基于證據(jù)推理素養(yǎng)的化學(xué)反應(yīng)方向課堂實(shí)踐

羅丹　梁弘文

【摘要】文章以化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向?yàn)橹黝}，以二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用為背景，從生活實(shí)例、已知化學(xué)反應(yīng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和化學(xué)史實(shí)中尋找證據(jù)，通過分類、歸納提出假設(shè)，再通過支撐證據(jù)加以證實(shí)、證偽和邏輯推理，得出科學(xué)結(jié)論，并將其用于解決二氧化碳資源化問題，以期提升學(xué)生的化學(xué)反應(yīng)方向判斷能力以及化學(xué)核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】證據(jù)推理;反應(yīng)方向;化學(xué)教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：羅丹（1980—），女，福建省同安第一中學(xué)。

梁弘文（1972—），男，福建省廈門第一中學(xué)。

一、研究背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)及其五個(gè)方面，其中證據(jù)推理是科學(xué)探究的思維核心，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)思維能力的體現(xiàn)[1]。證據(jù)推理素養(yǎng)旨在培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，使其能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽，建立觀點(diǎn)、結(jié)論與證據(jù)之間的聯(lián)系，用化學(xué)家的思維方法去認(rèn)識(shí)、思考和解決化學(xué)問題，形成化學(xué)科學(xué)思維。

化學(xué)反應(yīng)方向的判斷是人類認(rèn)識(shí)自然、探索真理的過程，是不斷尋找證據(jù)、提出觀點(diǎn)、推理論證的過程。對(duì)特定化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的判斷是開展科學(xué)研究的先決條件，因此，理解和運(yùn)用其中的判據(jù)至關(guān)重要。但是因相關(guān)知識(shí)涉及熱力學(xué)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)學(xué)生而言具有一定的難度，所以，在對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向判斷的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用證據(jù)推理思維方式展開學(xué)習(xí)和推理是促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)此能力的最佳途徑。

“化學(xué)反應(yīng)的方向”一節(jié)涉及自發(fā)反應(yīng)、熵變、熵增等概念，學(xué)生理解難度較大。而在日常的教學(xué)中，論證自發(fā)過程提供的證據(jù)往往比較單一，并且缺少實(shí)例來讓學(xué)生感受熱力學(xué)理論研究對(duì)生產(chǎn)生活和科研的重大意義。實(shí)際上，化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的證據(jù)非常豐富，如宏觀和微觀證據(jù)、定性和定量證據(jù)、符號(hào)證據(jù)、理論證據(jù)等。本文以人教版《化學(xué)反應(yīng)原理（高中化學(xué)）》（2019版）第二章第三節(jié)“化學(xué)反應(yīng)的方向”為例，以二氧化碳的轉(zhuǎn)化為問題中心，運(yùn)用證據(jù)推理的邏輯思維模型（圖1）進(jìn)行課堂教學(xué)嘗試，以期拋磚引玉。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

科學(xué)家對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向判斷的探究始于19世紀(jì)中葉，科學(xué)探究的過程是一個(gè)逐步深入的過程，一般遵循“根據(jù)事實(shí)提出假設(shè)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→嚴(yán)密地推理和論證實(shí)驗(yàn)結(jié)果→形成正確認(rèn)知”的順序。因此在教學(xué)中，筆者以反應(yīng)自發(fā)性判據(jù)的發(fā)展史為線索，依據(jù)證據(jù)推理的邏輯思維模型，對(duì)反應(yīng)方向的認(rèn)知在“提出猜想→科學(xué)論證→得出結(jié)論”的過程中得出科學(xué)的結(jié)論，并運(yùn)用該原理說明已有的事實(shí)，預(yù)測(cè)未知事實(shí)，解決二氧化碳轉(zhuǎn)化的實(shí)際問題。

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容以二氧化碳的資源利用為教學(xué)情境，設(shè)計(jì)了三個(gè)核心任務(wù)，以日常生活中能夠觀測(cè)到的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化等為研究對(duì)象，提出判斷化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行方向的猜想，再經(jīng)過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、已知知識(shí)證實(shí)和證偽以及結(jié)合化學(xué)史實(shí)，最終獲得化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的判據(jù)（圖2）。

三、教學(xué)過程

（一）導(dǎo)入情境，引出問題

[播放視頻]微視頻“碳中和目標(biāo)下的藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。

[師]碳達(dá)峰、碳中和是當(dāng)今全社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問題?？諝庵械腃O2是最大的碳資源庫，其含碳量是化石燃料總含碳量的10倍[2]，CO2含量的增加導(dǎo)致全球溫度升高，嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的承諾，已經(jīng)成為國際共識(shí)。

任務(wù)1：如果你是一位科學(xué)家，如何利用廉價(jià)而豐富的CO2實(shí)現(xiàn)資源轉(zhuǎn)化的任務(wù)？從結(jié)構(gòu)、化合價(jià)、物質(zhì)類別的角度分析，設(shè)計(jì)利用CO2可能合成其他物質(zhì)的反應(yīng)。

