從科研訓練看化學理論與實驗的關系

張閃閃 王攸超 郭麗雅 傅麗娜 龐雅莉

摘要：化學理論的發展使人們享受著豐富多彩的現代生活。大學生科研訓練使大學生體會到欲用化學的手段創造文明改造世界必須掌握豐富的化學理論知識。這個平臺促進了他們進一步學習化學理論的興趣和熱情。只有通過不斷的實驗，化學理論才能得到檢驗和發展。科研訓練使學生認識到化學理論學習與實驗同等重要。

關鍵詞：化學理論;化學實驗;科研訓練;大學生

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0087-02

一、化學理論是智慧的結晶

任何理論都來自對世界的觀察和思考，來自實踐。從經驗到理論往往要經過長期的摸索，有的甚至長達數千年，是極其寶貴的。大學生需要學習化學理論，更要科學地對待化學理論。幾千年來人們一直癡迷于探究宇宙的基本粒子，紛繁復雜的世界到底有沒有簡單的共同組成呢？有沒有構成物質的最小單位呢？最小單位是什么？對于物質的組成人們有兩派認識：一種認為物質是可以無限細分的，顯然不存在最小微粒;另一種則認為物質不可能無限分割下去，遲早會回到不可分割的地步，不可再分的碎片便是物質的最小組成單位——“原子”（即不可分割的原始粒子）。現在化學術語“原子”就來自這種觀點。對基本粒子的實驗和理論探討卻使科學家創立了史上最成功的理論——量子力學。盡管至今人們仍未能理解量子理論的含義，卻并不妨礙將這個理論運用到社會生活的各個角落，從激光、核磁共振成像儀、隧道掃描顯微鏡、核能，到計算機、互聯網、最新的量子計算機，人們享受著由此而來的豐富多彩的現代生活。實事求是地講，人們所建立起來的化學理論有時是有局限性的，熱寂論就是一個很好的說明。在19世紀后半葉曾有人將熵增加原理不正確地外推到整個宇宙而得到荒謬的“熱寂論”。熱寂論認為整個宇宙是一個隔離系統，整個宇宙的熵要趨于極大，總有一天整個宇宙將達到一種熱平衡狀態，一切熱運動將停止，于是世界末日就到了。事實上熱力學上的隔離體系只是一種理想的情況，它和沒有邊緣、無所不包的宇宙有量的區別，更有質的區別，無法斷定宇宙就是一個隔離體系，因此不能將熵增加原理任意外推。而有些化學看法甚至是錯誤的。第一個在化學領域占統治地位的化學主導理論“燃素說”后來被拉瓦錫通過實驗推翻，建立了物質燃燒的“氧化說”。[1]

化學學科的發展使得其化學理論非常豐富，可以從以下幾方面引導大學生對所學的理論發生興趣：這個理論是在什么背景下提出的？有哪些事實依據？是推論還是大膽假設、猜測呢？有無漏洞？有何重大應用？引起了社會的哪些變化？有沒有進一步發展和修正？等等。這些理論猶如明燈照亮未知的領域，學習理論可使后人在繼承的基礎上發展得更好更快。剛剛步入知識殿堂的大學生，欲參加科研訓練計劃，若沒有化學理論這個支柱簡直是寸步難行。

二、科研訓練深化了學生對實驗的認識

化學實驗課使大學生掌握了化學實驗的基本操作技能，深化了對化學原理的認識，而大學生科研訓練項目則可以將大學生探求物質世界奧秘的主觀能動性極大程度地挖掘出來。（1）通過實驗檢驗理論正確與否。“近代化學之父”道爾頓關于原子的看法實際是一種猜測（當然他也進行了一些實驗，測定了不少原子的相對原子質量），他的“原子不可分”觀點一直持續到19世紀末。直到19世紀末物理學的3大發現，其中湯姆遜電子的發現終使人們認識到原子是可以分的，并不是宇宙的最小微粒。20世紀70年代，科學實驗表明所有基本粒子都可歸結為由3種夸克組成，所有的現象都可以用3種夸克來解釋。中微子物理實驗結果發現了第5、第6種夸克。關于宇宙的基本粒子是否塵埃落定了呢？人們仍然在搜尋“上帝的粒子”。1956年李政道、楊振寧提出在β衰變過程中宇稱可能不守恒，但實驗困難重重，無人敢接，是吳健雄領導的小組實驗證實了弱相互作用中的對稱不守恒。（2）通過實驗發現新事物。如拉姆塞發現從空氣里分離出來的氮氣重1.257g，而從化合物中制得的氮氣重1.251g，他懷疑從空氣中得來的氮氣不純，終于在空氣中發現了一系列的稀有氣體。（3）通過實驗促進學生進一步思考。理論課上學生很容易接受一般情況下化學反應速率隨著反應物濃度的增大而加快，不容易引起學生進一步的思考。在實驗課上，學生們觀察到碘酸鉀與亞硫酸氫鈉反應速率隨著碘酸鉀濃度的不斷增大，溶液由無色變成藍色的時間不斷縮短，化學反應越來越快，的確加深了對動力學理論的認識。但溶液瞬間變藍的現象卻使學生感到困惑。根據一般常識，隨著體系產物單質碘濃度不斷增大，溶液顏色應該是由淺變深的呀！為何所有不同濃度的實驗顏色都是突然變藍，肉眼根本區分不出顏色深淺呢？反應機理告訴我們，只有基元反應按所示方程式完成，大多數化學反應方程式實際上是總包反應式，并不能表達反應歷程。亞硫酸鈉和碘酸鈉生成I-碘負離子的反應是慢反應，而I-碘負離子和IO3-碘酸根離子的反應是快反應，因此反應的快慢由前一步決定。

