主持人：
高中化學(xué)新課程遠程研修項目組核心成員 、 北師大化學(xué)教育研究所博士 陳穎
嘉賓：
物理化學(xué)專(zhuān)家、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院 高盤(pán)良教授
北京市第35中學(xué) 支瑤老師
上一集我們對選修模塊新增學(xué)科內容的認識問(wèn)題進(jìn)行了探討和學(xué)習，那么下面我們就進(jìn)入《化學(xué)反應原理》這個(gè)選修模塊，針對該模塊的新增概念原理，從課程設置、學(xué)科本體以及教學(xué)策略等方面進(jìn)行探討和學(xué)習。
在這一集的學(xué)習中，希望老師們繼續思考這樣幾個(gè)問(wèn)題：
1、怎樣認識新增學(xué)科內容的本體價(jià)值？
2、怎樣實(shí)現從課標到教材再到教學(xué)的轉換？
3、怎樣科學(xué)的理解新增學(xué)科內容中的概念原理？
一、“化學(xué)反應的方向”課例中的學(xué)科問(wèn)題探討
主持人：上一講咱們留下了幾個(gè)問(wèn)題，主要是由反應方向的課例引發(fā)出來(lái)的一些學(xué)科問(wèn)題：
1、什么是自發(fā)反應？
2、怎樣理解焓變和熵變？
3、怎樣理解公式△G=△H-T△S，為什么可以用它來(lái)判別反應方向？
4、從熱力學(xué)角度看，可逆反應與不可逆反應的本質(zhì)區別是什么？
高老師，請您談一談對這幾個(gè)問(wèn)題的看法。
高盤(pán)良（北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授物理化學(xué)專(zhuān)家）：好的，那么我談?wù)剬@些問(wèn)題的我自己的看法，有不對的地方希望大家進(jìn)一步提出來(lái)討論。
首先，什么叫自發(fā)反應？從字面上看，自發(fā)反應就是能夠自動(dòng)進(jìn)行的反應，但確切一點(diǎn)應該這么說(shuō)，在一定的條件下，譬如一定的溫度壓力的條件下，反應能夠靠體系自身的力量而不借助于外力，譬如光電等能量的影響，而能夠自動(dòng)進(jìn)行的反應叫自發(fā)反應。也就是說(shuō)自發(fā)反應一定考慮到條件，因為某個(gè)條件下不是自發(fā)的反應，換了另一個(gè)條件可能就是自發(fā)的了。所以我認為對自發(fā)反應的理解有兩點(diǎn)很關(guān)鍵，一個(gè)是不借助于外力靠自身的能力來(lái)進(jìn)行的反應；第二個(gè)一定要指明是在什么方向上自發(fā)或者不自發(fā)，如果脫離了這兩條去談任何自發(fā)反應，我認為都是沒(méi)有意義的。
支瑤：高老師，我想請問(wèn)您一個(gè)問(wèn)題，假如說(shuō)一個(gè)反應我們已經(jīng)判斷了它是可以正向自發(fā)的，那也只是說(shuō)判斷了它有朝這個(gè)方向進(jìn)行的一個(gè)趨勢而已，而未必說(shuō)我們真正的就能夠看到這個(gè)反應發(fā)生了、有產(chǎn)物生成了，因為反應的發(fā)生、產(chǎn)物的生成可能還涉及到動(dòng)力學(xué)的速率問(wèn)題以及平衡問(wèn)題，是這樣的嗎？
高盤(pán)良：是的，這個(gè)問(wèn)題提的很好。我認為判斷一個(gè)反應能夠自發(fā)進(jìn)行，并不見(jiàn)得它一定發(fā)生。譬如氫氣加氧氣在熱力學(xué)上是自發(fā)反應，但是在常溫常壓下面，我們把氫氣氧氣放在瓶子里頭，一千年后反應仍然不會(huì )發(fā)生，說(shuō)明什么呢？說(shuō)明真正能夠實(shí)際進(jìn)行這個(gè)反應還要一定的條件，我們可以舉一個(gè)很淺顯的例子，譬如說(shuō)水能從高處往低處流，但是未必見(jiàn)得水一定從高處往低處流，為什么呢？有一個(gè)壩筑在那兒，高處的水仍然是高處水，低處水仍然是低處水，水并沒(méi)有從高處流到低處。所以我認為講自發(fā)反應的時(shí)候，只是指明我們判斷它可能進(jìn)行而未必見(jiàn)得一定進(jìn)行。我覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題提的很好。
