水溶液稀释过程中的空间哲学教育尝试
2023-07-11任圣颖
任圣颖
摘要：基于“鱼是否知道水的存在”这一哲学问题，解决了水溶液中离子反应平衡类比于气体反应平衡来处理的思维过渡问题，并利用思想实验，以醋酸分子为工具将这种思维应用在空间哲学的理解上；提出化学哲学教育不仅需要从现有的化学素材中总结出哲学思想，还可以利用化学知识作为工具对哲学问题进行考察，以吸引学生的兴趣。
关键词：化学哲学；思想实验；水溶液；平衡移动
文章编号：10056629（2023）06004705中图分类号：G633.8文献标识码：B
溶液的稀释引起的平衡移动是高中《化学反应原理》的重要内容。对该知识的考察，经常涉及到平衡移动的方向这个核心问题。在教学中，教师一般从定量和定性两个角度来讲解。定量分析主要依据一定温度下化学平衡常数不变，通过Q和K值的比较考察稀释这一因素引发的变化，方法可靠，学生易于接受；定性分析多来自于教师的教学实践：溶液中的可逆反应表达式类似于气体的形式，解题的经验告诉我们，用气体平衡的知识点类比处理溶液中的平衡问题，总能够得到正确的答案。与定量的方法相比，来自经验的定性分析无需计算，无疑是一种捷径。
毫无疑问，将气体中的平衡规律“迁移”到溶液里，在处理习题时是非常有用的。但是教师将这种解题经验“迁移”给学生时，学生不免会问：为什么液体中的可逆反应可以类比气体来处理？毕竟，气体是气体分子分散在空间（容器）里，而溶液是分子、离子分散在容器中的水里。因此，就这种“迁移”而言，学生需要一种思维过渡。在教学中，笔者对这个问题的解决进行了哲学上的处理，在此分享给各位同仁。
1 空间哲学
1.1 空间哲学思想及教学关键问题的设置
学生的这个问题，隐含着空间哲学思想。水中的鱼是否知道水的存在，是一个有趣的哲学问题。如果鱼一直生活在水里，可以想象，鱼不会知道水的存在。就像人类在相当长的一段时间，都没意识到空气的存在一样［1］。既然水中的鱼不知道水的存在，那么对于鱼来说，水是什么？不难得出，对于意识不到水存在的鱼来说，水其实就是空间。类似于此，如果把溶液中的溶质看成是水中的鱼，我们就会发现，对于溶质来说，液体和气体的空间差别就消失了，存在于溶液中的溶质和这些溶质分子以气体形式存在于一定空间内的行为是一样的。增加了水，就是增大了空间；减少了水，就是减小了空间。也就是说，对于水溶液中存在的分子、离子来说，水就是空间，而它们自己，如同气体分子一样在这个空间里不断运动（就运动而言，水溶液中溶质粒子的运动和气体分子的运动是相似的）。通过这种哲学思考，我们可以顺利地引导学生将溶液中的粒子行为转化为容器中气体的行为来考虑，见图1。
这种空间哲学思想，在惰性气体影响平衡的移动已经有所体现。在考察惰性气体对平衡移动的影响时，必然会谈及惰性气体的通入是否引起反应空间的变化（进而影响浓度）。例如，对于2NO2（g）N2O4（g），恒容下通入Ar，由于空间没有发生变化，NO2、 N2O4浓度不变，因此平衡不移动；而恒压下通入Ar，由于空间增大，NO2、 N2O4浓度变小，因此平衡逆向移动。恒压下通入Ar，和溶液中加入水是一样的，都造成了空间增大，从而引起浓度的改变。
上述空间哲学思想能够有效解决水溶液中离子反应平衡类比于气体反应平衡来处理的思维过渡问题。如何把这种哲学思想有效传递给学生？这种哲学思想是借助鱼与水的空间关系来获得的，所以我们可以把“鱼与水的空间关系”作为空间哲学教育的起点。在学生已有的认知中，“鱼与水”素材已经存在：八年级语文教材中的“庄子与惠子游于濠梁之上”一文，庄子和惠子正是借助水中的鱼进行辩论，引出了认知的范围是有限还是无限这一哲学问题争论。但是，“鱼是否知道水的存在”对于多数学生来说，是难以回答的问题。而学生对空气的感受则有助于回答这个问题。在教学中，笔者首先设计如下教学内容和关键问题来解决学生的“思维过渡”问题，见表1。
1.2 利用有意识、会观察的醋酸分子对空间的进一步考察
在物理化学领域，物理学家麦克斯韦1867年设想了一个会观察的麦克斯韦妖（Maxwell's demon），以此作为工具，对热力学第二定律提出了挑战［2］。这个思想实验引发了科学家对热力学第二定律的热烈讨论，促进了信息负熵论的发展。同时，这个思想实验也引起了哲学上的关注［3，4］。受此启发，本文对利用有意识、会观察的CH3COOH分子作为工具，对空间做出哲学上的进一步考察，以辅助理解一些“匪夷所思”的空间现象。
将溶液中的水看成空间，这一思维让学生体会到了溶液中粒子和气态粒子的空间在哲学思维上的同一性。从“水中的鱼是否知道水的存在”这一哲学问题来看，这一思维具有合理性。但是，从水溶液中粒子间的反应机理来看，这一思维方法具有一定的局限性（除水外，其余粒子全部看成气体，解题时依然有效）：被看成“空间”的水，与粒子并非毫不相干，在一些可逆过程中，一部分水是要参与反应的，比如醋酸分子的电离过程。这一局限性将会引发对空间的进一步哲学思考。