[生]CO2是酸性氧化物，可與水、堿、堿性氧化物反應(yīng);CO2中碳的化合價(jià)處于最高價(jià)，可以與碳、氫氣、活潑金屬等還原劑反應(yīng);CO2中有碳氧雙鍵，與氫氣加成生成甲酸。

[師]科學(xué)家也設(shè)想過利用可再生氫氣和二氧化碳合成甲醇、二甲醚和甲酸等基礎(chǔ)化學(xué)品，同時(shí)減少大氣中二氧化碳的含量的方法。但是二氧化碳具有穩(wěn)定的雙鍵，能否合成反應(yīng)活性高的甲醇、二甲醚和甲酸？

設(shè)計(jì)意圖：由當(dāng)今面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問題“溫室效應(yīng)”引入，提出二氧化碳轉(zhuǎn)化利用是空氣減碳的途徑之一，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的欲望，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。引導(dǎo)學(xué)生多視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)，設(shè)計(jì)可能的轉(zhuǎn)化途徑，體會(huì)化學(xué)家思考問題、解決問題的思路與方法，在方案評(píng)價(jià)過程中發(fā)展學(xué)生的高階思維，也為本節(jié)課的探究任務(wù)做鋪墊。

（二）梳理證據(jù)，論證推理

任務(wù)2：面對(duì)一個(gè)陌生的反應(yīng)，如何判斷這個(gè)反應(yīng)能否實(shí)現(xiàn)？

[師]培根說過，只有從自然中了解自然。

[游戲]拿出一副新?lián)淇伺?，取出撲克牌觀察，撲克是按順序排列的;請(qǐng)一位學(xué)生洗牌，再觀察撲克牌的順序;最后將撲克牌散落在桌面上。

[提問]撲克牌能越洗越有規(guī)律地排列嗎？生活中哪些過程是自發(fā)進(jìn)行的？請(qǐng)結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，舉例不需要借助外力作用就能自發(fā)進(jìn)行的過程。

[生]撲克牌越洗越亂;易燃物自燃、高水低流、食鹽溶解、干冰升華、墨在水中擴(kuò)散、鋼鐵生銹……

[展示圖片]圖片內(nèi)容為一杯放置在空氣中的開水，高山上的流水，轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺。

[師]合理的分類能使事物的內(nèi)在聯(lián)系清晰明朗，讓我們事半功倍。以上這3幅圖在變化過程中有什么共同特點(diǎn)？

[生]從能量高的狀態(tài)向能量低的狀態(tài)變化。它們的逆過程不可能自發(fā)進(jìn)行。

[師]如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，在一定溫度和壓強(qiáng)下，不需要借助外力作用（如光照、電解等）就能進(jìn)行，這樣的反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)。

[提供化學(xué)史]19世紀(jì)中期，化學(xué)家湯姆遜和貝賽羅曾把反應(yīng)熱看作是反應(yīng)的策動(dòng)力，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)是向放熱的方向進(jìn)行。對(duì)此你有什么看法？請(qǐng)舉例證實(shí)或證偽。

[師]我們通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證真?zhèn)巍?/p>

[演示實(shí)驗(yàn)1]氯化銨和氫氧化鋇晶體的反應(yīng)（圖3）。觀察反應(yīng)現(xiàn)象，比較反應(yīng)前后溫度。

[師]是什么因素驅(qū)動(dòng)了吸熱反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行？

[展示]提供撲克牌灑落的視頻，干冰氣化的圖片和KMnO4固體溶解的視頻。

[提供化學(xué)史]德國物理學(xué)家克勞修斯在1854年提出：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化”，并最早引入了熵的概念，得出熵增加原理。1877年，玻耳茲曼對(duì)熵作了微觀的解釋，混亂度越大，熵值（符號(hào)：S 單位：J·mol-1·K-1）越大。

[問題1]什么是熵？熵的大小與什么有關(guān)？

[問題2]以上自發(fā)的吸熱反應(yīng)的熵如何變化？

[問題3]“熵增”是反應(yīng)自發(fā)的唯一判據(jù)嗎？請(qǐng)舉例證實(shí)或證偽。

[演示實(shí)驗(yàn)2]將一根玻璃管平放在桌面上，將兩團(tuán)分別滴有一滴濃氨水和一滴濃鹽酸的棉花放在玻璃管兩端，塞上橡膠塞，觀察現(xiàn)象。

[師]實(shí)驗(yàn)過程中熵變?nèi)绾巫兓?/p>

[生]濃氨水、鹽酸揮發(fā)的過程中熵在增大，氨氣和氯化氫氣體相遇反應(yīng)生成氯化銨固體的過程中熵又減小。

[師]可見熵變也不能作為判斷反應(yīng)自發(fā)的唯一判據(jù)。請(qǐng)分析吸熱反應(yīng)的熵變和熵減反應(yīng)的焓變，你能發(fā)現(xiàn)什么？

