淺談化學理論與化學實驗

鄧耿 孫海源

摘要： 闡述科學理論中理論與實驗的關系，分析化學史上理論與實驗相互交錯、彼此共進的歷程，對當代化學理論與實驗的發展現狀作了描述。同時，結合若干中學化學教學案例，對如何在教學中處理好理論與實驗的關系進行了探討。

關鍵字： 化學理論； 化學實驗； 化學發展史； 化學教學

文章編號： 1005-6629（2018）4-0094-03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

一般中學化學課本中都會把實驗放在化學教學的基礎地位。例如人教社的高中教材《化學1（必修）》就把“從實驗學化學”作為全書第一章，并在壓題文字中這樣論述道：“化學是一門以實驗為主的自然科學。科學規律是通過對自然現象的發現、探究和反復驗證形成的。化學研究主要用的是實驗方法，所以，學習化學也離不開實驗。[1]”對于教材的這種表述，我們應有正確全面的理解。

1 理論與實驗的關系

科學采用可證偽的邏輯方法研究知識，把我們的認識上升為邏輯和規律。科學的內容總是包括來自直接認識的知識（實驗）和來自系統總結的知識（理論）兩大部分，后者來自對前者的正確歸納，又可以演繹地得到前者，并對未知知識給出可證偽的預言。科學發展的過程一般是從實驗得到知識，對知識進行正確歸納得到理論，再由理論指導實驗發現新知識。這也是英國哲學家培根從十七世紀建立至今的傳統科學方法[2]。

由此可見，化學作為科學的一種，自然應當重視實驗，但也同時應當重視理論，并關注如何從實驗得到理論，以求得科學知識的系統發展。如果過分強調實驗的基礎地位，忽視理論，就會陷入經驗主義的錯誤中。事實上，今天化學家們已經不僅僅靠實驗來發展化學了，2017年12月，張希院士在第31屆中國化學奧林匹克（決賽）暨冬令營上的講話中指出，“化學不再只是實驗科學，實驗、理論和計算成為了化學發展的三大支柱”。其中，實驗化學包括了傳統的無機、有機和高分子（超分子）化學研究的范疇；理論化學則主要指的是物理化學及其在無機、有機和高分子領域的應用；而計算化學則是利用量子力學、物理化學等基本原理對實際體系進行模擬和計算，成為溝通實驗與理論的工具。在今天主流的化學研究工作中，實驗、理論與計算三種研究方法已經相互滲透、相互促進，共同為化學進步服務。

從化學史的發展來看，實驗與理論的關系始終是相互交錯、彼此共進的，在不同的歷史階段，有時候是實驗占據了研究的主流，有時候是理論引領了化學發展的方向。化學歷史上的科學革命，都是由實驗催生理論、理論反過來指導實驗，二者共同推動的結果。這也符合人類認識自然的一般規律。例如拉瓦錫的氧化理論，來自他對燃燒實驗的精密研究，同時也得益于他前期發現的質量守恒定律，以定量實驗無可辯駁地否定了燃素說，開啟了現代化學的新篇章。又如二十世紀以來量子化學的大發展，來自于光電效應、氫原子光譜等物理實驗觀測結果，引發物理學家對量子力學基本原理的深入研究，這些結果被化學家應用于化學結構，成為現代化學理論和實驗的基礎。

新原子論的建立與完善，很好地說明了理論與實驗之間相互推動的關系。十九世紀初的化學界，初步明確了元素的概念和質量守恒定律，道爾頓在化學元素和質量守恒定律的基礎上，總結大量實驗事實，指出元素在化合物中是以固定組成比相互化合的，因此說明微觀上應當存在著各自不同的原子，并且原子間的組合具有固定的數目，即化合價。新原子論將化學從半定量的時代帶入到定量實驗的時代，催生了一大批元素和化合物的發現，并推動測定了最早的一批原子量數據。但當時人們對分子尚未有較為清晰的認識，尤其是不能理解諸如氫氣、氧氣、氮氣這樣的氣體雙原子分子，導致在蒸氣壓和原子量測量上長期存在錯誤（例如氧的原子量曾被定為8倍）。

1811年，阿伏伽德羅在蓋-呂薩克的氣體定律基礎上提出分子假說，完善了新原子論，解決了原子量與氣體定律不相符合的問題。但在它提出時卻沒有得到主流化學界認可，其中一個重要的原因是當時化學界受到電化二元論的影響，認為同種原子帶同種電荷，不能形成多原子分子。同時，針對砷、銻、鉍蒸氣的實驗說明這些單質以單原子分子形式存在，不能正面支持阿伏伽德羅的假說。直到1860年，康尼查羅在卡爾斯魯厄召開的國際化學會議上發布了自己的論文，系統總結了過去半個世紀的實驗和理論，證明阿伏伽德羅的理論是正確的，才使得分子假說被化學家廣泛接受。

回顧上述歷史，不難看出化學理論建立在對實驗事實的系統總結和思考基礎上，同時又推動了實驗事實的積累與發展。但實驗與理論的發展并不是線性進步的，而是螺旋前進的。一方面，實驗是檢驗理論的最終標準，不成熟的理論（如電化二元論）在發展的過程中逐漸被揚棄，成熟的理論（如分子假說）終將被接受。另一方面，由于一定階段實驗事實積累總是有限的，而指導實驗的理論尚不成熟，有時實驗對理論發展也具有反作用，例如上文中提到的單原子蒸氣實驗阻礙了分子假說的推廣。因此，不能簡單地說“實驗是檢驗理論的唯一標準”，而要說“全面完整的實驗事實是檢驗理論的唯一標準”，同時也要補充“正確的理論是指導實驗的必要條件”。

