淺談物理化學(xué)中所蘊(yùn)含的科學(xué)思想與方法

賀曉凌 安會琴

（天津工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，天津 300387）

“物理化學(xué)”是高等學(xué)?；瘜W(xué)教育的骨干課程，是化學(xué)、化工、環(huán)境、材料等學(xué)科的理論基礎(chǔ)，具有完善的理論體系，其間蘊(yùn)含大量的科學(xué)思想與方法，在授課過程中應(yīng)該結(jié)合具體知識，總結(jié)抽象出這些科學(xué)思想與方法，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的培養(yǎng)，使學(xué)生認(rèn)知一個科學(xué)理論產(chǎn)生發(fā)展的過程，幫助學(xué)生建立科學(xué)方法論。以下結(jié)合物理化學(xué)具體內(nèi)容，淺談物理化學(xué)中所蘊(yùn)含的科學(xué)思想與方法。

1 理想氣體模型所蘊(yùn)含的科學(xué)思想與方法

理想氣體是指分子本身不占有體積，分子間無作用力的氣體，并不真實(shí)存在，是人為設(shè)定的理想模型，是研究真實(shí)氣體的理論基礎(chǔ)。真實(shí)氣體分子本身有體積，分子間存在作用力，不同真實(shí)氣體千差萬別，情況復(fù)雜，直接研究比較困難。理想氣體忽略分子本身體積和分子間作用力，使問題大大簡化，建立數(shù)學(xué)模型，獲得理想氣體的狀態(tài)方程：

其中p為氣體壓力，V為氣體體積，T為氣體溫度，n為氣體物質(zhì)的量，R為理想氣體常數(shù)8.314J·mol-1·K-1。在理想氣體狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，將忽略掉的分子本身體積和分子間作用力考慮上，對理想氣體狀態(tài)方程加以修正，可獲得真實(shí)氣體的狀態(tài)方程，最具代表性的是范德華方程：

其中a、b為與氣體本性有關(guān)的范德華常數(shù)；a/Vm2為壓力修正項，考慮了分子間的作用力；b為體積修正項，考慮了分子本身的體積。

在該知識點(diǎn)的傳授過程中，教師應(yīng)該提煉出其間的科學(xué)思想與方法。并不真實(shí)存在的理想氣體模型的建立，是為了使問題大大簡化，忽略次要因素，才能建立數(shù)學(xué)模型，但研究目的不是要研究這些并不存在的理想化模型，而是為研究自然界中真實(shí)存在的事物，所以當(dāng)通過理想模型建立數(shù)學(xué)表達(dá)式后，再將忽略掉的因素考慮上，對理想模型進(jìn)行修正，就可獲得研究真實(shí)事物的科學(xué)方法。這種科學(xué)思想和科學(xué)方法適用于任何問題的研究，從具體知識點(diǎn)中讓學(xué)生體會、鍛煉科學(xué)思維，掌握科學(xué)方法。

2 可逆電池與不可逆電池所蘊(yùn)含的科學(xué)思想與方法

可逆電池是具有化學(xué)可逆性、熱力學(xué)可逆性和實(shí)際可逆性的電池，其中熱力學(xué)可逆性是指能量轉(zhuǎn)移可逆，即電池在電流強(qiáng)度趨近于0的狀態(tài)下工作，實(shí)際上這種狀態(tài)是不存在的，電池的充放電過程必然有電流的存在，但正是人為設(shè)定了這種理想的模型，才推導(dǎo)出可逆電池和可逆電極的能斯特方程。研究可逆電池不是終極目的，是為研究不可逆電池，也就是電路中存在電流時，電池的充放電過程，這是實(shí)際生活中存在的真實(shí)狀態(tài)。當(dāng)電路中有電流存在時，無論是電池作為原電池放電，還是作為電解池充電，電池不再是可逆電池，電極發(fā)生極化，偏離平衡電極電位，產(chǎn)生超電勢，用能斯特方程不能計算不可逆電池的電動勢，而是要考慮上超電勢，也就是陽極的平衡電極電位加上超電勢，陰極的平衡電極電位減去超電勢，分別得到極化電極電位，從而獲得不可逆電池的電動勢。在這里應(yīng)該對學(xué)生滲透科學(xué)思想與方法的理念，正是基于可逆電池這種理想模型的建立，才能更好地理解真實(shí)存在的不可逆電池的充放電行為，培養(yǎng)學(xué)生將問題先化繁為簡，建立理想模型，再結(jié)合實(shí)際因素，解決實(shí)際問題的科學(xué)思維。

