學生在化學平衡認知上的迷思概念（上）

學生在化學平衡認知上的迷思概念（上）(Student’s Misconceptions on the Concept of Chemical Equilibrium (I))
國立臺灣師範大學化學系兼任教授 邱智宏

甫教高中生有關化學平衡的章節時，經常碰到幾個觀念學生容易混淆、無法了解，例如可逆性 (reversibility)、反應完成或終結有何差別、平衡是靜態 (static) 或動態 (dynamic)、平衡位置向左或向右移動的意涵…等，這些困擾有些源自於學生先備知識的認知架構，匡限了後學內容的認知了解，有些源自於教學用語的不良溝通，更有些出自没有適當的模型或演示，造成微觀現象的不了解，這些問題不僅在國內的教學現場處處可見，在國外的研究探討也屢見不鮮，詳見參考文獻。本文將以一些實例說明這些迷失概念產生的原因，並藉助一些演示實驗，加以釐清及說明。

一、平衡是反應的終結或完成

國中階段，有關化學反應，老師的教學內容，通常是將反應方程式寫在黑板上，以單一箭頭表示反應朝生成物的方向進行，當有一反應物用罄時，反應就告終結或停止。但後來開始教化學平衡時，則隱含化學反應有可逆性，即反應不只朝一個方向進行，亦即在達成平衡後的反應系統中没有一個物種會被完全用罄，正逆反應仍會持續進行。顯然由於「初學者」尚未有微觀的概念，教師教學時只能藉由巨觀、可觀察的現象來教導學生書寫化學方程式，因而此一概念會持續固著，甚至延伸至開始學習化學平衡，因此巨觀現象没有變化即代表反應已終結的困擾，於焉產生。事實上除了没有微觀概念以外，尚有開放和密閉系統的差異，在開放系統中很難有平衡現象產生。

通常化學變化 (chemical transformations) 依照反應進行的時程可區分如圖一，尚在進行中者代表不停有生成物產生，反應尚未終止，巨觀和微觀的現象仍在繼續進行中。化學變化已完成者則有二種情況，其一為反應已終結者，此時不管微觀或巨觀反應均已終止不再進行，若在平衡狀態者，巨觀上雖已無變化，但微觀仍持續進行中。

圖一、一般化學變化的分類。（作者繪製）

基於上述迷思，老師開始進行化學平衡的教學時，可藉下列實例及演示實驗加以說明，以建立學生的正確認知，首先以碳酸鈣加熱分解的反應為例：

$$\mathrm{CaCO_{3(s)}}\overset{\Delta}{\rightarrow}CaO_{(s)}+CO_{2(g)}$$ （式— 1）

圖二、相同條件下，在 (A) 開口容器和 (B) 密閉容器中加熱碳酸鈣的示意圖。（作者繪製）

在開口的容器中，定溫加熱碳酸鈣粉末如圖二 (A) 所示，會有二氧化碳生成，容器中反應物的量持續減輕，此時化學變化正在進行，待容器內物質的重量不再變化時，反應即達終結，碳酸鈣已用磬，容器中巨觀和微觀的現象均已無改變，此一認知和學生在國中階段的理解相仿。若同一反應，所有反應條件也一樣，在密閉的定容容器中加熱，則情況迥異。反應進行時，容器內物質的總重量不變，若測量容器內的壓力，則其壓力由原來的大氣壓力持續上升，但到達一特定點時，即為定值不再變化。

經過上述說明後，可提出下列問題，請學生思考：

1. 兩者的實驗條件有何重大差異？
2. 實驗期間，為何第二個實驗容器內的重量維持不變？而第一個卻是持續減輕？
3. 經過精密的檢測，密閉容器中仍有碳酸鈣存在，它不會繼續反應嗎？
4. 偵測容器內的壓力，為何達特定值後即不再改變？

學生對於第 1 個問題，大多不會有問題，不是容器有密閉和開口的不同，就是一者有氣體生成物溢洩，一者無。第 2 個問題也大部分答對，閉密系統合乎質量不滅定律，開放系統則有二氧化碳溢散至容器外。但學生開始思考第 3、4 個問題時，便和舊經驗產生衝突，此時學生開始產生疑問，密閉系統中尚有碳酸鈣存在，為何不會繼續反應呢？如果能繼續反應，為何二氧化碳的分壓不再增加？為了解答這個矛盾，此時｢反應不只會朝正反應的方向進行，也會朝逆反應的方向進行｣的概念，便有可能被誘發出來，如果正逆反應的速率恰好相等時，即碳酸鈣繼續分解，但氧化鈣和二氧化也繼續合成碳酸鈣，因此微觀的反應持續進行，但巨觀的分壓已不再改變，於是上面的疑問便能豁然開朗。這個過程中，可以觀察學生把舊的知識架構重整，將新的概念加以融合，建構出新的知識架構，就如圖一右半部所列，已完成的反應並不只有已終結的反應，還必須含括已平衡的反應。

連結：學生在化學平衡認知上的迷思概念（下）

參考文獻

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