勒夏特列原理对教师理解化学平衡的负面影响

和压强不变, 充入 01 140 mol N 2, 平衡会向哪个方
向移动?
样本包括 12 位香港高中化学教师, 他们的教学
经验从 3 年到 18 年不等, 平均教龄 81 8 年。每个放
声思考的访问需时 30 至 55 分钟, 平均 38 分钟。研
究结 果发现, 12 位 教师都误以为 平衡一定向右 移
分子。在题 2 中, 虽然充入 N2 的物质的量是虚拟的,
但它足已说明增加反应物未必导致平衡向右移动。
有些化学教师认为, L CP 不能解答题 1 及题 2,
原因是 2 题均包括多过 1 个条件的改变。例如, 他
们认为题 2 除了充入 N 2 之外, 总体积也增大了, 所
以, 题 2 比一般的化学平衡问题复杂, 自然不能滥用
更重要。遗憾的是, 许多国家的考试局、课程委员会
和教科书仍然强调学习 L CP, 当务之急是让更多化
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竟向那个方向移动呢? 可见, 仅仅用 L CP, 并不 能
决定平衡究竟向哪一个方向移动。
表 1 教师答案的分类
编码
教师答案
人数
平衡可能向左 或右 方向 移 动, 取 决于 混合 物 中 CS2 1A1 的原始浓度。教师能 正确 地应用 K c 或 Qc 表 达式, 3
预测平衡的移动方向
1B1
CH 4 分子数会增大, 用 LCP 预 测平衡将 向右移 动以 抵消改变或减少 CS2 增大所造成的影响
平衡有足够的理解。这些教师的教学经验从 1 年到
19 年不等, 平均教龄 71 8 年。所有教师都拥有化学
学士学位, 其中女性教师 17 名, 男性教师 16 名。测
试由 3 道化学平衡题目组成, 以无记名方式进行, 时
间为 15 分钟。由于篇幅有限, 下面只列出其中一道
题目:
[ 题 1] 在一个装有可移动活塞的容器内进行如下
化学反应:
CS2 ( g) + 4H 2 ( g )
CH 4 ( g ) + 2H 2 S( g )
反应达到平衡后, 保持容器内的温度和压强不变, 向
反应混合物中加入少量 CS2 气体, 再达到新的平衡
后 CH 4 分子的数目如何变化? 试对你的答案进行
解释。
2 名研究人员对教师的答案进行了分析和编码
如题 2 改为充入 N 2 同时下降反应温度, 那么平衡
问题就真的变得复杂了。
另外, 有些香港的化学教师认为 L CP 仍具有在
高中化学课程中存在的价值, 因为公开考试是不谈
论类似题 1 或题 2 的恒压化学平衡问题的。但需要
指出的是, 要回避的化学平衡问题其实不只一类, 在
其他情况下运用 LCP 亦会出现模棱 两可的答
VV
=
( 01204) 2 (11 00) 2 ( 01 510) (01 197) 3
=
101 67
其中[ N H 3 ] eq 表 示 氨气 在 平 衡 混 合物 中 的 浓 度,
nNH3 表示氨气 的物质的 量, V 表示体 系的总体 积, 诸如此类。依据 题意可 知, 在原 来的平 衡混 合物
所以, 反应商可表示为:
Q=
[ NH3] 2 [ N2] [ H2] 3
=
n2 NH3 V
n N2 nH2
3=
( nNH3 ) 2 ( V ) 2 ( nN2 ) ( nH2 ) 3
VV
=
( 01 204) 2 ( 11 15) 2 ( 01 650) ( 01 197) 3
=
111 08
由于 Q > K , 平衡必须向左移动, 产生更多 N2
L CP。但其实, 很少有平衡问题只涉及 1 个条件的
改变, 充入 N 2 的物质的量与体 积的增幅并非独立 的变项。De H eer[ 3] 曾提醒大家, 如果变项之间互
相独立存在, 才会构成一个复 杂的化学平衡 问题。
例如, 即使题 2 改用体积不可变的容器, 在恒温下加