3 速率理論所蘊(yùn)含的科學(xué)思想與方法

動力學(xué)速率理論包括碰撞理論和過渡態(tài)理論，兩大速率理論的發(fā)展建立，歷史傳承，很好地詮釋了一個理論產(chǎn)生、形成過程中所需要經(jīng)過的科研思維與歷程。

首先兩大速率理論具有共同點(diǎn)，即都進(jìn)行了幾點(diǎn)假設(shè)。碰撞理論假設(shè)分子為無結(jié)構(gòu)的剛性小球，要發(fā)生反應(yīng)必須先碰撞，只有碰撞動能ε大于臨界能εc的分子對才能發(fā)生反應(yīng)，稱為有效碰撞，反應(yīng)速率等于單位時間、單位體積內(nèi)有效碰撞數(shù)。在此假設(shè)基礎(chǔ)上，結(jié)合氣體分子運(yùn)動論知識，進(jìn)行推導(dǎo)，獲得雙分子基元反應(yīng)速率方程。過渡狀態(tài)理論假設(shè)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，須先經(jīng)高能碰撞，生成高勢能活化絡(luò)合物，活化絡(luò)合物可能分解成原始反應(yīng)物并迅速達(dá)成平衡，也可能分解成產(chǎn)物，活化絡(luò)合物分解為產(chǎn)物的速率即是基元反應(yīng)的速率。在此假設(shè)基礎(chǔ)上，結(jié)合量子統(tǒng)計力學(xué)的知識，進(jìn)行推導(dǎo)，獲得計算雙分子反應(yīng)速率常數(shù)的基本方程，即艾林方程。首先進(jìn)行假設(shè)，是一個理論發(fā)展的必然前提，通過假設(shè)，可以將一些次要因素忽略，從而使問題簡化，以便能建立模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，獲得理論公式。另一方面，兩大速率理論的發(fā)展，存在著歷史傳承。碰撞理論先于過渡狀態(tài)理論建立，因此碰撞理論模型過于簡單，理論略顯粗糙，未能體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過程中舊鍵斷裂，新鍵形成過程，以及其間能量轉(zhuǎn)化方式，因此一些問題無法解釋，比如引入的校正因子P，未能解釋其物理含義。其后發(fā)展的過渡狀態(tài)理論，繼承了碰撞理論里合理的部分，即化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，必須經(jīng)過高能量的碰撞。同時將碰撞理論未能考慮的舊鍵如何斷裂，新鍵如何形成，以及其間能量如何轉(zhuǎn)化等因素結(jié)合到理論，從而得到更完善的理論體系，并解釋了碰撞理論引入但未解釋的校正因子的物理含義，是概率因子，表示反應(yīng)物分子頭碰頭碰撞在碰撞次數(shù)中的概率。從兩大速率理論的發(fā)展，可以讓學(xué)生體會到，一個理論的建立發(fā)展，總是從粗糙到細(xì)致，任何理論不是一個封閉的圓圈，而是開放的，發(fā)展的，隨著科學(xué)的進(jìn)步，不斷完善，不斷精準(zhǔn)。培養(yǎng)學(xué)生這樣的科學(xué)思維，為其將來從事科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

“物理化學(xué)”是一門理論性極強(qiáng)的科學(xué)，其間存在很多經(jīng)典理論，蘊(yùn)含了大量科學(xué)思想與方法，作為教師，不僅傳授物理化學(xué)知識，還要將這些科學(xué)思想與方法滲透給學(xué)生，在潛移默化中提升學(xué)生的科研素養(yǎng)，啟發(fā)其科研意識，培養(yǎng)學(xué)生良好的科研思維習(xí)慣。