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一、化學平衡的迷思概念探討

相關研究很多,現將國內外學者在化學平衡的迷思概念研究,整理 歸類如下:

(一)化學平衡的特性

化學平衡的特性是針對化學平衡的本質之相關概念加以探討,包含 質量與濃度、反應系統、能量、巨觀與微觀等概念;其迷思概念分列如 下:

1. 質量對濃度:無法區分質量與濃度的概念(Wheeler & Kass,1974)。

2. 固定的濃度:在一特定化學反應中,無法察覺某些物種保持一定濃度, 反應物與產物在平衡狀態時,二者濃度間存在的數學關係式,例如:

認為達平衡時,產物濃度等於反應物的濃度(Wheeler & Kass, 1974;

Johnstone et al.,1977;Gage,1986;蔡玟錦,1992)。

3. 左邊與右邊(left and right sideness):學生認為化學平衡方程式 的兩邊為不相關聯的個體,換言之,他們認為可以對平衡系統的單一 邊進行溫度、壓力的改變,或是認為反應的任何一邊都是分開的物理 本體,所以可以分開操弄(Johnstone et al., 1977;Gorodetsky &

Gussarsky,1986; Garnett & Hackling at al.,1995)。

4. 化學平衡為動平衡(dynamic equilibrium),學生在學習此概念之前, 已經接觸了物理平衡(physical equilibrium),而物理平衡屬於靜平

衡(static equilibrium);教師在教學中並未解釋二者的差異,所以 學生自動將化學平衡視為靜平衡,認為二個靜態獨立系統,根本不了 解化學動態的本質(化學平衡不是動態的過程),認為化學反應會停 止,也認為是因為反應物用完所以化學反應停止,因此沒有動平衡的 概念,認為沒有變化(Johnstone et al., 1977; Garnett & Hackling at al.,1995;邱美虹等,1999;劉嘉茹,2000;Chiu, Chou, & Liu, 2002)。

5. 在莫耳數與濃度間發生混淆(Bergquist & Heikkinen,1990)。

6. 學生對反應的原有經驗為反應是單方向的,必定完全由反應物變成 產物,此經驗影響了平衡反應的概念;許多學生甚至不能清楚區分完 全反應(completion reactions)與可逆反應(reversible reactions) 的不同特性(Wheeler & Kass,1978; Hackling & Garnett,1995)。

7. 相信正反應會在逆反應開始前結束(Wheeler & Kass,1978;Garnett

& Hackling at al.,1995; Chiu, Chou, & Liu,2002)。

8. 不清楚微觀與巨觀間相異之處(邱美虹等,1999;劉嘉茹,2000)。

(二)反應速率:

在國內外相關研究曾指出:高中生和大學生都會認為平衡向右移 動,則正反應速率變大,逆反應速率變小,若平衡向左則反之;因此反

應速率對學生而言,是容易產生迷失概念的部份,茲整理文獻研究,分 列如下:

1. 速率對程度:無法區分反應進行的多快(速率),及反應進行到什麼程 度,二者的差異無法判斷;不會區分反應的速率和完成程度(Wheeler

& Kass,1974,1978)。

2. 當一系統達平衡時,若狀態改變,則與平衡移動方向同向者速度增快, 而逆向者速率減慢,學生認為正反應與逆反應是獨立的,例如:當溫 度上升時,吸熱反應方向的速率增快,而放熱反應方向的速率減慢 (Johnstone et al., 1977; Hackling & Garnett,1985;林宏一,1990;

高紹源,1996)。

3. 反應物一混合,正反速率會隨時間增加至平衡建立(Hackling &

Garnett,1985)。

4. 正反應速率增加就如同正反應正在進行 (Garnett & Hackling et al.,1995)。

5. 正反應速率永遠與逆反應速率相等(Garnett & Hackling et al.,1995)。

6. 正逆反應速率相等不是平衡的條件(蔡玟錦,1992) 。

9. 不了解化學平衡時速率特質,認為化學平衡時,速率為零(邱美 虹,1999;劉嘉茹,2000)。

10. 學生認為反應進行的越快,平衡越會傾向能產生更多產物的方向移 動(連啟瑞,1995)。

(三)平衡常數的固定性:

平衡常數數值的大小可做為平衡位置的指示,平衡常數表示法中各 濃度的指數與反應方程式的係數有關,這是學生容易忽視的觀念,因此 常對平衡常數產生迷失概念,茲分列如下:

