以学科核心素养立意的多平衡体系图像研究

杨军 于容峻 瞿高烽

摘要： 以江苏省学业水平等级性考试化学试题为例，通过对化工生产中多平衡体系常见类型的分析和对化学反应速率和化学平衡图像涵义、分类、功能的研究，从理论分析与真实情境的矛盾出发，初建模型、发展模型、应用模型、优化模型，构建有效解决基于真实情境的多平衡体系图像问题的认知模型，不断提升“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。

关键词： 学科核心素养； 多平衡体系； 化学平衡图像； 认知模型

文章编号： 10056629（2023）07008207

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 研究的背景

化学平衡是学科大概念，是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）中必修和选择性必修课程的核心内容之一，在生产、生活和科学研究中有着重要的应用价值。化学平衡问题，历年来都是高考的重要考点之一。从2020年开始，江苏省学业水平等级性考试化学试题中化学反应速率与化学平衡图像分析题的研究对象，由单一的平衡体系逐渐转变为真实情境的多平衡体系，图像中的曲线也显得更复杂，要求学生能基于证据综合运用化学反应原理分析图像，因而对化学学科核心素养的考察要求明显提高。由于试题情境新颖、图像抽象、试题区分度大，学生得分普遍较低，从而对这类试题产生畏惧心理。教学中若不能归纳平衡图像的认知模型并提炼出图像表征背后的本质原理，教学效果都不太理想。因而需构建一种新的认知模型，解决图像分析问题，以达到事半功倍的效果。

2 多平衡体系的类型

化工生产工艺复杂，往往同时发生多个可逆反应，因此需要严格控制反应条件，确保安全生产的前提下尽可能减少副反应的发生，提高生产效率。化学动力学研究中一般把多个基元反应的体系分为平行反应、连续反应和复杂反应。分析

并认识这些反应的特点有利于控制反应条件，提高单位时间内目标产物的选择性。

2.1 平行反应

反应物同时平行地进行不同的反应称为平行反应（Parallel reaction）也称为竞争反应（Competing reactions）。平行反应在有机反应中较多，特别是在有机合成过程中普遍存在。一般将生成期望产物的反应称为主反应，其余为副反应。

如果我们希望在单位时间内多获得某一种产品，一种方法是选择适当的催化剂，提高催化剂对某一反应的选择性；另一种常用的方法是改变反应体系的温度［1］。例如甲苯的氯代反应，氯原子可以直接取代苯环上的氢原子，也可以取代甲基上的氢原子，这两个反应可平行进行。实验研究表明，在低温条件下（300～320K）使用FeCl3作催化剂时主要是取代苯环上甲基的邻、对位氢原子；而在较高温度（390～400K）或光照条件下，则主要取代的是甲基上的氢原子。

高考试题情境中的多平衡体系常涉及平行反应。例如2016年全国Ⅱ卷第27题，以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副产物丙烯醛（C3H4O）：

（1） C3H6（g）+NH3（g）+112O2（g）C3H3N（g）+3H2O（g） ΔH=－515kJ·mol-1

（2） C3H6（g）+O2（g）C3H4O（g）+H2O（g）

ΔH=－353kJ·mol-1

两个反应均为放热较大的反应，在热力学上趋势均很大。降低压强和降低温度能提高丙烯腈的平衡产率，而选择合适的催化剂是提高单位时间内丙烯腈反应选择性的关键因素。

2.2 连续反应

在化工生产过程中有很多化工产品需要经过连续多步反应才能完成，前面一步的生成物就是下一步的反应物或反应物之一。如此依次连续进行的化学反应就称为连续反应（Consecutive Reaction），也称为连串反应。

对于一般的反应而言，若反应的时间长些，得到的最终产物总是多一些。对于连续反应，假设涉及的两个反应或多个反应的速率大致相等，如果我们需要的是某个中间产物，由于该产物有一个浓度最大的反应时间tm，若反应时间不足，会引起该中间产物的浓度较低；若超过该时间，中间产物的浓度和副产品浓度都会增加。生产上通过控制反应时间在tm附近，则可得到中间产物浓度最高副产品最少的初产品，这对于初产品的后续处理是有利的。连续反应不论分两步或多步进行，一般是最慢的一步反应控制着全局，这最慢的一步反应就称为速率控制步骤，慢反应的速率近似地作为整个反应的速率［2］。

