学生在化学平衡认知上的迷思概念(上)

甫教高中生有关化学平衡的章节时,经常碰到几个观念学生容易混淆、无法了解,例如可逆性 (reversibility)、反应完成或终结有何差别、平衡是静态 (static) 或动态 (dynamic)、平衡位置向左或向右移动的意涵…等,这些困扰有些源自于学生先备知识的认知架构,匡限了后学内容的认知了解,有些源自于教学用语的不良沟通,更有些出自没有适当的模型或演示,造成微观现象的不了解,这些问题不仅在国内的教学现场处处可见,在国外的研究探讨也屡见不鲜,详见参考文献。本文将以一些实例说明这些迷失概念产生的原因,并藉助一些演示实验,加以釐清及说明。

一、平衡是反应的终结或完成

国中阶段,有关化学反应,老师的教学内容,通常是将反应方程式写在黑板上,以单一箭头表示反应朝生成物的方向进行,当有一反应物用罄时,反应就告终结或停止。但后来开始教化学平衡时,则隐含化学反应有可逆性,即反应不只朝一个方向进行,亦即在达成平衡后的反应系统中没有一个物种会被完全用罄,正逆反应仍会持续进行。显然由于「初学者」尚未有微观的概念,教师教学时只能藉由巨观、可观察的现象来教导学生书写化学方程式,因而此一概念会持续固着,甚至延伸至开始学习化学平衡,因此巨观现象没有变化即代表反应已终结的困扰,于焉产生。事实上除了没有微观概念以外,尚有开放和密闭系统的差异,在开放系统中很难有平衡现象产生。

通常化学变化 (chemical transformations) 依照反应进行的时程可区分如图一,尚在进行中者代表不停有生成物产生,反应尚未终止,巨观和微观的现象仍在继续进行中。化学变化已完成者则有二种情况,其一为反应已终结者,此时不管微观或巨观反应均已终止不再进行,若在平衡状态者,巨观上虽已无变化,但微观仍持续进行中。

学生在化学平衡认知上的迷思概念(上)

图一、一般化学变化的分类。(作者绘製)

基于上述迷思,老师开始进行化学平衡的教学时,可藉下列实例及演示实验加以说明,以建立学生的正确认知,首先以碳酸钙加热分解的反应为例:

$$\mathrm{CaCO_{3(s)}}\overset{\Delta}{\rightarrow}CaO_{(s)}+CO_{2(g)}$$ (式— 1)

学生在化学平衡认知上的迷思概念(上)

图二、相同条件下,在 (A) 开口容器和 (B) 密闭容器中加热碳酸钙的示意图。(作者绘製)

在开口的容器中,定温加热碳酸钙粉末如图二 (A) 所示,会有二氧化碳生成,容器中反应物的量持续减轻,此时化学变化正在进行,待容器内物质的重量不再变化时,反应即达终结,碳酸钙已用磬,容器中巨观和微观的现象均已无改变,此一认知和学生在国中阶段的理解相仿。若同一反应,所有反应条件也一样,在密闭的定容容器中加热,则情况迥异。反应进行时,容器内物质的总重量不变,若测量容器内的压力,则其压力由原来的大气压力持续上升,但到达一特定点时,即为定值不再变化。

经过上述说明后,可提出下列问题,请学生思考:

学生对于第 1 个问题,大多不会有问题,不是容器有密闭和开口的不同,就是一者有气体生成物溢洩,一者无。第 2 个问题也大部分答对,闭密系统合乎质量不灭定律,开放系统则有二氧化碳溢散至容器外。但学生开始思考第 3、4 个问题时,便和旧经验产生冲突,此时学生开始产生疑问,密闭系统中尚有碳酸钙存在,为何不会继续反应呢?如果能继续反应,为何二氧化碳的分压不再增加?为了解答这个矛盾,此时「反应不只会朝正反应的方向进行,也会朝逆反应的方向进行」的概念,便有可能被诱发出来,如果正逆反应的速率恰好相等时,即碳酸钙继续分解,但氧化钙和二氧化也继续合成碳酸钙,因此微观的反应持续进行,但巨观的分压已不再改变,于是上面的疑问便能豁然开朗。这个过程中,可以观察学生把旧的知识架构重整,将新的概念加以融合,建构出新的知识架构,就如图一右半部所列,已完成的反应并不只有已终结的反应,还必须含括已平衡的反应。

连结:学生在化学平衡认知上的迷思概念(下)


参考文献

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