首先我们设想一个有意识、会观察的CH3COOH分子。CH3COOH分子在水溶液中存在电离平衡CH3COOH（aq）+H2O（l）CH3COO-（aq）+H3O+（aq）。这个有意识、会观察的CH3COOH分子会看到其他醋酸分子在什么都没有的“空间”里被分解掉、又会重新生成这一现象。虽然我们知道，作为空间的一部分，H2O分子的参与是CH3COOH发生电离的原因，但是要知道的是，CH3COOH分子是意识不到水的存在的。对于有意识的CH3COOH分子来说，这个现象是不可思议的：它会观察到其他CH3COOH分子被“无（空间）”分解掉了，又能在“无（空间）”中重新生成。由此我们可以想象出，人类对于空间的认识很有可能也受到了经验的限制。长久以来，科学家先是认为，真空里什么都不存在，真空就是单纯的空间。但是量子涨落现象告诉我们，真空（空間）并不像人们所想象的一无所有。科学家发现，真空中会凭空出现大量的虚粒子对，它们一正一反，然后又在极短的时间内湮灭消失，这种现象被称为真空量子涨落［5］。这种从“无（真空）”里产生粒子对，对于我们来说，就像CH3COOH分子观察到其他CH3COOH分子在“无（空间）”里被分解和生成了一样，也是不可思议的。借助有意识、会观察的CH3COOH分子这一思想实验，量子涨落现象就会容易理解得多：我们观察到的量子涨落现象很有可能是我们意识不到的“无”（空间里）的作用的结果。事实上，量子场论认为，真空中其实蕴含着巨大的暗能量，这是造成量子涨落的原因［6］。
对空间进一步考察可以引导学生形成“无中有（包含）有”“无中生有”“有到无中去（变化）”的哲学观念，在教学中，笔者依然通过关键问题引导学生对空间进行哲学上的进一步思考，见表2。
1.3 对化学哲学教育的思考
近些年，在化学教学中强调了哲学教育的重要性。从现有的文献来看，目前哲学教育，通常是从已知的化学结构、化学反应、化学原理、化学现象、化学史等中总结出哲学思想、方法，从而影响学生的发展。但是，这些化学素材中所体现出的许多哲学观，学生在平时学习生活中或多或少都已经听说过，学生并没有太大的学习热情。比如化学哲学中常见的世界的物质观、对立统一规律、辩证唯物主义等，在高中政治必修4《哲学与文化》中都有详细的介绍。鉴于此，本文尝试利用化学知识作为工具对哲学问题进行突破性的考察，以引起学生的兴趣。在教学过程中，笔者发现学生普遍能够接受以上空间哲学思想，并显露出较大的学习热情。一个非常重要的原因就是，与以往的化学哲学教育相比，学生觉得这样的化学哲学比较有新意，对自己的世界观有实质性的影响。
本文中对空间这一哲学核心问题的思考，显然和常见的从已有的化学素材中获取哲学思想不同，这种不同体现在突破了“知道道理”范围。因此，化学哲学的教育还可以更进一步：不仅仅告诉学生道理（哲学思想和方法），还可以利用化学知识作为工具对现有的哲学问题进行考察。
从历史上来看，化学家多是朴素的科学实在论者，习惯于将原子、分子、离子等粒子作为世界的构成部分。由于化学与技术之间的紧密联系以及历史上化学家注重实用的传统，他们忙于制造新的化学物质，为人类的物质文明带来巨大贡献。然而，也正是由于以上原因，他们在意念上却鄙视哲学，养成了回避形而上学问题及其争论的习惯［7］。与化学家的情况类似，化学教师的哲学素养因为各种原因通常也是匮乏的。因此，如果化学教师要承担起化学哲学教育这一任务，不仅需要从现有的化学素材总结、吸收哲学思想和方法，还需要重视利用化学知识对哲学问题进行一些突破性的考察。
2 结语
有文献认为，很多学生学习化学课程之后，从化学的视角去审视和解决生活中的相关问题方面并没有得到很好的发展。最主要的一个原因是教师对化学教学内容缺乏反思和质疑，经常用线性、单维的教学方式进行教学，很少超出教材所呈现的范畴［8］。以有限的形式表现出来的无限就是美，本文中空间思维转换的思想显然超越了化学和教材的界限，这种思想不仅能帮助学生解决一种类型的题目，更是能深刻地影响学生的世界观。在其他学科中，基本遇不到溶液的稀释引起的离子反应的平衡移动问题，也就无法引起空间哲学的进一步思考。只有在化学的学习中，遇到这个问题，才能进一步阐述空间哲学。因此，在高中化学学习中，这种空间哲学教育的机会是非常珍贵的。
参考文献：
［1］白建娥. 从空气组成发现史中获得智慧——对“我们周围的空气”复习课的思考［J］. 化学教学，2014，（4）： 32～34.
［2］傅献彩，沈文霞，姚天扬等. 物理化学［M］. 北京： 高等教育出版社，2006： 196～197.
［3］孙圣. 科学思想实验的划界问题研究： 技术细节及其缺省［J］. 自然辩证法研究，2022，38（6）： 109～114.
［4］陈贻安. 熵、环境问题与世界观──关于《熵： 一种新的世界观》的评价问题［J］. 哲学研究，1994，（7）： 71～76.
［5］［6］邢志忠. 浩瀚的宇宙來自“真空涨落”吗［J］. 现代物理知识，2018，30（3）： 70～71.
［7］邢如萍，桂起权. 化学哲学研究的新走向［J］. 哲学动态，2008，（12）： 54～60.
［8］万延岚，毕华林，维森特·塔兰克. 化学教育研究的十个视角［J］. 化学教学，2014，（6）： 8～12.
