《物理化学》中熠熠闪耀的科学思维思想

《物理化学》中熠熠闪耀的科学思维思想1江茂生，李清禄，杨金梅，谢勇平，赵艳福建农林大学生命科学学院应用化学系摘要：本文总结了物理化学课程中所蕴含的丰富的科学思维思想实例，如复杂问题的理想化表象及其修正、科学问题的逻辑推演、外推法推求试验数据技巧、科学试验的理性思维、试验现象的辩证思考等，为科研工作者提供了一幅幅非常完美的模板，授课教师在教学实践中应当注意把握，对学生加以循循引导，以丰富该课程的教学内涵。关键词：物理化学；科学思维思想物理化学是一门通过研究物理现象与化学现象之间的联系，探求物理变化和化学变化普遍性规律的一门科学。通过课程的学习，学生能够掌握物理、化学变化的最基本原理，对他们今后获得新知识或是开展科学研究具有非常重要的意义。由70多位专家参与撰写的自然科学学科发展战略调研报告《物理化学》卷中就指出:凡具有较好物理化学素养的大学毕业生，适应能力强，后劲足，容易触类旁通，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国防科技发展的前沿[1]。据统计，自1901年至1997年获诺贝尔化学奖的129位科学家中，就有84位是物理化学家或从事的是物理化学领域的研究工作，约占64%。物理化学在现代科学中已越来越起着先锋和桥梁作用，在具体的教学实践中，要达到较好的教学效果，教师除了要用严谨的概念、严密而富有条理的逻辑描绘出完整的学科体系以外，笔者认为，课程中蕴含的十分丰富的科学研究的思维方法也是非常值得向学生推介。一、复杂问题的理想化的表象及其修正在研究体系中,实际客观规律总是相当复杂的，不容易找到其内在本质。为了探求其规律,常常需要抓住主要矛盾,先形成具有本质特征的具体表象,即理想化模型,这样就可以较容易的得出一系列的基本规律。这样的理想化模型处理的实例在物理化学课程中非常多，如理想气体、焦耳试验、可逆过程、卡诺循环、理想溶液、可逆电池、固体表面的吸附、硬球模型的碰撞和能垒，等等。通过这些模型，很方便的得出了理想气体状态方程、理想气体的热力学特征、最江茂生：物理化学课程责任教师。大功、熵及熵增加原理、拉乌尔公式、热力学函数变与可逆电池电动势之间的关系以及能斯特方程、Langmuir单分子层吸附公式和BET多分子层吸附方程、碰撞理论和活化能等等。而对理想化模型进行修正，通常就可以得到更加符合实际情况的规律。如对上述理想模型校正后，随即给出了实际气体状态方程（范德华方程、维里方程、压缩因子校正的理想气体状态方程）、焦耳—汤姆逊系数、逸度和活度、超电势、BET三常数方程与乔姆金方程、活化熵等概念和公式，一个个更为准确的内在规律便随之而出。对理想化公式的修正方式也十分值得借鉴，如范德华方程和BET三常数方程为对微观模型进行修正，维里方程和分解电压为加一校正项修正，压缩因子、逸度系数和活度系数、碰撞概率因子为对理想化公式修正所乘的修正系数。后两者为最常见的数学修正方式。二、科学问题的逻辑推演物理化学课程中，每一个科学问题的提出、逻辑展开和推演都是环环相扣的，十分引人入胜。如《热力学第二定律》章节，其整章线索如下：《多组分系统热力学》章节从实际混合溶液的体积没有加和性入手，陆续引出了偏摩尔量、化学势的概念和多组分系统的热力学基本方程，继而推出化学势判据。《界面现象》章节则总是从提示生活、生产中的界面现象开始，如用空气湿度大时地归纳自然界自发变化的特征第二定律的表述热功转化最大比率是多少？卡诺循环及热温商不等式熵和熵判据的导出熵判据的应用：熵变的计算有否更简便的判据？A和G函数的引出A和G判据的应用展开板易回潮、游在水中的鸭子的体重大于排开水的质量、活性炭不能移动却能从气相和溶液中吸附物质、反应物分子在催化剂表面就变得容易反应等同学们熟悉的实例，先引起同学对界面现象的好奇心，再引出所有界面现象的最终本质—表面分子与内部分子所处力场不同，继而展开表面热力学，解释了各种类型的界面现象。实际上，课程中这类严谨的逻辑推演的例子不胜枚举，这也正是这门课程的魅力所在。为此同学们说：学习《物理化学》，就像吃青橄榄，越嚼越有味。