以学科核心素养立意的多平衡体系图像研究

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

水煤气变换反应：

（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，就能够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。