《物理化學(xué)》中熠熠閃耀的科學(xué)思維思想

1、江茂生：物理化學(xué)課程責(zé)任教師。物理化學(xué)中熠熠閃耀的科學(xué)思維思想1江茂生，李清祿，楊金梅，謝勇平，趙艷福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系摘要：本文總結(jié)了物理化學(xué)課程中所蘊(yùn)含的豐富的科學(xué)思維思想實(shí)例，如復(fù)雜問題的理想化表象及其修正、科學(xué)問題的邏輯推演、外推法推求試驗(yàn)數(shù)據(jù)技巧、科學(xué)試驗(yàn)的理性思維、試驗(yàn)現(xiàn)象的辯證思考等，為科研工作者提供了一幅幅非常完美的模板，授課教師在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)注意把握，對(duì)學(xué)生加以循循引導(dǎo)，以豐富該課程的教學(xué)內(nèi)涵。關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；科學(xué)思維思想物理化學(xué)是一門通過研究物理現(xiàn)象與化學(xué)現(xiàn)象之間的聯(lián)系，探求物理變化和化學(xué)變化普遍性規(guī)律的一門科學(xué)。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握物理、化學(xué)變化

2、的最基本原理對(duì)他們今后獲得新知識(shí)或是開展科學(xué)研究具有非常重要的意義。由70多位專家參與撰寫的自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告物理化學(xué)卷中就指出:凡具有較好物理化學(xué)素養(yǎng)的大學(xué)畢業(yè)生，適應(yīng)能力強(qiáng)，后勁足，容易觸類旁通，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國防科技發(fā)展的前沿1。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1901年至1997年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的129位科學(xué)家中，就有84位是物理化學(xué)家或從事的是物理化學(xué)領(lǐng)域的研究工作，約占64%。物理化學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中已越來越起著先鋒和橋梁作用，在具體的教學(xué)實(shí)踐中，要達(dá)到較好的教學(xué)效果，教師除了要用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母拍?、?yán)密而富有條理的邏輯描繪出完整的學(xué)科體系以外，筆者認(rèn)為，課程中蘊(yùn)含的十分豐富的科學(xué)研究的

3、思維方法也是非常值得向?qū)W生推介。一、復(fù)雜問題的理想化的表象及其修正在研究體系中,實(shí)際客觀規(guī)律總是相當(dāng)復(fù)雜的，不容易找到其內(nèi)在本質(zhì)。為了探求其規(guī)律,常常需要抓住主要矛盾,先形成具有本質(zhì)特征的具體表象,即理想化模型,這樣就可以較容易的得出一系列的基本規(guī)律。這樣的理想化模型處理的實(shí)例在物理化學(xué)課程中非常多，如理想氣體、焦耳試驗(yàn)、可逆過程、卡諾循環(huán)、理想溶液、可逆電池、固體表面的吸附、硬球模型的碰撞和能壘，等等。通過這些模型，很方便的得出了理想氣體狀態(tài)方程、理想氣體的熱力學(xué)特征、最大功、熵及熵增加原理、拉烏爾公式、熱力學(xué)函數(shù)變與可逆電池電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系以及能斯特方程、Langmuir單分子層吸附公式和

4、BET多分子層吸附方程、碰撞理論和活化能等而對(duì)理想化模型進(jìn)行修正，通常就可以得到更加符合實(shí)際情況的規(guī)律。如對(duì)上述理想模型校正后，隨即給出了實(shí)際氣體狀態(tài)方程（范德華方程、維里方程、壓縮因子校正的理想氣體狀態(tài)方程）、焦耳一湯姆遜系數(shù)、逸度和活度、超電勢(shì)、BET三常數(shù)方程與喬姆金方程、活化熵等概念和公式，一個(gè)個(gè)更為準(zhǔn)確的內(nèi)在規(guī)律便隨之而出。對(duì)理想化公式的修正方式也十分值得借鑒，如范德華方程和BET三常數(shù)方程為對(duì)微觀模型進(jìn)行修正，維里方程和分解電壓為加一校正項(xiàng)修正，壓縮因子、逸度系數(shù)和活度系數(shù)、碰撞概率因子為對(duì)理想化公式修正所乘的修正系數(shù)。后兩者為最常見的數(shù)學(xué)修正方式。二、科學(xué)問題的邏輯推演物理化學(xué)課

5、程中，每一個(gè)科學(xué)問題的提出、邏輯展開和推演都是環(huán)環(huán)相扣的，十分引人入勝。如熱力學(xué)第二定律章節(jié)，其整章線索如下：多組分系統(tǒng)熱力學(xué)章節(jié)從實(shí)際混合溶液的體積沒有加和性入手，陸續(xù)引出了偏摩爾量、化學(xué)勢(shì)的概念和多組分系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程，繼而推出化學(xué)勢(shì)判據(jù)。界面現(xiàn)象章節(jié)則總是從提示生活、生產(chǎn)中的界面現(xiàn)象開始，如用空氣濕度大時(shí)地板易回潮、游在水中的鴨子的體重大于排開水的質(zhì)量、活性炭不能移動(dòng)卻能從氣相和溶液中吸附物質(zhì)、反應(yīng)物分子在催化劑表面就變得容易反應(yīng)等同學(xué)們熟悉的實(shí)例，先引起同學(xué)對(duì)界面現(xiàn)象的好奇心，再引出所有界面現(xiàn)象的最終本質(zhì)表面分子與內(nèi)部分子所處力場(chǎng)不同，繼而展開表面熱力學(xué)，解釋了各種類型的界面現(xiàn)象。