入 N 2 会增加浓 度, 那么压强也一定随 之增大。假
研究, 我们认为学习化学平衡的必要基础概念是平
衡定律和范托夫定 律, 并 非 L CP [ 11] 。L CP 不 能为
高中学生打开学习化 学平衡之门, 相反, 由于应用
L CP 可能造成错误的预测, 它将削弱化学学习的意
义。从有意义学习的角度看, 教会高中学生应用 K
和 Q 来预测平衡移动比让他们单纯记忆 L CP 规则
中, 11 00 L 容 器 中 包 含 分 子: 01 510 + 01 197 +
01 204= 01 911 m ol。当加入 N 2, 体系瞬间有分子:
01 911+ 01 140= 11 051 mol。假设理想气体情 况,
瞬间总 体 积变 为 11 051 @ 11 00/ 01 911 = 11 15 L 。
分类, 表 1 列出了分类的结果。研究结果显示: ( 1)
28 位教师预测甲烷分子数目增大, 4 位教师预测分
子数目减少, 1 位教师预测分子数目不变; ( 2) 9 位教
师( 编码 1B1) 将 L CP 作为唯一的解释途径, 8 位教
师( 编码 1B2) 虽然没有具体写出 L CP, 但其思维类
动, 原因是太依赖 L CP 的逻辑。在进行问题解决的
过程中, 12 位教师展示了 2 类认知过程, 详情可参 考 Cheung 的报告[ 7] 。其实, 我们 可直接应用平 衡
定律, 体系的平衡常数可表示为:
K=
[
NH
3
]
2 eq
[
N2
]
e
q
[
H2
]
3 eq
=
n2 NH3 V
nN2 nH2
3=
( nNH3 )2 ( V) 2 ( nN2 )( nH2 )3
移动
通过对教师答案的分析和归类, 发现只有 3 位
教师( 编码 1A1) 能应用平衡定律列出正确答案。他
们首先写出了反应商 Qc 的表达式:
Qc =
[
CH 4 ] [ H 2 S] 2 [ CS2 ] [ H 2 ] 4
=
nCH 4 V nCS2 V
n2 H2 S
V n4
H2
V
=
( nCH4 ) ( nH2S ) 2 ( V ) 2 ( nCS2 ) ( nH2 ) 4
其中[ CH 4 ] 表示甲烷的浓度, nCH4 表示甲烷的物质
的量, V 表示体系的总体积。3 位教师均指出在恒
温、恒压的条件下加入 CS2 气体, CS2 的物质的量和
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化学 教育
2009 年第 11 期
体系的总体积同时增大。因此, 平衡移动的方向取 决于上述表达式中 V 2 / nCS2 的比值。如果新的比值 大于原来的比值, 即 Q c 大于 K c , 平衡将向左移动。
参与的可逆反应, 许多教科书通常使用 K p 而非 K c
来讨论, 有些教师没有意识到可以用浓度讨论气体
平衡。只有一位教师( 编码 1D1) 认为 CS2 物质的量
不发生改变, 尽管他也使用了 Qc, 但仍然得出了错
误的结论。
2 放声思考方法 以上实证研究结果表明香港高中化学教师在理
解浓度如何影响化学平衡时, 显露出多种迷思概念
( misconception) 。当然, 这其中也包括研究方法局
限的限制。在刚才的案例中, 大部分教师都没有写
下详细的解释, 导致研究人员很难确定每位教师的
思考历程和出现错误答案的原因。因此, 研究人员
于 2008 年修改了研究方法, 邀请另一个样本教师以
放声思考( t hink- aloud) 访问方式回答以下问题:
案[ 1, 5] 。所以, 回避并不能 帮助教师对化 学平衡有
更深入的认知, 更不能令高中学生有效地学习和全
面地掌握化学平衡。
3 结语
香港研究提供了强有力的证据, 证明 LCP 会削
弱高中化学教师解决化学平衡问题的能力。教师自
身的学科内容知识不足, 将对高中学生学习化学平