[提供化學(xué)史]1878年，美國物理化學(xué)家吉布斯提出：“在等溫等壓不做其他功的條件下，自發(fā)變化總是朝向吉布斯自由能減少的方向進(jìn)行，直至體系達(dá)到平衡”。這就是著名的吉布斯自由能判據(jù)（ΔG=ΔH-TΔS）。

[追問]ΔG=0的反應(yīng)是什么狀態(tài)？

[總結(jié)講解]一般地，放熱和熵增能拉動(dòng)反應(yīng)的進(jìn)行，所以判斷時(shí)要綜合考慮焓變、熵變和溫度三者的關(guān)系，溫度影響的大小要視ΔH、ΔS的具體數(shù)值而定。用改編宋代辛棄疾的《鷓鴣天》來做個(gè)總結(jié)：熱已放，氣難收，反應(yīng)一去不回頭。焓變已被熵遮斷，判依溫度不自由。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)首先回答為什么要研究化學(xué)反應(yīng)的方向（讓知識(shí)生根），接著對(duì)判斷化學(xué)反應(yīng)的方向提出假設(shè)（讓知識(shí)發(fā)芽），再通過事實(shí)證據(jù)、實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行證據(jù)評(píng)估（讓知識(shí)開花），最終推理出科學(xué)的結(jié)論（讓知識(shí)結(jié)果），并將此理論進(jìn)行歸納和演繹，在下一環(huán)節(jié)用于解決實(shí)際問題（讓知識(shí)繁衍），這是知識(shí)的自然生長(zhǎng)過程，也是學(xué)生基于證據(jù)推理的認(rèn)知建構(gòu)過程，學(xué)生在活動(dòng)中體會(huì)科學(xué)探究的思路與方法、艱辛與快樂。最后教師將本節(jié)的核心內(nèi)容改編成詩詞，起到總結(jié)和升華的作用。

（三）應(yīng)用模型，解決生產(chǎn)、生活中的問題

任務(wù)3：利用可再生氫氣和二氧化碳為原料設(shè)計(jì)反應(yīng)，助力達(dá)到碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。

[合作探究]有人利用二氧化碳和氫氣設(shè)計(jì)了分別合成甲醇（同時(shí)生成了水）、甲酸、甲醚（同時(shí)生成了水）的反應(yīng)，已知常溫常壓下測(cè)得三個(gè)反應(yīng)的焓變分別為-49.0kJ/mol、+30.9kJ/mol、-122.5kJ/mol。

[問題1]通過計(jì)算判斷各反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。

[生]三個(gè)反應(yīng)均是氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，所以ΔS﹤0。反應(yīng)①和③的ΔH﹤0，由ΔG=ΔH-TΔS可知，高溫時(shí)，ΔG﹥0，反應(yīng)非自發(fā);低溫時(shí)有可能自發(fā)，因此，CO2與H2制甲醇和二甲醚低溫可以實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)②無論溫度高還是低，ΔG恒大于0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。

[問題2]反應(yīng)發(fā)生了就等于快速進(jìn)行了嗎？二氧化碳的轉(zhuǎn)化率怎樣？

[問題3]反應(yīng)②的ΔG﹥0，該條件下非自發(fā)，如何解決這個(gè)難題呢？

[資料]已知HCOOH與氨水、NaOH、甲醇的酯化反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。

[生]加入易與產(chǎn)物中的HCOOH反應(yīng)的物質(zhì)，且反應(yīng)過程中ΔS﹥0、ΔH﹤0更佳。

[教師總結(jié)]對(duì)于ΔG>O的反應(yīng)，可以通過改變溫度、壓強(qiáng)使ΔG[師]熵增定律在宇宙中是普遍存在的，自然界如果沒有控制和干預(yù)，將會(huì)越來越混亂。向環(huán)境中排放二氧化碳容易，但是從環(huán)境中捕集二氧化碳卻要付出代價(jià)，所以我們要行動(dòng)起來，踐行節(jié)能減排、低碳生活。

設(shè)計(jì)意圖：首尾呼應(yīng)，學(xué)以致用，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)吉布斯自由能判據(jù)的功能價(jià)值，初步形成基于ΔS、ΔH和T之間的關(guān)系來比較分析反應(yīng)方向的一般思路和方法，讓學(xué)生在解決實(shí)際而復(fù)雜的問題過程中，感受化學(xué)與STEM的關(guān)系，構(gòu)建化學(xué)價(jià)值觀，增強(qiáng)文化自信。同時(shí)使學(xué)生明確反應(yīng)的方向、速率和限度是認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的三個(gè)方面，自發(fā)不代表一定發(fā)生，發(fā)生不一定速率快、產(chǎn)率高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊梅，莫尊理，張英，王培.從證據(jù)推理視角對(duì)“離子反應(yīng)”教學(xué)案例的分析及其啟示[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（17）：60-65.

[2]張一平.二氧化碳加氫合成甲酸的熱力學(xué)分析[J].浙江教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（03）：53-58.