1. 無法確定在某狀況下, 平衡常數是否為一定值 (Wheeler &

Kass,1978)。

2. 不能判斷化學平衡常數何時、如何改變;學生的可能迷思概念多發生 在濃度和溫度改變的狀況下(Gorodetsky & Gussarsky,1986)。

3. 平衡常數的表示錯誤(Qui’lez & Solaz,1995)。

4. 平衡系統其中一個組成濃度改變,K 值變跟著改變;另當氣態平衡系 統的體積改變, K 值變跟著改變; K 值與溫度無關(Garnett &

Hackling et al.,1995)。

5. 平衡常數數值的大小,無法做平衡位置的指示(蔡玟錦,1992)。

6. 正反應速率與逆反應速率的比值等於平衡常數(蔡玟錦,1992)。

(四)催化劑的作用

學生對催化劑只能改變反應速率且催化劑本身反應後量並不改變 的認知,常有誤解而產生相關的迷思概念,分列如下:

1.催化劑不影響逆反應速率:催化劑減慢逆反應速率;加入催化劑 可促使平衡移動(Johnstone et al., 1977)。

2.不瞭解催化劑在化學系統的影響,即催化劑影響反應速率,但不

影響平衡。

此外,學生會誤以為催化劑可造成較高的產量(Johnstone et al., 1977; Gorodetsky & Gussarsky,1986)。

3.催化劑不會影響平衡常數的大小,是因為催化劑並未改變反應物 種的濃度(蔡玟錦,1992)。

4.催化劑與反應物所形成的新活化錯合物之位能可能提高,也可能 降低(蔡玟錦,1992)。

5.催化劑不影響活化錯合物的位能(蔡玟錦,1992)。

(五)影響化學平衡的因素

濃度、體積(壓力)或溫度的改變對平衡的影響,學生易將平衡移 動的方向判斷錯誤,且常無法考慮到可能影響平衡狀態的因素,因此常 產生迷思概念,茲分列如下:

1.競爭平衡(competing equilibria):無法考慮所有可能影響平 衡狀態的因素(Wheeler & Kass, 1978)。

2.影響化學平衡狀態的因素:(蔡玟錦,1992)。

(1)溫度下降,放熱反應方向的速率增加,而吸熱反應方向的速率 減慢。

(2)溫度下降,平衡趨向吸熱方向。

(3)溫度一定時,體積改變並不影響正、逆反應速率。

(4)體積改變不影響氣態反應物種的量。

(5)溫度一定時,濃度改變並不影響正、逆反應速率。

3.濃度改變對化學平衡的影響:(高紹源,1996)

(1)與平衡方向同向的反應速率增加,逆向的速率降低。

(2)平衡進行的過程是一步一步進行的。

(3)反應前後,生成物與反應物的濃度都不變。

4.壓力改變對化學平衡的影響:(高紹源,1996)

(1)當平衡系的反應物和生成物的總莫耳數相同時,加壓前和加壓 後,反應物和生成物的平衡濃度不會改變;

(2)反應前後,濃度不變,而且反應是一步一步進行的;

(3)學生認為正、逆反速率相等,反應物與生成物莫耳數總和相同,

所以平衡後的濃度相等。

5.溫度改變對化學平衡的影響:(高紹源,1996)

(1)不懂課文中溫度改變對化學平衡影響的意義。

(2)把溫度視為直接參與反應的因素。

(3)受 Kc 數學表示式的影響。

(六)平衡的移動

當化學平衡受外來因素影響時造成平衡移動,學生試著以勒沙特列 原理來解釋反應速率,而混淆了反應速率和反應程度的意義,因此學生 無法澄清平衡移動的概念而產生迷思,茲分列如下:

1.不能判別系統是否達化學平衡及區分達化學平衡和未達化學平

衡的差異(Gorodetsky & Gussarsky, 1986)。 2.平衡的移動的影響:(林宏一,1990)

(1)加入一大氣壓氖氣時,因為體積不變,所以系統壓力增加,根 據勒沙特列原理,平衡應向係數較小的一方移動。

(2)只考慮到變因對單一物種的影響,便據以判斷平衡移動的方向。

(3)系統體積壓縮一半,平衡向較穩定的方向移動,亦即向係數較 小的一方移動。

(4)降低溫度,平衡向能量較小的方向移動,亦即向吸熱方向移動。

3.學生並不瞭解當兩氣體的係數和相等時,改變系統的壓力或體積 時,平衡並不會移動(洪瑞英,1998)。

4.學生不瞭解微觀的可逆過程是一直不斷的進行(連啟瑞,1995)。

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