淺談物理化學中所蘊含的科學思想與方法

賀曉凌 安會琴

（天津工業大學 化學與化工學院，天津 300387）

“物理化學”是高等學校化學教育的骨干課程，是化學、化工、環境、材料等學科的理論基礎，具有完善的理論體系，其間蘊含大量的科學思想與方法，在授課過程中應該結合具體知識，總結抽象出這些科學思想與方法，對學生進行科學思維的培養，使學生認知一個科學理論產生發展的過程，幫助學生建立科學方法論。以下結合物理化學具體內容，淺談物理化學中所蘊含的科學思想與方法。

1 理想氣體模型所蘊含的科學思想與方法

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，并不真實存在，是人為設定的理想模型，是研究真實氣體的理論基礎。真實氣體分子本身有體積，分子間存在作用力，不同真實氣體千差萬別，情況復雜，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，建立數學模型，獲得理想氣體的狀態方程：

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

其中a、b為與氣體本性有關的范德華常數；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。

在該知識點的傳授過程中，教師應該提煉出其間的科學思想與方法。并不真實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，才能建立數學模型，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存在的事物，所以當通過理想模型建立數學表達式后，再將忽略掉的因素考慮上，對理想模型進行修正，就可獲得研究真實事物的科學方法。這種科學思想和科學方法適用于任何問題的研究，從具體知識點中讓學生體會、鍛煉科學思維，掌握科學方法。

2 可逆電池與不可逆電池所蘊含的科學思想與方法

可逆電池是具有化學可逆性、熱力學可逆性和實際可逆性的電池，其中熱力學可逆性是指能量轉移可逆，即電池在電流強度趨近于0的狀態下工作，實際上這種狀態是不存在的，電池的充放電過程必然有電流的存在，但正是人為設定了這種理想的模型，才推導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，這是實際生活中存在的真實狀態。當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，電極發生極化，偏離平衡電極電位，產生超電勢，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。在這里應該對學生滲透科學思想與方法的理念，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存在的不可逆電池的充放電行為，培養學生將問題先化繁為簡，建立理想模型，再結合實際因素，解決實際問題的科學思維。

3 速率理論所蘊含的科學思想與方法

動力學速率理論包括碰撞理論和過渡態理論，兩大速率理論的發展建立，歷史傳承，很好地詮釋了一個理論產生、形成過程中所需要經過的科研思維與歷程。

首先兩大速率理論具有共同點，即都進行了幾點假設。碰撞理論假設分子為無結構的剛性小球，要發生反應必須先碰撞，只有碰撞動能ε大于臨界能εc的分子對才能發生反應，稱為有效碰撞，反應速率等于單位時間、單位體積內有效碰撞數。在此假設基礎上，結合氣體分子運動論知識，進行推導，獲得雙分子基元反應速率方程。過渡狀態理論假設化學反應的發生，須先經高能碰撞，生成高勢能活化絡合物，活化絡合物可能分解成原始反應物并迅速達成平衡，也可能分解成產物，活化絡合物分解為產物的速率即是基元反應的速率。在此假設基礎上，結合量子統計力學的知識，進行推導，獲得計算雙分子反應速率常數的基本方程，即艾林方程。首先進行假設，是一個理論發展的必然前提，通過假設，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，進行數學推導，獲得理論公式。另一方面，兩大速率理論的發展，存在著歷史傳承。碰撞理論先于過渡狀態理論建立，因此碰撞理論模型過于簡單，理論略顯粗糙，未能體現化學反應過程中舊鍵斷裂，新鍵形成過程，以及其間能量轉化方式，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。其后發展的過渡狀態理論，繼承了碰撞理論里合理的部分，即化學反應的發生，必須經過高能量的碰撞。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化等因素結合到理論，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，表示反應物分子頭碰頭碰撞在碰撞次數中的概率。從兩大速率理論的發展，可以讓學生體會到，一個理論的建立發展，總是從粗糙到細致，任何理論不是一個封閉的圓圈，而是開放的，發展的，隨著科學的進步，不斷完善，不斷精準。培養學生這樣的科學思維，為其將來從事科學研究奠定良好的基礎。

4 結束語

“物理化學”是一門理論性極強的科學，其間存在很多經典理論，蘊含了大量科學思想與方法，作為教師，不僅傳授物理化學知識，還要將這些科學思想與方法滲透給學生，在潛移默化中提升學生的科研素養，啟發其科研意識，培養學生良好的科研思維習慣。