主持人：那高老師我還想接著(zhù)問(wèn)您，像焓變和熵變這兩個(gè)概念有的老師認為它是很抽象的，我們應該怎么樣理解這兩個(gè)概念呢？
高盤(pán)良： 焓跟熵是反應方向的兩個(gè)影響因素，焓呢比較多的從能量角度來(lái)考慮，熵呢就比較從無(wú)序跟有序的角度來(lái)考慮，將這兩個(gè)因素結合起來(lái)才能構成對化學(xué)反應方向的判據，單憑一個(gè)因素往往不足以肯定這個(gè)反應是不是自發(fā)的。所以我們在書(shū)上講的是△H-T△S，而不是僅僅憑△H或者△S來(lái)判定反應方向，為什么要把它結合起來(lái)呢？實(shí)際上是這樣的，我們的課標里面沒(méi)有引入自由能這個(gè)概念，實(shí)際上△H-T△S就是△G，也就是自由能的改變量，這樣一來(lái)，怎么理解自由能呢？我們可以這樣想，化學(xué)反應總是從自由能高的地方向自由能低的地方反應，自由能降低的方向也就是化學(xué)反應發(fā)生的方向，這個(gè)就好比我們剛才說(shuō)的水由高處往低處流——水位的降低是水流動(dòng)的方向，那么在溫度壓力一定的條件下自由能的降低就是化學(xué)反應發(fā)生的方向。所以從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，自由能，是物質(zhì)的化學(xué)反應能力的一種體現。當然，我說(shuō)的自由能是指每摩爾物質(zhì)即單位物質(zhì)的量的物質(zhì)的自由能多少，我們可以把它看成是一個(gè)“化學(xué)位”，就跟水位一樣。那么如果這樣考慮的話(huà)，我就覺(jué)得很容易理解，熵因素和焓因素結合在一起就是自由能，自由能是物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)變化的方向的一種度量。此外，自由能雖然帶一個(gè)“能”字，但是它跟我們通常講的光能、熱能、電能是不一樣的，它不是一種單純的能量形式，
主持人：那么可不可以認為它是綜合了能量即△H和體系的混亂度即△S這樣兩個(gè)因素在一起之后的一個(gè)綜合的指標?
高盤(pán)良：對，是這樣的。
主持人：那么熵變在化學(xué)上是不是就可以認為是體系的混亂度？
高盤(pán)良：因為我們不能介紹更深層次的熵的問(wèn)題，所以，形象的來(lái)說(shuō)它就是混亂度；熵增加的方向就是混亂度增變大的方向，那么這樣說(shuō)起來(lái)大家似乎容易理解，但實(shí)際上混亂度這個(gè)詞還有點(diǎn)不好理解，混亂度實(shí)際上就是均勻程度，混亂度最大就是最均勻。通常大家以為均勻跟混亂度好像是完全相反，實(shí)際上均勻就是混亂度，任何一個(gè)體系均勻了，就是混亂度最大了，過(guò)去同學(xué)們都不太理解這個(gè)問(wèn)題。譬如我們把一滴墨水滴到水里頭去最后變成均勻了，那就是熵增加了、混亂度增加了，變化的方向是指由不均勻到均勻、由有序到無(wú)序，所以熵變的方向實(shí)際上預示著(zhù)熵增加的方向就是由有序到無(wú)序、由比較不亂到很混亂的變化，我認為從這個(gè)角度理解熵可能比較現實(shí)一些。而實(shí)際上熵的概念要比我們現在的理解更寬泛，但是在高中教材里面不能把它展開(kāi)的太多，所以我們只是引入熵的概念，在以后適當機會(huì )還可以更深入的來(lái)探討。
從熱力學(xué)角度看可逆反應和不可逆反應的本質(zhì)區別到底在哪兒？從中學(xué)教學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，把可逆、不可逆看成一個(gè)方向問(wèn)題比較好?？赡娣磻鞘裁茨?就是在正向跟逆向同時(shí)都能進(jìn)行的反應；不可逆反應就是只能單向進(jìn)行的反應。在高中教學(xué)里頭我覺(jué)得談到這個(gè)程度就夠了，但是實(shí)際上可逆和不可逆在熱力學(xué)里面有更深的意思，譬如進(jìn)行的方向、進(jìn)行的過(guò)程中間，可逆反應有它特定的條件，同樣的反應，可以按可逆方式進(jìn)行，也可以按不可逆方式進(jìn)行，這個(gè)在高中就不再深入的探討。譬如氫氣加氧氣雖然是可逆反應，但是當它們以爆炸方式進(jìn)行時(shí)是不可逆的，當它們以可逆電磁方式進(jìn)行時(shí)，比如氫氧燃料電池是就是以可逆方式進(jìn)行的。所以我認為在高中教學(xué)中只要強調方向就夠了，不要去探究過(guò)程中間的每一個(gè)細節，因為可逆不可逆要考慮到這個(gè)反應的細節。