高考试题情境中的多平衡体系常涉及连续反应。例如2022年江苏卷第13题，乙醇水通过催化重整可获得H2。其主要反应为

C2H5OH（g）+3H2O（g）2CO2（g）+6H2（g）

ΔH＝173.3kJ·mol－1

CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

ΔH＝41.2kJ·mol－1

2.3 复杂反应

平行反应和连续反应相结合的反应称复杂反应（Complex Reactions）。

例如2013年全国Ⅰ卷第28题，二甲醚（CH3OCH3）是无色气体，可作为一种新型能源。由合成气（组成为H2、 CO和少量的CO2）直接制备二甲醚，其中的主要过程包括以下四个反应：

甲醇合成反应：（i） CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

ΔH1＝－90.1kJ·mol-1

（ii） CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH2＝－49.0kJ·mol-1

水煤氣变换反应：

（iii） CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

ΔH3＝－41.1kJ·mol-1

二甲醚合成反应：

（iv） 2CH3OH（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）

ΔH4＝－24.5kJ·mol-1

3 解读化学反应速率与化学平衡图像的内涵

3.1 化学反应速率与化学平衡图像的本质

化学反应速率与化学平衡图像是针对特定条件下的某一化学反应，将该化学反应速率与化学平衡的相关特征或原理，借助状态函数间的相互制约关系以及平面坐标的形式，以定性、半定量或定量等为手段的一种独特表述方式。图像的本质是揭示原理，即改文字直接描述为潜隐在“线的走势及其关系”之中的抽象表述。定性或半定量的图像“图由理生”，而定量的图像——特别是高考试题中的图像——则是基于真实数据的计算机作图；“理据图说”即依据图像揭示其背后的化学反应原理。化学反应速率与化学平衡图像是一种形象的状态函数（变量）间关系的表达模型。

3.2 化学反应速率与化学平衡图像的类型

化学反应速率与化学平衡图像的常见类型包括但不限于以下类型：速率时间图，如图1（a）所示；物质参数（物质的量、物质的量浓度、体积分数、转化率等）时间图，如图1（b）所示；物质参数时间温度或压强图，如图1（c）所示；物质参数压强温度图，如图1（d）所示。

这些图像均属单一反应的定性或半定量图像，能粗略地反映变量与物质参数之间的相互影响关系，但不是变量与物质参数之间函数关系的真实体现。图1（a）、图1（b）、图1（c）中建立平衡过程中的线条到底是直线还是曲线？图1（d）中2条曲线是平行的关系吗？这些由化学反应动力学原理确定的、不同反应的同类型图像可能存在差异。这些简单的示意图在理解化学反应速率影响因素和化学平衡移动原理上有一定的帮助，但由于这些图像缺乏真实性，因而一般不会出现在高考题中。

3.3 高考中的平衡图像及其考察的学业质量水平

培养学生的核心素养，要帮助他们置身于各种复杂多样的真实情境，让他们结合有意义的学习任务，通过实践、反思、质疑、交流等一系列活动，学会从自身的知识结构中提取并运用相关知识与经验，实现对其中多种复杂和陌生问题的解决，不断提高应对复杂现实情境的综合性品质［3］。用多平衡体系的图像分析试题承载着考察学生核心素养的功能，表1列出了近3年江苏省学业水平等级性考试试题中多平衡体系图像的背景、图像类型、涉及的反应及图像的特点，表2列出了“课程标准”中核心素养的相关学业质量要求。

3.4 化学反应速率与化学平衡图像的识别

化学反应速率与化学平衡图像主要以气体为研究对象，常以变量（反应时间、温度或压强等）为横坐标，反应的因变量（速率或物质参数）为纵坐标。识图时，如果发现纵坐标为“转化率”，要明确是平衡转化率还是一段时间内的转化率。平衡转化率的变化一般可用勒夏特列原理解释；而一段时间内的转化率的改变可能是化学反应速率的变化引起的，也可能是条件改变后反应限度发生变化引起的。识图的过程就是从题干与图像中排除干扰信息和提取有用信息的过程。在识图的过程中，很可能已经解决了问题。

