高中化学新课程选修模块的学科问题(4-2)

主持人：

高中化学新课程远程研修项目组核心成员 、 北师大化学教育研究所博士 陈颖

嘉宾：

物理化学专家、北京大学化学学院   高盘良教授

北京市第35中学    支瑶老师

上一集我们对选修模块新增学科内容的认识问题进行了探讨和学习，那么下面我们就进入《化学反应原理》这个选修模块，针对该模块的新增概念原理，从课程设置、学科本体以及教学策略等方面进行探讨和学习。

在这一集的学习中，希望老师们继续思考这样几个问题：

1、怎样认识新增学科内容的本体价值？

2、怎样实现从课标到教材再到教学的转换？

3、怎样科学的理解新增学科内容中的概念原理？

一、“化学反应的方向”课例中的学科问题探讨

主持人：上一讲咱们留下了几个问题，主要是由反应方向的课例引发出来的一些学科问题：

1、什么是自发反应？

2、怎样理解焓变和熵变？

3、怎样理解公式△G=△H-T△S，为什么可以用它来判别反应方向？

4、从热力学角度看，可逆反应与不可逆反应的本质区别是什么？

高老师，请您谈一谈对这几个问题的看法。

高盘良（北京大学化学学院教授物理化学专家）：好的，那么我谈谈对这些问题的我自己的看法，有不对的地方希望大家进一步提出来讨论。

首先，什么叫自发反应？从字面上看，自发反应就是能够自动进行的反应，但确切一点应该这么说，在一定的条件下，譬如一定的温度压力的条件下，反应能够靠体系自身的力量而不借助于外力，譬如光电等能量的影响，而能够自动进行的反应叫自发反应。也就是说自发反应一定考虑到条件，因为某个条件下不是自发的反应，换了另一个条件可能就是自发的了。所以我认为对自发反应的理解有两点很关键，一个是不借助于外力靠自身的能力来进行的反应；第二个一定要指明是在什么方向上自发或者不自发，如果脱离了这两条去谈任何自发反应，我认为都是没有意义的。

支瑶：高老师，我想请问您一个问题，假如说一个反应我们已经判断了它是可以正向自发的，那也只是说判断了它有朝这个方向进行的一个趋势而已，而未必说我们真正的就能够看到这个反应发生了、有产物生成了，因为反应的发生、产物的生成可能还涉及到动力学的速率问题以及平衡问题，是这样的吗？

高盘良：是的，这个问题提的很好。我认为判断一个反应能够自发进行，并不见得它一定发生。譬如氢气加氧气在热力学上是自发反应，但是在常温常压下面，我们把氢气氧气放在瓶子里头，一千年后反应仍然不会发生，说明什么呢？说明真正能够实际进行这个反应还要一定的条件，我们可以举一个很浅显的例子，譬如说水能从高处往低处流，但是未必见得水一定从高处往低处流，为什么呢？有一个坝筑在那儿，高处的水仍然是高处水，低处水仍然是低处水，水并没有从高处流到低处。所以我认为讲自发反应的时候，只是指明我们判断它可能进行而未必见得一定进行。我觉得这个问题提的很好。

主持人：那高老师我还想接着问您，像焓变和熵变这两个概念有的老师认为它是很抽象的，我们应该怎么样理解这两个概念呢？

高盘良： 焓跟熵是反应方向的两个影响因素，焓呢比较多的从能量角度来考虑，熵呢就比较从无序跟有序的角度来考虑，将这两个因素结合起来才能构成对化学反应方向的判据，单凭一个因素往往不足以肯定这个反应是不是自发的。所以我们在书上讲的是△H-T△S，而不是仅仅凭△H或者△S来判定反应方向，为什么要把它结合起来呢？实际上是这样的，我们的课标里面没有引入自由能这个概念，实际上△H-T△S就是△G，也就是自由能的改变量，这样一来，怎么理解自由能呢？我们可以这样想，化学反应总是从自由能高的地方向自由能低的地方反应，自由能降低的方向也就是化学反应发生的方向，这个就好比我们刚才说的水由高处往低处流——水位的降低是水流动的方向，那么在温度压力一定的条件下自由能的降低就是化学反应发生的方向。所以从这个角度来说，自由能，是物质的化学反应能力的一种体现。当然，我说的自由能是指每摩尔物质即单位物质的量的物质的自由能多少，我们可以把它看成是一个“化学位”，就跟水位一样。那么如果这样考虑的话，我就觉得很容易理解，熵因素和焓因素结合在一起就是自由能，自由能是物质进行化学变化的方向的一种度量。此外，自由能虽然带一个“能”字，但是它跟我们通常讲的光能、热能、电能是不一样的，它不是一种单纯的能量形式，

主持人：那么可不可以认为它是综合了能量即△H和体系的混乱度即△S这样两个因素在一起之后的一个综合的指标?