主持人：那么我曾經(jīng)聽(tīng)到過(guò)這樣一種說(shuō)法，可逆反應和不可逆反應的本質(zhì)區別在于反應的限度、反應能不能進(jìn)行到底，您覺(jué)得這種說(shuō)法合適嗎？
高盤(pán)良：可以。因為化學(xué)反應有兩類(lèi)，一類(lèi)是達到一定的平衡再不能進(jìn)行下去了。一類(lèi)是永遠進(jìn)行下去直到反應物全部反應掉，這個(gè)實(shí)際上是不可逆的反應——單向進(jìn)行的反應。那么我們所說(shuō)的平衡都是指雙向進(jìn)行的反應達到的一種狀態(tài)叫化學(xué)平衡。
支瑤：高老師，關(guān)于反應方向的問(wèn)題還有一個(gè)，以合成氨為例，我們從熱力學(xué)上判斷這是一個(gè)自發(fā)反應，同時(shí)這又是一個(gè)可逆反應。老師就認為這兩個(gè)有矛盾，因為按照可逆反應的定義，在中學(xué)里邊可逆反應的定義就是在相同條件下能同時(shí)向正反兩個(gè)方向發(fā)生的反應，那么，在相同的條件下能生成氨，氨也能夠分解?？墒前凑者@個(gè)反應方向的判斷出來(lái)，如果生成氨的方向是能夠自發(fā)進(jìn)行的，那反過(guò)來(lái)把數據帶進(jìn)去，在相同條件下的氨分解的△G就是大于零的，就不能自發(fā)進(jìn)行了。您認為這種觀(guān)點(diǎn)的問(wèn)題出在什么地方呢？
高盤(pán)良：我認為他把熱力學(xué)跟動(dòng)力學(xué)混淆起來(lái)了。我們說(shuō)合成氨是可逆反應，是指氮跟氫可以變成氨，在同樣的條件下，氨也可以分解成氮跟氫，這是一個(gè)反應的趨勢。但是這個(gè)反應到底以什么樣的速率進(jìn)行呢？不知道。我們所說(shuō)的合成氨是指氮跟氫反應的傾向比氨分解成氮跟氫的傾向比較起來(lái)，前者占主導地位，這時(shí)反應處在不平衡狀態(tài)，氮跟氫合成氨，而氨分解成氮跟氫基本上沒(méi)有進(jìn)行，但是并沒(méi)有說(shuō)明氨不能分解成氮跟氫。我們說(shuō)這個(gè)反應是可逆的，但并不是意味著(zhù)這個(gè)反應就是平衡了。所以我們要區分“是不是進(jìn)行了”和“有沒(méi)有能力進(jìn)行”這是兩個(gè)角度。
支瑤：看來(lái)老師們在處理類(lèi)似問(wèn)題的時(shí)候，還很容易把動(dòng)力學(xué)跟熱力學(xué)的問(wèn)題混在一起，所以就亂了，變成了自己找自己的麻煩。把實(shí)際進(jìn)行的過(guò)程跟能進(jìn)行的過(guò)程混淆起來(lái)了。因此我們在討論問(wèn)題的時(shí)候，熱力學(xué)就討論熱力學(xué)問(wèn)題，動(dòng)力學(xué)就討論動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，這兩個(gè)不要混起來(lái)，因為這兩個(gè)視角完全不同。
核心觀(guān)點(diǎn)：
1、在一定的條件下，譬如一定的溫度壓力的條件下，反應能夠靠體系自身的力量而不借助于外力，譬如光電等能量的影響，而能夠自動(dòng)進(jìn)行的反應叫自發(fā)反應；判斷一個(gè)反應能夠自發(fā)進(jìn)行，并不見(jiàn)得它一定發(fā)生。
2、焓跟熵是反應方向的兩個(gè)影響因素，焓比較多的從能量角度來(lái)考慮，熵就比較從無(wú)序跟有序的角度來(lái)考慮。
3、熵因素和焓因素結合在一起就是自由能，自由能是物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)變化的方向的一種度量。
4、從中學(xué)教學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，把可逆、不可逆看成一個(gè)方向問(wèn)題比較好?？赡娣磻褪窃谡蚋嫦蛲瑫r(shí)都能進(jìn)行的反應；不可逆反應就是只能單向進(jìn)行的反應。
二、“壓強對平衡的影響”的課例播放及場(chǎng)外討論
