学生在化学平衡认知上的迷思概念(下)

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为了使可逆及动态平衡的概念更加稳固,可藉下列演示实验让学生有更深刻的印象,如果学生此时尚未学习错离子,(式— 2)可用蓝色、粉红色物质代表错离子,无须写出化学式。将水合氯化亚钴晶体大约 3 克,置入烧杯中,加入异丙醇液体使晶体溶解,配成 25 mL 的溶液,其浓度约为 0.5 M,呈深蓝色。配好的「非」水溶液的系统可由下式表示,在此水分子不是溶剂,而是反应物。

$$\mathrm{CoCl^{2-}_{4}+6H_2O\rightleftharpoons Co(H_2O)^{2+}_6+4Cl^-+heat}$$ (式— 2)

  蓝色                              粉红色

取 A、B、C 三支试管各加入 5 mL 上述蓝色溶液,用滴管分别于 B、C 二支试管中,逐滴加入蒸馏水并摇荡均匀,当溶液的颜色由深蓝转为粉红色,便停止滴入蒸馏水,此时询问学生(式— 2)的净反应朝什幺方向进行?由颜色的变化,答案显而易见,净反应是朝正反应的方向进行。此时用滴管将浓盐酸逐滴加入 C 试管中,摇荡溶液,当颜色由粉红转为深蓝色,即停止滴入浓盐酸。此时再询问学生,(式— 2)的净反应朝什幺方向进行?由试管中颜色的变色,净反应是朝逆反应的方向进行,演示至此便已说明一个已达平衡的反应,不但可以向右也能向左进行。

上述演示结束后,学生肯定还有一个疑惑,正逆反应是否同时进行?还是加水时只往右进行,加氯离子时则往左前进?亦即化学平衡是属于前者的动态形式?还是属于后者的静态模式?如果此时能证明系统中的所有物种均同时存在,则代表平衡为动态,因为生成物均存在,逆反应不可能停止,相同地反应物均存在,正反应也不可能停止,当平衡时只是正逆反应二者的速率相等,此时再加入水分子时,使正反应速率增快,而逆反应速率不变,因此出现净反应朝右移动,加氯离子的情况也是相同的道理。因此要如何证明试管为蓝色时,仍有粉红色的物质?我们可以将 B 试管置入 80 ℃ 水浴中,溶液的颜色达平衡时,由粉红变为较淡的蓝色,此时仍有粉红色的物质及氯离子存在吗?将试管置入较高温 90 ℃ 的水浴中,则溶液的颜色更蓝,代表仍有粉红色的物质和氯离子反应继续生成蓝色的物质和水,可见在不同温度下的各个平衡状态,系统中的所有物种均同时存在,只是量的不同而已。

二、平衡位置向左还是向右的意涵

评量试题中经常看到下列叙述:在一平衡系统中,加入某向变因,平衡位置是往右进行?还是往左?或是不动?但是这组词彚如果没有适当的沟通,似乎存在很大的模糊空间,甚至造成误解。例如下列试题,你的答案会是何者?

试题一、定温下,溶解氢氧化钙固体:$$\mathrm{Ca(OH)_{2(s)}\rightleftharpoons Ca^{2+}_{(aq)}+2OH^-_{(aq)}}$$,若系统已达平衡后,加人少量水,则平衡位置如何移动?

(A) 向左         (B) 向右         (C) 不移动            (D) 无法判断

上述的平衡位置,至少存在三种不同的意涵,其一、大多学生会选 (C),即将此词彚和平衡常数看成同义词,平衡常数在定温下不变,因此加水不影响平衡常数,所以平衡位置不变。其二、平衡位置和浓度相关,系统加入水时虽然有固体溶解,但最终溶液中离子的浓度不变,因此平衡位置不变,当然答案也是 (C)。其三、平衡位置和反应速率连结,当加水的瞬间,水中钙离子和氢氧根离子的浓度变小,因此逆反应的速率变慢,而固体溶解的正反应速率不变,因此整体的净反应往右进行,持此理由者会选 (B) 的选项。

试题二、定温定容下,下列反应已达平衡:$$\mathrm{N_{2(g)}+3H_{2(g)}\rightleftharpoons 2NH_{3(g)}}$$,若于系统中加入少量氢气,则平衡位置如何移动?

(A) 向左         (B) 向右         (C) 不移动            (D) 无法判断

以试题一的推论方式,若以平衡常数判断,则答案为 (C),平衡位置不移动:若以再平衡后的浓度分析,氨的浓度变大,答案为 (B),平衡位置向右;若以净反应速率判断,加入氢气时正反应速率变大,逆反应速率不变,答案亦为 (B)。由这二个试题可以想像,学生的选项和老师的答案不同时,也许不是学生的认知错误,很可能出自于题意不清或词意模糊,因此上述试题修改为:若加入一变因影响平衡时,系统的「浄反应」会朝何方向前进,以达另一个平衡状态,则试题一、二的答案均为 (B)。若问达新平衡时,生成物的「浓度」如何改变?则试题一为不变,试题二为变大。若问达新平衡时,「平衡常数」如何改变,则答案均为不变。此三种较精準的问法,答案均无模糊空间,学生不会陷入语意不清的陷阱中。

三、结论

本文探讨学生在学习化学平衡时,所遭遇到的迷思概念,诸如反应的可逆性、化学平衡的动态性质、反应完成及终止的差别…等,并建议可行、有效的教学及演示方式。首先以碳酸钙分解反应的实例加以说明,「反应完成」事实上包含「反应终止」及「化学平衡」两大部分,再利用氯化亚钴异丙醇溶液的演示实验,透过眼见为信的观察,说明化学平衡的可逆性及动态性质。最后则是提出评量题目的词意模糊对正确答题的影响,并以平衡位置向左、向右或不动的多元意涵为例,说明在评量试题中,唯有在精确、彼此了解的题意表述下,才能达到真正的评量目的,否则学生的错误选项,很可能源自于对题意或语词的误解。


参考文献

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