衡产生一定的影响。中学生之所以认为化学平衡难
9
1B2
CH 4 分子数会增大, 因为 CS2 分子数和浓度 会增大, 平衡将向右移动以抵消或减少这一改变
8
1B3
CH 4 分子数会增大, 因为 有更多 的反 应物 可以 生成 CH 4
1
1B4
CH 4 分子数会增大, 因为 CS2 浓度增大, 平衡 向右移 动
4
CH 4 分子数会增大, 增加 CS2 意味着瞬间 1B5 [ CH 4] [ H 2S ] 2/ [ CS2 ] [ H2 ] 4 的比值小 于 K c , 所以平 4
[ 题 2] 在一个 装有可 移动活 塞的 容器中 进行如
下反应: N 2 ( g) + 3H 2 ( g)
2N H 3 ( g) , 反应达
到平 衡 后, 测 得 01 510 mol N 2, 01 197 mol H 2 ,
01 204 mol N H 3, 总容积为 11 00 L 。如果保持温度
几十年来不断有化学家和化学教育研究工作
者提到勒夏特列原理( L e Chatelier. s Pr inciple, 以
下简称为 L CP) 的不足之处[ 1~ 5] 。但是, 在高中化学
课本中, L CP 依然被视为学习化学平衡不可缺少的
原理。根据 L CP, 改变影响平衡的一个条件( 如温 度、浓度、压强等) , 平衡会向使这种改变减弱的方向
似 L CP/ 变化- 然后- 减弱0 的逻辑。本题显 示使
用 L CP 的 确会令 答案模 棱两可。按照 LCP 的 逻
辑, 平衡将向减弱 CS2 浓度增大的方向移动, 即向
右移动。但同时, 新加入的 CS2 会增大体系的总体
积, 这样尽管 CS2 的浓度将增大, 但 H 2 的浓度将减
小, CS2 和 H 2 的浓度呈现相反的变化, 那么平衡究
学, 原因不仅在于化学平衡概念抽象, 还有课程内容
本身的问题。将 LCP 包括在高中化学课程中不符
合评价课程内容的 2 项重要 的标准: 意义( sig nif-i cance) 和效度( validit y) [ 9, 10] 。意义指的是所选内容
的必要性, 以及在多大程度上可以促进学生的有意
义学习; 效度指的是内容的正确性。基于上述实证
如果新的比值小于原来的比值, 即 Qc 小于 K c, 平衡
将向右移动。所以, 平衡移动的方向受原混合物成
分的影响。
4 位教师( 编码 1B5) 在运用平衡定律过程中只
注意了 CS2 浓度的改变, 没有考虑到其他物质浓度
变化以及总体积变化, 这可能与香港教科书较少讨
论恒压情况有关。另外一个可能原因是对于有气体
2009 年第 11 期
化学教育
勒夏特列原理对教师理解化学平衡的负面影响
廖 梁 张善培
( 香港中文大学课程与教学学系 香港)
# 21 #
摘要 回顾了近年来有关勒夏特列原理的实证研究, 分析了该原理对高中化学教师理解化学平 衡所造成的负面影响, 并建议对高中化学平衡的课程内容进行一定的改善。
关键词 化学平衡 勒夏特列原理 教师迷思概念
衡向右移动
1B6
CH 4 分子数会增大, 增加 CS2 使平衡向右移 动, 因为 正反应速率将增大, 而逆反应速率则不变
1
1B7
CH 4 分子数会增 大, 平 衡向 右移 动。 没有 进一 步的 解释
1
1C1 CH 4 分子数保持不变, 因为温度保持不变
1
CH 4 分子数将减少。教师能列出正确 的 Qc 表达式, 1D1 但误以为体积增大会导致 Q c 大于 K c , 因此平衡向左 1
移动。但实际上, 往往出现模棱两可的答案[ 5] 。实
证研究亦显示应用 L CP 会削弱高中化学教师解决 化学平衡问题的能力[ 6~ 8] 。如果教师不能从较高的
源自文库
认知水平上认识化学平衡, 将直接影响学生对化学
平衡的理解。
1 香港研究
2007 年, 33 位中学化学教师到香港中文大学参 加了一项测试[ 6] , 测试目的是调查教师是否对化学