大學生極富活力和探求欲，不滿足于一些驗證性實驗，希望能像科學家那樣參與解決來自生產生活實際和工程實踐的真實問題，共建美好生活。長期飲用被酚污染的水，可引起頭昏、出疹、瘙癢、貧血及各種神經系統癥狀，因此進一步降解低濃度苯酚廢水很有必要。一般的化學教材最后往往附有附錄，都是關于物質性質的參數，如熱力學常數、酸堿解離常數、標準還原電勢等。這些數據對科學實驗有重要的指導作用。解離平衡常數就是理解化學現象的一個重要參數，一般與溫度有關，可為分子水平上研究藥物的吸收及與受體結合提供重要信息。但附錄上缺乏有些物質的解離常數，學生對解決此類問題顯出極大的興趣。

三、化學理論指導生產實踐及科學實驗

化學理論對實踐有重大的指導意義。合成氨的研究來自化學理論的指導。德國化學家哈伯利用氮氣和氫氣為原料實現了氨的工業合成，正是成功運用了勒沙特列原理、化學反應速率原理的典范。利用空氣固氮是人們的夢想。哈伯經過反復的測試和計算得出結論：用氫還原空氣中的氮合成氨遠比直接氧化空氣中的氮可能性大得多。經過不斷的實驗，哈伯終于在1909年確定了反應條件和產率，這就是在600℃的高溫，200個大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產率約為8%的合成氨。為了提高經濟效益，他成功地設計了原料氣的循環工藝[2]。哈伯被譽為“用空氣制造面包的人”。

理論應當推導出與可觀測量相符的結果，但理論工作的出發點絕對不能只局限于可觀測量。門捷列夫在1869年提出的元素周期表很好的說明了這一點。元素周期表反映了元素性質的周期性，元素性質的周期性恰恰是原子的電子層結構周期性的體現。根據這個規律，門捷列夫預言的3種元素在1875年（鎵，Ga）、1879年（鈧，Sc）和1886年（鍺，Ge）依次被發現，而且這3種元素的性質與門捷列夫的預言驚人相似。元素周期表至今仍然指導著化學研究繼續取得重大成果[1]。如今的大學生也應該是用科學理論武裝起來的，尤其應該借鑒化學家應用化學理論解決難題的思路。毋庸回避，對于那些認為學習大學化學沒什么用處的大學生應該充分認識到，化學實驗沒有理論的指導無異于冒險和盲動。高級氧化技術（Advanced Oxidation Process，AOP）是指氧化能力超過所有常見氧化劑或氧化電位接近或達到羥基自由基HO·水平，可與有機污染物進行系列自由基鏈反應，從而破壞其結構，使其逐步降解為無害的低分子量的有機物，最后降解為CO2、H2O和其他礦物鹽的技術。因此用高級氧化技術處理含酚廢水，需要找到合適的技術手段產生高氧化電位的物種。考慮到超聲波瞬時空化作用產生的局部高溫高壓促使水分子裂解產生·H和氧化能力強的·OH自由基及苯酚化學鍵的斷裂及不斷地被自由基氧化，且超聲強化臭氧產生更多的·OH濃度。大學生決定采用無機鹽、超聲、臭氧協同作用降低廢水中苯酚的濃度。一般測定解離常數的方法有電位滴定法、光度滴定法、分光光度法、電導率法、NMR和毛細管電泳法等。綜合考慮大學生嘗試用紫外分光光度法測定乳酸的解離常數，這方面的內容還未見報道。大學生科研訓練為他們提供了施展才華的平臺，在這個平臺上，學生查閱文獻、科學選題、綜合設計實驗方案，數據處理分析、撰寫論文能力，團結合作管理能力，學習理論的欲望，解決問題的能力得到極大程度的提高。通過科研訓練，大學生學習理論的欲望、解決問題的能力得到了極大程度的提高。

四、理論是不斷發展的

在尋找宇宙基本粒子的道路上，最初化學家認為原子是組成宇宙萬物的基元，后來原子被打開了，人們又認為組成原子的質子、電子和中子是物質基元。周期律提示人們，原子自身存在不斷做周期性重復的結構，決定了元素性質的周期性。而到現在階段，物理學家眼中不可分的基元是夸克和輕子。夸克和輕子能否是解釋所有現象的本質原因呢？物質世界還有許多問題等到解決，至少今后的一個時期，化學學科還要圍繞以下三方面開展研究：（1）深入研究化學反應理論，尋求完成該化學反應的最佳途徑。（2）提高對結構和性能的認識，合成具有功能的目標產物。（3）發展分析測試的新方法并依靠計算技術使化學的“耳目”及借以工作的信息趨于靈敏可靠。

大學生科研訓練為大學生盡早進入科研的角色提供了施展才華的平臺，在這個平臺上，學生查閱文獻、科學選題、綜合設計實驗方案，數據處理分析、撰寫論文能力，團結合作管理能力，大學生服務社會的能力必將增強。大學生深刻認識到化學理論的學習與化學實驗同等重要，不可偏廢。

參考文獻：

[1]江玉安.化學史上的重大事件與化學科學發展的主要線索[J].化學教育，2009，（7）：74-76.

[2]徐揚群.合成氨工業的先驅者——哈伯博士[J].現代化工，1986，（6）：52-54.