學生在化學平衡認知上的迷思概念（下）

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

連結：學生在化學平衡認知上的迷思概念（上）

為了使可逆及動態平衡的概念更加穩固，可藉下列演示實驗讓學生有更深刻的印象，如果學生此時尚未學習錯離子，（式— 2）可用藍色、粉紅色物質代表錯離子，無須寫出化學式。將水合氯化亞鈷晶體大約 3 克，置入燒杯中，加入異丙醇液體使晶體溶解，配成 25 mL 的溶液，其濃度約為 0.5 M，呈深藍色。配好的「非」水溶液的系統可由下式表示，在此水分子不是溶劑，而是反應物。

$$\mathrm{CoCl^{2-}_{4}+6H_2O\rightleftharpoons Co(H_2O)^{2+}_6+4Cl^-+heat}$$ （式— 2）

  藍色                              粉紅色

取 A、B、C 三支試管各加入 5 mL 上述藍色溶液，用滴管分別於 B、C 二支試管中，逐滴加入蒸餾水並搖盪均勻，當溶液的顏色由深藍轉為粉紅色，便停止滴入蒸餾水，此時詢問學生（式— 2）的淨反應朝什麼方向進行？由顏色的變化，答案顯而易見，淨反應是朝正反應的方向進行。此時用滴管將濃鹽酸逐滴加入 C 試管中，搖盪溶液，當顏色由粉紅轉為深藍色，即停止滴入濃鹽酸。此時再詢問學生，（式— 2）的淨反應朝什麼方向進行？由試管中顏色的變色，淨反應是朝逆反應的方向進行，演示至此便已說明一個已達平衡的反應，不但可以向右也能向左進行。

上述演示結束後，學生肯定還有一個疑惑，正逆反應是否同時進行？還是加水時只往右進行，加氯離子時則往左前進？亦即化學平衡是屬於前者的動態形式？還是屬於後者的靜態模式？如果此時能證明系統中的所有物種均同時存在，則代表平衡為動態，因為生成物均存在，逆反應不可能停止，相同地反應物均存在，正反應也不可能停止，當平衡時只是正逆反應二者的速率相等，此時再加入水分子時，使正反應速率增快，而逆反應速率不變，因此出現淨反應朝右移動，加氯離子的情況也是相同的道理。因此要如何證明試管為藍色時，仍有粉紅色的物質？我們可以將 B 試管置入 80 ℃ 水浴中，溶液的顏色達平衡時，由粉紅變為較淡的藍色，此時仍有粉紅色的物質及氯離子存在嗎？將試管置入較高溫 90 ℃ 的水浴中，則溶液的顏色更藍，代表仍有粉紅色的物質和氯離子反應繼續生成藍色的物質和水，可見在不同溫度下的各個平衡狀態，系統中的所有物種均同時存在，只是量的不同而已。

二、平衡位置向左還是向右的意涵

評量試題中經常看到下列敘述：在一平衡系統中，加入某向變因，平衡位置是往右進行？還是往左？或是不動？但是這組詞彚如果没有適當的溝通，似乎存在很大的模糊空間，甚至造成誤解。例如下列試題，你的答案會是何者？

試題一、定溫下，溶解氫氧化鈣固體：$$\mathrm{Ca(OH)_{2(s)}\rightleftharpoons Ca^{2+}_{(aq)}+2OH^-_{(aq)}}$$，若系統已達平衡後，加人少量水，則平衡位置如何移動？

(A) 向左         (B) 向右         (C) 不移動            (D) 無法判斷

上述的平衡位置，至少存在三種不同的意涵，其一、大多學生會選 (C)，即將此詞彚和平衡常數看成同義詞，平衡常數在定溫下不變，因此加水不影響平衡常數，所以平衡位置不變。其二、平衡位置和濃度相關，系統加入水時雖然有固體溶解，但最終溶液中離子的濃度不變，因此平衡位置不變，當然答案也是 (C)。其三、平衡位置和反應速率連結，當加水的瞬間，水中鈣離子和氫氧根離子的濃度變小，因此逆反應的速率變慢，而固體溶解的正反應速率不變，因此整體的淨反應往右進行，持此理由者會選 (B) 的選項。

試題二、定溫定容下，下列反應已達平衡：$$\mathrm{N_{2(g)}+3H_{2(g)}\rightleftharpoons 2NH_{3(g)}}$$，若於系統中加入少量氫氣，則平衡位置如何移動？

(A) 向左         (B) 向右         (C) 不移動            (D) 無法判斷

以試題一的推論方式，若以平衡常數判斷，則答案為 (C)，平衡位置不移動：若以再平衡後的濃度分析，氨的濃度變大，答案為 (B)，平衡位置向右；若以淨反應速率判斷，加入氫氣時正反應速率變大，逆反應速率不變，答案亦為 (B)。由這二個試題可以想像，學生的選項和老師的答案不同時，也許不是學生的認知錯誤，很可能出自於題意不清或詞意模糊，因此上述試題修改為：若加入一變因影響平衡時，系統的「浄反應」會朝何方向前進，以達另一個平衡狀態，則試題一、二的答案均為 (B)。若問達新平衡時，生成物的「濃度」如何改變？則試題一為不變，試題二為變大。若問達新平衡時，「平衡常數」如何改變，則答案均為不變。此三種較精準的問法，答案均無模糊空間，學生不會陷入語意不清的陷阱中。

三、結論

本文探討學生在學習化學平衡時，所遭遇到的迷思概念，諸如反應的可逆性、化學平衡的動態性質、反應完成及終止的差別…等，並建議可行、有效的教學及演示方式。首先以碳酸鈣分解反應的實例加以說明，｢反應完成｣事實上包含｢反應終止｣及｢化學平衡｣兩大部分，再利用氯化亞鈷異丙醇溶液的演示實驗，透過眼見為信的觀察，說明化學平衡的可逆性及動態性質。最後則是提出評量題目的詞意模糊對正確答題的影響，並以平衡位置向左、向右或不動的多元意涵為例，說明在評量試題中，唯有在精確、彼此了解的題意表述下，才能達到真正的評量目的，否則學生的錯誤選項，很可能源自於對題意或語詞的誤解。

參考文獻

1. Tyson, L., Treagust, D. F., & Bucat, R. B. (1999). The complexity of teaching and learning chemical equilibrium. Chem. Educ, 76(4), 554.
2. Bergquist, W., & Heikkinen, H. (1990). Student ideas regarding chemical equilibrium: What written test answers do not reveal. Chem. Educ, 67(12), 1000.
3. Van Driel, J. H., Verloop, N., & de Vos, W. (1999). Introducing dynamic equilibrium as an explanatory model. Chem. Educ, 76(4), 559.
4. Ghirardi, M., Marchetti, F., Pettinari, C., Regis, A., & Roletto, E. (2013). A teaching sequence for learning the concept of chemical equilibrium in secondary school education. Journal of Chemical Education, 91(1), 59-65.
5. Olney, D. J. (1988). Some analogies for teaching rates/equilibrium. Chem. Educ, 65(8), 696.
6. Garritz, A. (1997). The painting-sponging analogy for chemical equilibrium. Chem. Educ, 74(5), 544.
7. Laurita, W. (1990). Another look at a mechanical model of chemical equilibrium. J. Chem. Educ, 67(7), 598.