高盘良：对，是这样的。

主持人：那么熵变在化学上是不是就可以认为是体系的混乱度？

高盘良：因为我们不能介绍更深层次的熵的问题，所以，形象的来说它就是混乱度；熵增加的方向就是混乱度增变大的方向，那么这样说起来大家似乎容易理解，但实际上混乱度这个词还有点不好理解，混乱度实际上就是均匀程度，混乱度最大就是最均匀。通常大家以为均匀跟混乱度好像是完全相反，实际上均匀就是混乱度，任何一个体系均匀了，就是混乱度最大了，过去同学们都不太理解这个问题。譬如我们把一滴墨水滴到水里头去最后变成均匀了，那就是熵增加了、混乱度增加了，变化的方向是指由不均匀到均匀、由有序到无序，所以熵变的方向实际上预示着熵增加的方向就是由有序到无序、由比较不乱到很混乱的变化，我认为从这个角度理解熵可能比较现实一些。而实际上熵的概念要比我们现在的理解更宽泛，但是在高中教材里面不能把它展开的太多，所以我们只是引入熵的概念，在以后适当机会还可以更深入的来探讨。

从热力学角度看可逆反应和不可逆反应的本质区别到底在哪儿？从中学教学的角度来说，把可逆、不可逆看成一个方向问题比较好。可逆反应是什么呢?就是在正向跟逆向同时都能进行的反应；不可逆反应就是只能单向进行的反应。在高中教学里头我觉得谈到这个程度就够了，但是实际上可逆和不可逆在热力学里面有更深的意思，譬如进行的方向、进行的过程中间，可逆反应有它特定的条件，同样的反应，可以按可逆方式进行，也可以按不可逆方式进行，这个在高中就不再深入的探讨。譬如氢气加氧气虽然是可逆反应，但是当它们以爆炸方式进行时是不可逆的，当它们以可逆电磁方式进行时，比如氢氧燃料电池是就是以可逆方式进行的。所以我认为在高中教学中只要强调方向就够了，不要去探究过程中间的每一个细节，因为可逆不可逆要考虑到这个反应的细节。

主持人：那么我曾经听到过这样一种说法，可逆反应和不可逆反应的本质区别在于反应的限度、反应能不能进行到底，您觉得这种说法合适吗？

高盘良：可以。因为化学反应有两类，一类是达到一定的平衡再不能进行下去了。一类是永远进行下去直到反应物全部反应掉，这个实际上是不可逆的反应——单向进行的反应。那么我们所说的平衡都是指双向进行的反应达到的一种状态叫化学平衡。

支瑶：高老师，关于反应方向的问题还有一个，以合成氨为例，我们从热力学上判断这是一个自发反应，同时这又是一个可逆反应。老师就认为这两个有矛盾，因为按照可逆反应的定义，在中学里边可逆反应的定义就是在相同条件下能同时向正反两个方向发生的反应，那么，在相同的条件下能生成氨，氨也能够分解。可是按照这个反应方向的判断出来，如果生成氨的方向是能够自发进行的，那反过来把数据带进去，在相同条件下的氨分解的△G就是大于零的，就不能自发进行了。您认为这种观点的问题出在什么地方呢？

高盘良：我认为他把热力学跟动力学混淆起来了。我们说合成氨是可逆反应，是指氮跟氢可以变成氨，在同样的条件下，氨也可以分解成氮跟氢，这是一个反应的趋势。但是这个反应到底以什么样的速率进行呢？不知道。我们所说的合成氨是指氮跟氢反应的倾向比氨分解成氮跟氢的倾向比较起来，前者占主导地位，这时反应处在不平衡状态，氮跟氢合成氨，而氨分解成氮跟氢基本上没有进行，但是并没有说明氨不能分解成氮跟氢。我们说这个反应是可逆的，但并不是意味着这个反应就是平衡了。所以我们要区分“是不是进行了”和“有没有能力进行”这是两个角度。

  支瑶：看来老师们在处理类似问题的时候，还很容易把动力学跟热力学的问题混在一起，所以就乱了，变成了自己找自己的麻烦。把实际进行的过程跟能进行的过程混淆起来了。因此我们在讨论问题的时候，热力学就讨论热力学问题，动力学就讨论动力学问题，这两个不要混起来，因为这两个视角完全不同。