2 化學理論與實驗的發展現狀

依照化學的研究內容，化學的理論部分應當包括物質組成理論、物質結構理論、結構-性質關系理論和化學反應理論。在現代學科體系中，處理這些學科還包括結構化學、化學熱力學、化學動力學等學科。當代以來，化學理論的發展略顯落后于實驗的進步，這一現象有著多方面的成因。

一般而言，對基礎理論的消化需要時間，例如量子力學建立的原理很基本，但利用它求解復雜體系很困難，需要很多時間探索，從對最簡單氫分子離子H+2結構的量子化學描述（1927年）到實現生物大分子結構的量子化學描述用了超過半個世紀的時間。另一方面，新理論的發展依賴于研究者對數學、物理學的方法和化學自身的問題都要有深刻的認識。在當代學科分野日益深入的環境下，理論創新的難度在增大。這是理論變革一般不能連續進行的主要原因。

理論發展的滯后帶來一系列現實問題。從空間尺度上看，今天的化學對分子及其結構認識已經比較完善，但對于分子間、大分子、超分子和納米尺度上的物質結構認識還很膚淺，尤其是對介觀尺度上物質間相互作用和組裝的基本規律還沒有形成系統性理論。在更大的尺度上，對非晶體、液體結構認識還不清楚。而上述問題原本是超分子化學、納米化學、表面化學、溶液化學等學科的基本問題，如果沒有對這些問題的系統解決，就不能從根本上改變這些學科嚴重依賴實驗探索、理論指導實踐能力不足的現狀。

從時間尺度上看，受制于對分子運動和分子所處環境運動（擴散、分離與碰撞）的不夠了解，傳統唯象理論和統計理論都不夠完善，對于化學過程時間尺度的從頭預測精度還不能與熱力學平衡（能夠準確從量子力學和統計力學出發計算）相比。更進一步地，化學熱力學與動力學之間的理論關聯還不夠緊密，能夠同時處理含時與不含時問題的統一理論尚未建立。時間是化學變化不可忽略的變量，但在化學過去發展歷程中取得成功的平衡態物理化學不能很好地處理含時問題。如何更好地處理非平衡、非經典的實際化學過程中含時問題，也是化學研究中重要的課題。

理論與實驗發展的不均衡、不匹配，是科學發展中的常態，也是新的科學機遇。它提示我們在化學未來的發展中需要有更多工作關注實驗與理論的聯系，推動實驗事實向理性知識轉化，完成科學體系的進步。

3 化學教學中的理論與實驗關系

在中學化學的教學過程中，實驗與理論是互相輔助、螺旋上升的關系。一方面，對于剛開始接觸化學的學生來說，化學理論是抽象的、不鮮活的，實驗可以幫助學生更好地學習理論知識，親自經歷化學所關注的過程。將實驗結果通過自己的行動一步步呈現出來的過程通常是有趣的，而且能夠充分調動學生的積極性，使得他們產生“責任感”，對自己親自參與制作的“產品”，也更有探索的欲望。

另一方面，在實驗的過程中，新的問題會自然而然地浮現出來，或者由教師在合適的時機予以引導而發現。這些問題源于實驗，其解決方案需要我們回歸化學理論。這兩種方法在實際的教學過程中都是有效的。

在理論教學之前，可以設置一些探究性的小實驗供學生選擇，比如硫酸銅晶體的制備、彈性硫的制備、水中花園的制作等等。有的學生對硫酸銅晶體的制備感興趣，甚至計劃制作一枚“心型”的晶體，實驗結束后，他們發現雖然制作過程不一樣，但硫酸銅晶體的形狀卻是一致或者高度近似的，制作“心型”晶體的計劃失敗了。對這個現象的討論，就要回歸到晶體相關理論的學習中來。

有的小組選擇了水中花園的制作，通過查找相關資料，他們發現水中花園的形成與滲透壓有著一定的關聯，而通過微粒觀念，是可以定性解釋滲透壓出現的原因的，這在介紹離子概念的時候也有所涉及。實際上，阿侖尼烏斯的電離理論就與滲透壓有著緊密的聯系。

理論的學習也可以幫助學生更好地設計實驗和改進實驗，進而完成對理論的深化。在水的電解實驗中，學生通過水的電解實驗，觀察到了水電解形成兩種氣體的實驗現象，并且確認正極產生了氧氣而負極產生了氫氣。在實驗結束的時候，有的學生將這個實驗現象與化學中的分子熱運動理論、水的化學組成聯系在一起，提出了如下的問題： 正極產生了氧氣，那么在氧氣產生的一瞬間，水分子中的“氫原子”以什么形式存在呢？

經過思考，他們認為，即使“氫原子”跑去了負極產生了氫氣，但是由于單個水分子很小，不能同時接觸正極和負極，而且微粒的運動不能無限快，所以單個水分子不可能同時在正負極形成氫氣和氧氣。借助于教師提供的額外資料，學生改進了電解水的實驗，通過電解含有酚酞的硫酸鈉溶液，驗證了負極生成了OH-。這一結果使得學生對電解水的過程有了進一步的認識，也為后面更好地學習電解理論知識做了鋪墊。

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心編著.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）（第一版）[M].北京： 人民教育出版社， 2004.

[2]Bacon， F.許寶骙譯.新工具[M].北京： 商務印書館， 1984.