡體系，我們要引導(dǎo)學(xué)生從試題的情境、圖像、化學(xué)用語中提取有價值的信息，并結(jié)合已有知識體系，進(jìn)一步理清三個變量：（1）圖像中曲線的研究對象是何種物質(zhì)？該物質(zhì)涉及哪些反應(yīng)？每個反應(yīng)的特征？（2）改變了什么外界條件？（3）根據(jù)上述條件的變化導(dǎo)致各平衡的移動的結(jié)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(jù)（即圖像表征）分析與圖像表征一致的反應(yīng)是主反應(yīng)，或平衡的移動是導(dǎo)致圖像表征的物理量變化的主要原因。若無法確定主反應(yīng)，則要根據(jù)各反應(yīng)的特征和外界條件的改變，進(jìn)一步挖掘影響平衡的間接因素?；趫D像表征的事實，結(jié)合化學(xué)熱力學(xué)或動力學(xué)原理，揭示圖像中某個曲線走勢變化的原因，需幫助學(xué)生逐步建立并擴展解決問題的認(rèn)知模型（如圖4所示）。

4.3.3 應(yīng)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(zhuǎn)化率遠(yuǎn)大于600℃下CO2平衡轉(zhuǎn)化率？CO2既是反應(yīng)1、反應(yīng)2的反應(yīng)物，又是反應(yīng)3的生成物，所以3個反應(yīng)都是研究對象，且反應(yīng)1和反應(yīng)2是吸熱反應(yīng)、反應(yīng)3為放熱反應(yīng)。利用上述模型，據(jù)勒夏特列原理可知，隨著溫度的升高，反應(yīng)1和反應(yīng)2的正反應(yīng)進(jìn)行的程度增大與圖像中CO2在高溫時平衡轉(zhuǎn)化率較大這一事實吻合；而反應(yīng)3正反應(yīng)進(jìn)行的程度減小，與圖像中CO2在高溫時平衡轉(zhuǎn)化率較大這一事實不吻合，因而高溫時以反應(yīng)1和反應(yīng)2為主。該問答案可描述為“反應(yīng)Ⅰ、反應(yīng)Ⅱ的ΔH>0，高溫下正反應(yīng)進(jìn)行程度大，反應(yīng)消耗的CO2多；反應(yīng)Ⅲ的ΔH<0，高溫下正反應(yīng)進(jìn)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(nèi)隨著溫度的升高，平衡時H2產(chǎn)率減小的原因。根據(jù)圖4所示的認(rèn)知模型，隨著溫度升高反應(yīng)①正向移動，H2的產(chǎn)率增大，與圖像不一致；隨著溫度升高反應(yīng)②也正向移動，消耗H2， H2的產(chǎn)率減小，與圖像一致，所以在300～700℃范圍內(nèi)升高溫度，反應(yīng)①正向移動生成的H2的量小于反應(yīng)②正向移動消耗的H2的量。

5 研究反思

教學(xué)活動中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生基于圖像并充分利用構(gòu)建的“解釋多平衡體系問題的認(rèn)知模型”分析圖像，形成解決化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡圖像問題的有效策略。

在教學(xué)過程中，從學(xué)生的認(rèn)知角度出發(fā)，通過對多平衡體系中的關(guān)鍵物質(zhì)或圖像中關(guān)鍵點的分析，并將曲線的變化趨勢轉(zhuǎn)化為描述化學(xué)平衡狀態(tài)的“三個變量”的變化情況，通過建構(gòu)認(rèn)知模型，反復(fù)推演多平衡體系外界條件（例如溫度）的改變與實驗結(jié)果（即圖像表征）之間的內(nèi)在“互動”關(guān)系。教學(xué)評價表明，學(xué)生已初步學(xué)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(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。

通過真實情境中多平衡體系的研究，提高了學(xué)生對于化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡的認(rèn)知水平，認(rèn)識到多平衡體系中各個反應(yīng)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(yīng)的平衡狀態(tài)沒有直接的影響，但由于其他平衡的移動，改變了一些物質(zhì)的濃度，繼而對該平衡產(chǎn)生了間接的影響。在分析改變外界條件對于復(fù)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(xué)生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)的培育。

參考文獻(xiàn)：

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