基于证据推理素养的化学反应方向课堂实践

罗丹　梁弘文

【摘要】文章以化学反应进行的方向为主题，以二氧化碳的转化利用为背景，从生活实例、已知化学反应、实验现象和化学史实中寻找证据，通过分类、归纳提出假设，再通过支撑证据加以证实、证伪和逻辑推理，得出科学结论，并将其用于解决二氧化碳资源化问题，以期提升学生的化学反应方向判断能力以及化学核心素养。

【关键词】证据推理;反应方向;化学教学

作者简介：罗丹（1980—），女，福建省同安第一中学。

梁弘文（1972—），男，福建省厦门第一中学。

一、研究背景

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出化学学科核心素养及其五个方面，其中证据推理是科学探究的思维核心，也是化学学科核心素养思维能力的体现[1]。证据推理素养旨在培养学生的证据意识，使其能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或證伪，建立观点、结论与证据之间的联系，用化学家的思维方法去认识、思考和解决化学问题，形成化学科学思维。

化学反应方向的判断是人类认识自然、探索真理的过程，是不断寻找证据、提出观点、推理论证的过程。对特定化学反应进行方向的判断是开展科学研究的先决条件，因此，理解和运用其中的判据至关重要。但是因相关知识涉及热力学和数学推导，对学生而言具有一定的难度，所以，在对化学反应进行方向判断的教学中，引导学生运用证据推理思维方式展开学习和推理是促进学生培养此能力的最佳途径。

“化学反应的方向”一节涉及自发反应、熵变、熵增等概念，学生理解难度较大。而在日常的教学中，论证自发过程提供的证据往往比较单一，并且缺少实例来让学生感受热力学理论研究对生产生活和科研的重大意义。实际上，化学学科领域的证据非常丰富，如宏观和微观证据、定性和定量证据、符号证据、理论证据等。本文以人教版《化学反应原理（高中化学）》（2019版）第二章第三节“化学反应的方向”为例，以二氧化碳的转化为问题中心，运用证据推理的逻辑思维模型（图1）进行课堂教学尝试，以期抛砖引玉。

二、教学设计思路

科学家对化学反应进行方向判断的探究始于19世纪中叶，科学探究的过程是一个逐步深入的过程，一般遵循“根据事实提出假设→设计实验验证→严密地推理和论证实验结果→形成正确认知”的顺序。因此在教学中，笔者以反应自发性判据的发展史为线索，依据证据推理的逻辑思维模型，对反应方向的认知在“提出猜想→科学论证→得出结论”的过程中得出科学的结论，并运用该原理说明已有的事实，预测未知事实，解决二氧化碳转化的实际问题。

本节教学内容以二氧化碳的资源利用为教学情境，设计了三个核心任务，以日常生活中能够观测到的物理现象和化学变化等为研究对象，提出判断化学反应自发进行方向的猜想，再经过设计实验、已知知识证实和证伪以及结合化学史实，最终获得化学反应进行方向的判据（图2）。

三、教学过程

（一）导入情境，引出问题

[播放视频]微视频“碳中和目标下的蓝天保卫战”。

[师]碳达峰、碳中和是当今全社会关注的重点问题。空气中的CO2是最大的碳资源库，其含碳量是化石燃料总含碳量的10倍[2]，CO2含量的增加导致全球温度升高，严重威胁人类的生存环境，2060年前实现碳中和的承诺，已经成为国际共识。

任务1：如果你是一位科学家，如何利用廉价而丰富的CO2实现资源转化的任务？从结构、化合价、物质类别的角度分析，设计利用CO2可能合成其他物质的反应。

[生]CO2是酸性氧化物，可与水、碱、碱性氧化物反应;CO2中碳的化合价处于最高价，可以与碳、氢气、活泼金属等还原剂反应;CO2中有碳氧双键，与氢气加成生成甲酸。

[师]科学家也设想过利用可再生氢气和二氧化碳合成甲醇、二甲醚和甲酸等基础化学品，同时减少大气中二氧化碳的含量的方法。但是二氧化碳具有稳定的双键，能否合成反应活性高的甲醇、二甲醚和甲酸？

设计意图：由当今面临的严峻环境问题“温室效应”引入，提出二氧化碳转化利用是空气减碳的途径之一，激发学生运用知识解决实际问题的欲望，发展学生的科学态度与社会责任核心素养。引导学生多视角认识物质，设计可能的转化途径，体会化学家思考问题、解决问题的思路与方法，在方案评价过程中发展学生的高阶思维，也为本节课的探究任务做铺垫。