三、外推法推求试验数据的技巧在科学研究中，我们经常会需要得到一些无法直接测定的数据，如气体常数R(压力趋近0时的测定值)、反应时间∞时的平衡浓度、溶液浓度趋近于0时的强电解质极限摩尔电导率和高分子溶液的特性粘度等。物理化学课程给我们推介了应用外推法推求的试验技巧。上述的四个问题，我们可以通过试验测定，分别作出pVm~p、c~1/t、Λm~c、[η]~ρB的线性关系图，将直线外推至纵坐标，由其截距就可得出以上所需值。四、科学试验的理性思维本课程中有许多从简单的试验结果，经过数据处理和科学分析最终得到科学理论的范例，可以为学生今后从事科研工作提供非常完美的模板。例如，在介绍了惠斯通（Wheatstone）电桥法（包括电导率仪法）测定电解质溶液的电导率后，对于大二的同学来说，他们都可以测得出不同浓度的溶液的摩尔电导率，并做出试验结果的坐标图。但是若试验仅到此为止，只能算是一份粗浅的学生实验报告。教师由此可以引导学生讨论科尔劳斯(Kohlroush)如何从一个大家都能做到的实验，推出了离子独立运动定律的整个思维过程：（1）将试验曲线描述为数学方程；（2）解释试验曲线；（3）外推出极限摩尔电导率；（4）比较分析大量的电解质的极限摩尔电导率的内在关系；（5）最终推出一个全新的理论—离子独立运动定律；（6）应用该理论，解决弱电解质的极限摩尔电导率的计算和离子的极限摩尔电导率测定问题，推出电导测定的广泛应用。这是一幅多么完美清晰的科学研究路线图啊！又如，测定出吸附量和气体压强关系的吸附等温线是每一个同学们都能做到，但弗罗因德利希（Freundlish）将试验曲线描绘成指数方程的形式，使研究结果上了一个台阶；朗格谬尔(Langmuir)不仅推出了试验曲线方程，而且提出了吸附模型和吸附理论，则使整个研究结果熠熠生辉。再如，阿伦尼乌斯（Arrhenius）在范特霍夫（V’antHoff）关于反应速率常数随温度变化规则的基础上，同样是先将试验曲线拟合成指数方程的形式。在分析该方程的幂的内在本质以后，给出了活化能这个物理量，从而形成了自己的一套完整的理论。五、关于试验现象的辩证思考焦耳于1843年做了低压气体自由膨胀试验。试验装置如右图所示。试验前，A球抽成真空，B球充常压下的空气。旋塞关闭，系统处于平衡态。试验时，将旋塞打开，B中气体向A自由膨胀达到新平衡态。观察发现，温度没有变化！这个科学试验，对于普通的科研工作者来说，记录的结果可能就是：没现象，没变化或试验失败！等等之类。而焦耳正是从分析为什么温度没有变化入手，应用热力学第一定律，推出了理想气体的热力学特征。这一试验实例告诉我们，没有现象就是试验现象之一，都是一种试验结果，其中也蕴含着事物变化的内在本质规律，同样必须加以注意和分析，绝不可随意忽略。六、结语1.物理化学课程中的这些科学思维思想，有些在教材中不会明显体现，学生若没有经过认真研读，仅通过粗略的浏览，往往不能很好把握，因此需要授课教师在教学实践中注意把握，对学生的思路加以循循引导。2．任课教师在授课过程中，还应当将物理化学的知识点与学生所在专业的在研项目相联系起来，通过授课过程的这些插曲，可以开拓学生的科学思维的思路，极大的提高学生的专业学习积极性，也可使学生进一步明了物理化学与所学专业的相关性。如笔者所授的主要是材料工程学院的化工类学生，因此，在讲授附加压强部分时，附带分析了附加压强与胶合板胶合强度的相关性；讨论固体表面的吸附机理时，介绍了活性炭微孔中原位生成纳米光催化材料项目的理论观点；解释一些润湿现象时，叙述了在研项目植物纤维增强复合材料的研究现状和表面改性问题，也探讨了一次性纸杯表面防水浴真空搅拌器温度计BAb气体a水处理的目的和研究经历；在乳状液部分，介绍了乳化石蜡、微乳液农药的研究现状和特色；等等。但是由于物理化学领域集中了化学学科中很大一部分边缘和交叉分支学科，涉及的相关学科之广泛是任何授课教师的知识面远无法企及的，因此任课教师需要不断充实自己，细致准备，在教学上方可取得一定成效。参考文献：[1]高盘良.物理化学类课程的作用与定位[J].教学与教材研究，1999，(6):24-25.