例如表1中2022年江苏卷第13题：乙醇水催化重整可获得H2，涉及的反应是连续反应，图像表达的是平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化关系。我们首先应识别曲线①、曲线②、曲线③分别代表什么物理量随温度的变化。根据信息可知任一温度下平衡时CO的选择性与CO2的选择性之和为1，所以曲线①、曲线③对应的是平衡时CO或CO2的选择性，曲线①到底代表的是CO的选择性还是CO2的选择性？还有待进一步分析；曲线②则表示平衡时H2的产率。由于两个主要反应均为吸热反应，根据勒夏特列原理可知，随着温度的升高，平衡均正向移动，因而体系中CO的物质的量增大，所以平衡时CO的选择性增大。由此可知曲线③代表的是CO的选择性随温度的变化，曲线①代表的是CO2的选择性随温度的变化。

4 建构模型挖掘多平衡体系图像的内涵

4.1 模型的界定

模型是一种重要的认识物质或建立观念的科学研究方法，一般包括物质模型和观念模型。从科学方法论的层面来看，由于观念模型可以帮助人们认识事物的本质属性和发展过程，建立科学概念和理论，因此具有更为深刻的意义。

4.2 建模的意义

模型作为一种方法，可以帮助人们认识事物的本质属性及属性之间的关系。建模教学，即为基于模型的教学（Modeling-Based Teaching，简称MBT），是理解复杂动态系统的一种手段，也是一个获取概念知识和学习科学推理的过程［5］。该理论强调学生在掌握学科知识的基础上以已有经验为基础，发展学生理解科学本质及过程的能力和解决真实问题的能力；同时通过师生之间的问答，加深对模型的认识，将所建模型应用于不同的情境中，提高模型的解释力，直至达到预期的目标［6］。

“课程标准”中核心素养的相关学业质量要求（见表2）也指出学生应具备“选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题”的能力。

4.3 建模的步骤

多平衡体系的图像研究，构建认知模型可遵循以下步骤（图2）。

4.3.1 初建模型

化学反应速率与化学平衡移动图像的多样性、平衡体系的复杂性是学生难以掌握该题型的主要原因之一。其实不管化学平衡图像如何变化，化学平衡涉及的变量仅有三个：化学反应的特征、外界条件的改变和化学平衡移动的方向。结合问题的情景，逐一分析这三个变量中哪些是已知量、哪些是未知量。依据勒夏特列原理，就能夠顺利地解决单一平衡体系图像识别问题。这三个变量的常见呈现形式如表3所示。

2. 外界条件的变化

①浓度（c）；②温度（T）；③压强（P）。

3. 平衡移动的方向

平衡正向移动：某反应物的转化率增大、某反应物的浓度（或体积分数等）减小、某生成物的浓度（或体积分数等）增加、某生成物产率增大等；同理可知平衡逆向移动的情况。

熟悉掌握化学平衡三种变量的常见呈现形式，是辨析平衡移动方向的前提，是解决化学平衡图像问题的基础。化学平衡的三个变量之间存在一个“三角”规律，即只要知道了三角形的任意两个顶点（即任何两个变量），就可以根据勒夏特列原理推导出三角形的第三个顶点（即第三个变量），这个规律就是这类试题的命题原理。基于上述分析初步建立解答这类问题的认知模型如图3所示。

例如表1中2021年江苏卷第18题：测得平衡体系中主要原料CH4、 CO2的平衡转化率与反应温度的定量关系，图像中有两条线分别描述了CH4和CO2的平衡转化率随反应温度的升高而增大的事实。第（2）问，若考察“800℃下CH4平衡转化率大于600℃下CH4平衡转化率的原因”，则比较简单。我们知道“1.研究对象的特征”：只有“反应1”中涉及CH4，这是单一平衡体系且“反应1”为吸热反应；“2.外界条件的变化”为温度，根据“勒夏特列原理”可知“3.平衡移动的方向”，温度越高反应的限度越大，因而CH4平衡转化率则越高。这一结论与图像吻合。

4.3.2 拓展模型

对于熟悉的单一平衡体系，如果仅改变一个外界条件时，依据上述模型，学生可准确地分析化学平衡的移动方向。同理，根据图像表征和化学平衡移动的方向，依据上述模型，学生也能推测何种外界条件发生了改变。但是由于真实情境中有多个可逆化学反应同时发生，所以对于工业生产中复杂图像的分析，学生缺乏有效的分析方法。