6、實(shí)際上，課程中這類嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐蒲莸睦硬粍倜杜e，這也正是這門課程的魅力所在。為此同學(xué)們說：學(xué)習(xí)物理化學(xué)，就像吃青橄欖，越嚼越有味。三、外推法推求試驗(yàn)數(shù)據(jù)的技巧在科學(xué)研究中，我們經(jīng)常會(huì)需要得到一些無法直接測(cè)定的數(shù)據(jù)，如氣體常數(shù)R（壓力趨近0時(shí)的測(cè)定值）、反應(yīng)時(shí)間a時(shí)的平衡濃度、溶液濃度趨近于0時(shí)的強(qiáng)電解質(zhì)極限摩爾電導(dǎo)率和高分子溶液的特性粘度等。物理化學(xué)課程給我們推介了應(yīng)用外推法推求的試驗(yàn)技巧。上述的四個(gè)問題，我們可以通過試驗(yàn)測(cè)定，分別作出pvmp、c1代、人m晶、n卜pB的線性關(guān)系圖，將直線外推至縱坐標(biāo)，由其截距就可得出以上所需值。四、科學(xué)試驗(yàn)的理性思維本課程中有許多從簡(jiǎn)單的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處

7、理和科學(xué)分析最終得到科學(xué)理論的范例，可以為學(xué)生今后從事科研工作提供非常完美的模板。例如，在介紹了惠斯通（Wheatstone）電橋法（包括電導(dǎo)率儀法）測(cè)定電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率后，對(duì)于大二的同學(xué)來說，他們都可以測(cè)得出不同濃度的溶液的摩爾電導(dǎo)率，并做出試驗(yàn)結(jié)果的坐標(biāo)圖。但是若試驗(yàn)僅到此為止，只能算是一份粗淺的學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師由此可以引導(dǎo)學(xué)生討論科爾勞斯（Kohlroush）如何從一個(gè)大家都能做到的實(shí)驗(yàn)，推出了離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律的整個(gè)思維過程：（1）將試驗(yàn)曲線描述為數(shù)學(xué)方程；（2）解釋試驗(yàn)曲線；（3）外推出極限摩爾電導(dǎo)率；（4）比較分析大量的電解質(zhì)的極限摩爾電導(dǎo)率的內(nèi)在關(guān)系；（5）最終推出一個(gè)全新的理

8、論離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律；（6）應(yīng)用該理論，解決弱電解質(zhì)的極限摩爾電導(dǎo)率的計(jì)算和離子的極限摩爾電導(dǎo)率測(cè)定問題，推出電導(dǎo)測(cè)定的廣泛應(yīng)用。這是一幅多么完美清晰的科學(xué)研究路線圖?。∮秩?，測(cè)定出吸附量和氣體壓強(qiáng)關(guān)系的吸附等溫線是每一個(gè)同學(xué)們都能做到，但弗羅因德利希(Freundlish)將試驗(yàn)曲線描繪成指數(shù)方程的形式，使研究結(jié)果上了一個(gè)臺(tái)階；朗格謬爾(Langmuir)不僅推出了試驗(yàn)曲線方程，而且提出了吸附模型和吸附理論，則使整個(gè)研究結(jié)果熠熠生輝。再如，阿倫尼烏斯(Arrhenius)在范特霍夫(VntHoff)關(guān)于反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化規(guī)則的基礎(chǔ)上，同樣是先將試驗(yàn)曲線擬合成指數(shù)方程的形式。在分析該方程的冪

9、的內(nèi)在本質(zhì)以后，給出了活化能這個(gè)物理量，從而形成了自己的一套完整的理論。這個(gè)科學(xué)試驗(yàn)，對(duì)于普通的科研工作者來說，記錄的結(jié)果可能就是：沒現(xiàn)象，沒變化或試驗(yàn)失??！等等之類。而焦耳正是從分析為什么溫度沒有變化入手，應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，推出了理想氣體的熱力學(xué)特征。這一試驗(yàn)實(shí)例告訴我們，沒有現(xiàn)象就是試驗(yàn)現(xiàn)象之一，都是一種試驗(yàn)結(jié)果，其中也蘊(yùn)含著事物變化的內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，同樣必須加以注意和分析，絕不可隨意忽略。六、結(jié)語1.物理化學(xué)課程中的這些科學(xué)思維思想，有些在教材中不會(huì)明顯體現(xiàn)，學(xué)生若沒有經(jīng)過認(rèn)真研讀，僅通過粗略的瀏覽，往往不能很好把握，因此需要授課教師在教學(xué)實(shí)踐中注意把握，對(duì)學(xué)生的思路加以循循引導(dǎo)。2任課教師在授課過程中，還應(yīng)當(dāng)將物理化學(xué)的知識(shí)點(diǎn)與學(xué)生所在專業(yè)的在研項(xiàng)目相聯(lián)系起來，通過授課過程的這些插曲，可以開拓學(xué)生的科學(xué)思維的思路，極大的提高學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)積極性，也可使學(xué)生進(jìn)一步明了物理化學(xué)與所學(xué)專業(yè)的相關(guān)性。如筆者所授的主要是材料工程學(xué)院的化工類學(xué)生，因此，在講授附加壓強(qiáng)部分時(shí)，附帶分析了附加壓強(qiáng)與膠合板膠合強(qiáng)度的相關(guān)性；討論固體表面的吸附機(jī)理時(shí)，介紹了活性炭微孔中原位生成納米光催化材料項(xiàng)目的理論觀點(diǎn)；解釋一些潤濕現(xiàn)象時(shí)，敘述了在研項(xiàng)目植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和表面改性問題，也探討了一次性紙杯表面防水處理的目的和研究經(jīng)歷；在乳狀液部分，介紹了乳化石蠟、微乳