核心观点：

1、在一定的条件下，譬如一定的温度压力的条件下，反应能够靠体系自身的力量而不借助于外力，譬如光电等能量的影响，而能够自动进行的反应叫自发反应；判断一个反应能够自发进行，并不见得它一定发生。

2、焓跟熵是反应方向的两个影响因素，焓比较多的从能量角度来考虑，熵就比较从无序跟有序的角度来考虑。

3、熵因素和焓因素结合在一起就是自由能，自由能是物质进行化学变化的方向的一种度量。

4、从中学教学的角度来说，把可逆、不可逆看成一个方向问题比较好。可逆反应就是在正向跟逆向同时都能进行的反应；不可逆反应就是只能单向进行的反应。

二、“压强对平衡的影响”的课例播放及场外讨论

主持人：听了二位老师的讲解和讨论之后相信各位老师对熵变和焓变等基本概念以及物理化学的基本思想会有更深入的认识。其实很多学科问题都是在教师教学的过程中产生的。上次我们在山东听观摩课的时候也遇到过类似的情况。今天，我们给大家准备了一节教学课的课堂实录，下面我们一起来看一看这段教学视频，在看的时候请老师们思考这几个问题：

您认为本节课的核心概念是什么？

您是怎样理解这些核心概念的？

您打算怎样帮助学生建立这些核心概念？

1.课例录像（化学反应原理模块 化学反应的限度 第三课时 教学片段）

教师：人类有多种需要，其中健康和生命的需要对我们来说是最重要的。生活当中一旦出现了意外我们怎么办？下面请同学们看一个短片：家庭燃煤或用煤气做饭时，有时会有煤气泄漏，吸入煤气会使人昏迷，时间越长危险越大，煤气中毒时，我们应该采取什么措施？希望今天这节课的学习能有助于我们解决这样的问题。

首先，请同学们从定量的角度来分析一下上一节课学习的K和Q的大小与平衡移动方向的关系。

……

他回答的很好，下面我们就从定量的角度来分析一下，当二氧化氮的浓度、四氧化二氮的浓度都增加到二倍的时候，反应（二氧化氮变成四氧化二氮的反应）向哪一个方向移动？这里面假设反应的平衡常数K的数值是A，那么我们先回忆一下，这个反应的平衡常数K的表达式应该是什么？Q的表达式又是什么？

……

他说的对。那么下面，大家计算一下浓度改变后Q的数值（等于2A）并判断平衡移动的方向，此外，你有哪些措施可以使二氧化氮的浓度四氧化二氮的浓度都增加到两倍？请大家思考讨论。

学生甲：Q=2A>K，平衡右移，将容器体积减少为原来的一半可以使二氧化氮的浓度四氧化二氮的浓度都增加到两倍。

学生乙：容器体积固定不变，再向容器当中加入与原平衡态同样的二氧化氮和四氧化二氮，也可以使二氧化氮的浓度四氧化二氮的浓度都增加到两倍。

教师：根据刚才第一个同学回答的那个实验设计我们看一下，将气体的体积压缩到一半，这时候二氧化氮和四氧化二氮的浓度都增加到原来的二倍了，那么压缩了之后，这个容器的压强有变化吗？对，压强增大为原来的二倍了。

大家看，这是两个相同的注射器，充有同样的二氧化氮和四氧化二氮的混合气体，现在体系已经达到了平衡。我现在呢对右边的注射器进行加压，请你观察一下实验现象，气体的红棕色是如何变化的。

……

以上是我们学习的反应条件对平衡的影响。通过对这些内容的学习，我们不仅获得了知识，还有获得了学习的方法：如果在解决一个问题的时候涉及了实验，根据我们刚才的研究

它一般的思路是要进行实验设计，刚才两位同学进行实验设计，一个设计了气体解压缩，一个是向同一容器当中加同样的气体。实验设计完了，我们要对这个实验进行探究或者是验证。然后对结果进行处理。这是关于实验的方法。那么在认识规律的时候，一般情况下，我们是先对个别进行研究探讨，然后再推广到一般，最后总结出规律。

我们用了这些方法来学习了知识，那我们学习了知识的目的是干什么？对，是应用知识解决问题。下面我们就来看一下开头提到的当中煤气中毒之后如何抢救中毒的人？抢救的原理是什么？

学生丙：开窗通风，高压氧舱，分别利用了浓度、压强对平衡的影响的规律。

教师：很好，要是遇到你肯定有救了。

……