（二）梳理证据，论证推理

任务2：面对一个陌生的反应，如何判断这个反应能否实现？

[师]培根说过，只有从自然中了解自然。

[游戏]拿出一副新扑克牌，取出扑克牌观察，扑克是按顺序排列的;请一位学生洗牌，再观察扑克牌的顺序;最后将扑克牌散落在桌面上。

[提问]扑克牌能越洗越有规律地排列吗？生活中哪些过程是自发进行的？请结合生活经验，举例不需要借助外力作用就能自发进行的过程。

[生]扑克牌越洗越乱;易燃物自燃、高水低流、食盐溶解、干冰升华、墨在水中扩散、钢铁生锈……

[展示图片]图片内容为一杯放置在空气中的开水，高山上的流水，转动的陀螺。

[师]合理的分类能使事物的内在联系清晰明朗，让我们事半功倍。以上这3幅图在变化过程中有什么共同特点？

[生]从能量高的状态向能量低的状态变化。它们的逆过程不可能自发进行。

[师]如果一个化学反应，在一定温度和压强下，不需要借助外力作用（如光照、电解等）就能进行，这样的反应是自发反应。

[提供化学史]19世纪中期，化学家汤姆逊和贝赛罗曾把反应热看作是反应的策动力，认为化学反应是向放热的方向进行。对此你有什么看法？请举例证实或证伪。

[师]我们通过两个实验来验证真伪。

[演示实验1]氯化铵和氢氧化钡晶体的反应（图3）。观察反应现象，比较反应前后温度。

[师]是什么因素驱动了吸热反应的自发进行？

[展示]提供扑克牌洒落的视频，干冰气化的图片和KMnO4固体溶解的视频。

[提供化学史]德国物理学家克劳修斯在1854年提出：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化”，并最早引入了熵的概念，得出熵增加原理。1877年，玻耳兹曼对熵作了微观的解释，混乱度越大，熵值（符号：S 单位：J·mol-1·K-1）越大。

[问题1]什么是熵？熵的大小与什么有关？

[问题2]以上自发的吸热反应的熵如何变化？

[问题3]“熵增”是反应自发的唯一判据吗？请举例证实或证伪。

[演示实验2]将一根玻璃管平放在桌面上，將两团分别滴有一滴浓氨水和一滴浓盐酸的棉花放在玻璃管两端，塞上橡胶塞，观察现象。

[师]实验过程中熵变如何变化？

[生]浓氨水、盐酸挥发的过程中熵在增大，氨气和氯化氢气体相遇反应生成氯化铵固体的过程中熵又减小。

[师]可见熵变也不能作为判断反应自发的唯一判据。请分析吸热反应的熵变和熵减反应的焓变，你能发现什么？

[提供化学史]1878年，美国物理化学家吉布斯提出：“在等温等压不做其他功的条件下，自发变化总是朝向吉布斯自由能减少的方向进行，直至体系达到平衡”。这就是著名的吉布斯自由能判据（ΔG=ΔH-TΔS）。

[追问]ΔG=0的反应是什么状态？

[总结讲解]一般地，放热和熵增能拉动反应的进行，所以判断时要综合考虑焓变、熵变和温度三者的关系，温度影响的大小要视ΔH、ΔS的具体数值而定。用改编宋代辛弃疾的《鹧鸪天》来做个总结：热已放，气难收，反应一去不回头。焓变已被熵遮断，判依温度不自由。

设计意图：本环节首先回答为什么要研究化学反应的方向（让知识生根），接着对判断化学反应的方向提出假设（让知识发芽），再通过事实证据、实验证据进行证据评估（让知识开花），最终推理出科学的结论（让知识结果），并将此理论进行归纳和演绎，在下一环节用于解决实际问题（让知识繁衍），这是知识的自然生长过程，也是学生基于证据推理的认知建构过程，学生在活动中体会科学探究的思路与方法、艰辛与快乐。最后教师将本节的核心内容改编成诗词，起到总结和升华的作用。

（三）应用模型，解决生产、生活中的问题

任务3：利用可再生氢气和二氧化碳为原料设计反应，助力达到碳达峰、碳中和的目标。

[合作探究]有人利用二氧化碳和氢气设计了分别合成甲醇（同时生成了水）、甲酸、甲醚（同时生成了水）的反应，已知常温常压下测得三个反应的焓变分别为-49.0kJ/mol、+30.9kJ/mol、-122.5kJ/mol。

[问题1]通过计算判断各反应能否自发进行。

[生]三个反应均是气体分子数减少的反应，所以ΔS﹤0。反应①和③的ΔH﹤0，由ΔG=ΔH-TΔS可知，高温时，ΔG﹥0，反应非自发;低温时有可能自发，因此，CO2与H2制甲醇和二甲醚低温可以实现。反应②无论温度高还是低，ΔG恒大于0，反应不能自发进行。

[问题2]反应发生了就等于快速进行了吗？二氧化碳的转化率怎样？

[问题3]反应②的ΔG﹥0，该条件下非自发，如何解决这个难题呢？

[资料]已知HCOOH与氨水、NaOH、甲醇的酯化反应均为放热反应。

[生]加入易与产物中的HCOOH反应的物质，且反应过程中ΔS﹥0、ΔH﹤0更佳。

[教师总结]对于ΔG>O的反应，可以通过改变温度、压强使ΔG[师]熵增定律在宇宙中是普遍存在的，自然界如果没有控制和干预，将会越来越混乱。向环境中排放二氧化碳容易，但是从环境中捕集二氧化碳却要付出代价，所以我们要行动起来，践行节能减排、低碳生活。

设计意图：首尾呼应，学以致用，帮助学生认识吉布斯自由能判据的功能价值，初步形成基于ΔS、ΔH和T之间的关系来比较分析反应方向的一般思路和方法，让学生在解决实际而复杂的问题过程中，感受化学与STEM的关系，构建化学价值观，增强文化自信。同时使学生明确反应的方向、速率和限度是认识化学反应的三个方面，自发不代表一定发生，发生不一定速率快、产率高。

【参考文献】

[1]杨梅，莫尊理，张英，王培.从证据推理视角对“离子反应”教学案例的分析及其启示[J].化学教育（中英文），2020，41（17）：60-65.

[2]张一平.二氧化碳加氢合成甲酸的热力学分析[J].浙江教育学院学报，2005（03）：53-58.