对于多平衡体系，我们要引导学生从试题的情境、图像、化学用语中提取有价值的信息，并结合已有知识体系，进一步理清三个变量：（1）图像中曲线的研究对象是何种物质？该物质涉及哪些反应？每个反应的特征？（2）改变了什么外界条件？（3）根据上述条件的变化导致各平衡的移动的结果与图像的表征是否一致？如果一致，问题解决；如果不一致，则基于证据（即图像表征）分析与图像表征一致的反应是主反应，或平衡的移动是导致图像表征的物理量变化的主要原因。若无法确定主反应，则要根据各反应的特征和外界条件的改变，进一步挖掘影响平衡的间接因素。基于图像表征的事实，结合化学热力学或动力学原理，揭示图像中某个曲线走势变化的原因，需帮助学生逐步建立并扩展解决问题的认知模型（如图4所示）。

4.3.3 应用模型

例如表1中2021年江苏卷第18题第（2）问：如何解释800℃下CO2平衡转化率远大于600℃下CO2平衡转化率？CO2既是反应1、反应2的反应物，又是反应3的生成物，所以3个反应都是研究对象，且反应1和反应2是吸热反应、反应3为放热反应。利用上述模型，据勒夏特列原理可知，随着温度的升高，反应1和反应2的正反应进行的程度增大与图像中CO2在高温时平衡转化率较大这一事实吻合；而反应3正反应进行的程度减小，与图像中CO2在高温时平衡转化率较大这一事实不吻合，因而高温时以反应1和反应2为主。该问答案可描述为“反应Ⅰ、反应Ⅱ的ΔH>0，高温下正反应进行程度大，反应消耗的CO2多；反应Ⅲ的ΔH<0，高温下正反应进行程度小，CO2的生成量少”。

又如表1中2022年江苏卷第13题（试题拓展）：试解释其他条件均不改变，在300～700℃范围内随着温度的升高，平衡时H2产率减小的原因。根据图4所示的认知模型，随着温度升高反应①正向移动，H2的产率增大，与图像不一致；随着温度升高反应②也正向移动，消耗H2， H2的产率减小，与图像一致，所以在300～700℃范围内升高温度，反应①正向移动生成的H2的量小于反应②正向移动消耗的H2的量。

5 研究反思

教学活动中应注重引导学生基于图像并充分利用构建的“解释多平衡体系问题的认知模型”分析图像，形成解决化学反应速率和化学平衡图像问题的有效策略。

在教学过程中，从学生的认知角度出发，通过对多平衡体系中的关键物质或图像中关键点的分析，并将曲线的变化趋势转化为描述化学平衡状态的“三个变量”的变化情况，通过建构认知模型，反复推演多平衡体系外界条件（例如温度）的改变与实验结果（即图像表征）之间的内在“互动”关系。教学评价表明，学生已初步学会了处理真实情境下多平衡图像问题的一般方法，提升了学生“证据推理与模型认知”的核心素养。

通过真实情境中多平衡体系的研究，提高了学生对于化学反应速率与化学平衡的认知水平，认识到多平衡體系中各个反应之间是相互影响的。通过改变外界条件，例如加压，可能对某一反应的平衡状态没有直接的影响，但由于其他平衡的移动，改变了一些物质的浓度，继而对该平衡产生了间接的影响。在分析改变外界条件对于复杂平衡体系的影响时，能从多角度分析并解决实际问题，将有利于学生“变化观念与平衡思想”核心素养的培育。

参考文献：

［1］［2］傅献彩， 沈文霞， 姚天扬， 侯文华等． 物理化学（第五版）（下册）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2006： 184～189．

［3］张华． 论核心素养的内涵［J］. 全球教育展望， 2016， （4）： 10～24．

［4］中华人民共和国教育部制定． 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 89．

［5］穆雯星， 严文法． 基于“模型开发模型应用”框架的高中化学建模教学探析——以“化学平衡常数”教学为例［J］. 化学教与学， 2021， （7）： 2～4．

［6］J. J. Clement， M. A. Rea-Ramirez. Model Based Learning and Instructionin Science ［M］． Springer Netherlands， 2008：5978.