主持人：聽(tīng)了二位老師的講解和討論之后相信各位老師對熵變和焓變等基本概念以及物理化學(xué)的基本思想會(huì )有更深入的認識。其實(shí)很多學(xué)科問(wèn)題都是在教師教學(xué)的過(guò)程中產(chǎn)生的。上次我們在山東聽(tīng)觀(guān)摩課的時(shí)候也遇到過(guò)類(lèi)似的情況。今天，我們給大家準備了一節教學(xué)課的課堂實(shí)錄，下面我們一起來(lái)看一看這段教學(xué)視頻，在看的時(shí)候請老師們思考這幾個(gè)問(wèn)題：
您認為本節課的核心概念是什么？
您是怎樣理解這些核心概念的？
您打算怎樣幫助學(xué)生建立這些核心概念？
1.課例錄像（化學(xué)反應原理模塊 化學(xué)反應的限度 第三課時(shí) 教學(xué)片段）
教師：人類(lèi)有多種需要，其中健康和生命的需要對我們來(lái)說(shuō)是最重要的。生活當中一旦出現了意外我們怎么辦？下面請同學(xué)們看一個(gè)短片：家庭燃煤或用煤氣做飯時(shí)，有時(shí)會(huì )有煤氣泄漏，吸入煤氣會(huì )使人昏迷，時(shí)間越長(cháng)危險越大，煤氣中毒時(shí)，我們應該采取什么措施？希望今天這節課的學(xué)習能有助于我們解決這樣的問(wèn)題。
首先，請同學(xué)們從定量的角度來(lái)分析一下上一節課學(xué)習的K和Q的大小與平衡移動(dòng)方向的關(guān)系。
……
他回答的很好，下面我們就從定量的角度來(lái)分析一下，當二氧化氮的濃度、四氧化二氮的濃度都增加到二倍的時(shí)候，反應（二氧化氮變成四氧化二氮的反應）向哪一個(gè)方向移動(dòng)？這里面假設反應的平衡常數K的數值是A，那么我們先回憶一下，這個(gè)反應的平衡常數K的表達式應該是什么？Q的表達式又是什么？
……
他說(shuō)的對。那么下面，大家計算一下濃度改變后Q的數值（等于2A）并判斷平衡移動(dòng)的方向，此外，你有哪些措施可以使二氧化氮的濃度四氧化二氮的濃度都增加到兩倍？請大家思考討論。
學(xué)生甲：Q=2A>K，平衡右移，將容器體積減少為原來(lái)的一半可以使二氧化氮的濃度四氧化二氮的濃度都增加到兩倍。
學(xué)生乙：容器體積固定不變，再向容器當中加入與原平衡態(tài)同樣的二氧化氮和四氧化二氮，也可以使二氧化氮的濃度四氧化二氮的濃度都增加到兩倍。
教師：根據剛才第一個(gè)同學(xué)回答的那個(gè)實(shí)驗設計我們看一下，將氣體的體積壓縮到一半，這時(shí)候二氧化氮和四氧化二氮的濃度都增加到原來(lái)的二倍了，那么壓縮了之后，這個(gè)容器的壓強有變化嗎？對，壓強增大為原來(lái)的二倍了。
大家看，這是兩個(gè)相同的注射器，充有同樣的二氧化氮和四氧化二氮的混合氣體，現在體系已經(jīng)達到了平衡。我現在呢對右邊的注射器進(jìn)行加壓，請你觀(guān)察一下實(shí)驗現象，氣體的紅棕色是如何變化的。
……
以上是我們學(xué)習的反應條件對平衡的影響。通過(guò)對這些內容的學(xué)習，我們不僅獲得了知識，還有獲得了學(xué)習的方法：如果在解決一個(gè)問(wèn)題的時(shí)候涉及了實(shí)驗，根據我們剛才的研究
它一般的思路是要進(jìn)行實(shí)驗設計，剛才兩位同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗設計，一個(gè)設計了氣體解壓縮，一個(gè)是向同一容器當中加同樣的氣體。實(shí)驗設計完了，我們要對這個(gè)實(shí)驗進(jìn)行探究或者是驗證。然后對結果進(jìn)行處理。這是關(guān)于實(shí)驗的方法。那么在認識規律的時(shí)候，一般情況下，我們是先對個(gè)別進(jìn)行研究探討，然后再推廣到一般，最后總結出規律。
我們用了這些方法來(lái)學(xué)習了知識，那我們學(xué)習了知識的目的是干什么？對，是應用知識解決問(wèn)題。下面我們就來(lái)看一下開(kāi)頭提到的當中煤氣中毒之后如何搶救中毒的人？搶救的原理是什么？
學(xué)生丙：開(kāi)窗通風(fēng)，高壓氧艙，分別利用了濃度、壓強對平衡的影響的規律。
教師：很好，要是遇到你肯定有救了。
……
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