《物理化學》中熠熠閃耀的科學思維思想

1、江茂生：物理化學課程責任教師。物理化學中熠熠閃耀的科學思維思想1江茂生，李清祿，楊金梅，謝勇平，趙艷福建農(nóng)林大學生命科學學院應用化學系摘要：本文總結(jié)了物理化學課程中所蘊含的豐富的科學思維思想實例，如復雜問題的理想化表象及其修正、科學問題的邏輯推演、外推法推求試驗數(shù)據(jù)技巧、科學試驗的理性思維、試驗現(xiàn)象的辯證思考等，為科研工作者提供了一幅幅非常完美的模板，授課教師在教學實踐中應當注意把握，對學生加以循循引導，以豐富該課程的教學內(nèi)涵。關(guān)鍵詞：物理化學；科學思維思想物理化學是一門通過研究物理現(xiàn)象與化學現(xiàn)象之間的聯(lián)系，探求物理變化和化學變化普遍性規(guī)律的一門科學。通過課程的學習，學生能夠掌握物理、化學變化

2、的最基本原理對他們今后獲得新知識或是開展科學研究具有非常重要的意義。由70多位專家參與撰寫的自然科學學科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告物理化學卷中就指出:凡具有較好物理化學素養(yǎng)的大學畢業(yè)生，適應能力強，后勁足，容易觸類旁通，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國防科技發(fā)展的前沿1。據(jù)統(tǒng)計，自1901年至1997年獲諾貝爾化學獎的129位科學家中，就有84位是物理化學家或從事的是物理化學領(lǐng)域的研究工作，約占64%。物理化學在現(xiàn)代科學中已越來越起著先鋒和橋梁作用，在具體的教學實踐中，要達到較好的教學效果，教師除了要用嚴謹?shù)母拍睢烂芏挥袟l理的邏輯描繪出完整的學科體系以外，筆者認為，課程中蘊含的十分豐富的科學研究的

3、思維方法也是非常值得向?qū)W生推介。一、復雜問題的理想化的表象及其修正在研究體系中,實際客觀規(guī)律總是相當復雜的，不容易找到其內(nèi)在本質(zhì)。為了探求其規(guī)律,常常需要抓住主要矛盾,先形成具有本質(zhì)特征的具體表象,即理想化模型,這樣就可以較容易的得出一系列的基本規(guī)律。這樣的理想化模型處理的實例在物理化學課程中非常多，如理想氣體、焦耳試驗、可逆過程、卡諾循環(huán)、理想溶液、可逆電池、固體表面的吸附、硬球模型的碰撞和能壘，等等。通過這些模型，很方便的得出了理想氣體狀態(tài)方程、理想氣體的熱力學特征、最大功、熵及熵增加原理、拉烏爾公式、熱力學函數(shù)變與可逆電池電動勢之間的關(guān)系以及能斯特方程、Langmuir單分子層吸附公式和

4、BET多分子層吸附方程、碰撞理論和活化能等而對理想化模型進行修正，通常就可以得到更加符合實際情況的規(guī)律。如對上述理想模型校正后，隨即給出了實際氣體狀態(tài)方程（范德華方程、維里方程、壓縮因子校正的理想氣體狀態(tài)方程）、焦耳一湯姆遜系數(shù)、逸度和活度、超電勢、BET三常數(shù)方程與喬姆金方程、活化熵等概念和公式，一個個更為準確的內(nèi)在規(guī)律便隨之而出。對理想化公式的修正方式也十分值得借鑒，如范德華方程和BET三常數(shù)方程為對微觀模型進行修正，維里方程和分解電壓為加一校正項修正，壓縮因子、逸度系數(shù)和活度系數(shù)、碰撞概率因子為對理想化公式修正所乘的修正系數(shù)。后兩者為最常見的數(shù)學修正方式。二、科學問題的邏輯推演物理化學課

5、程中，每一個科學問題的提出、邏輯展開和推演都是環(huán)環(huán)相扣的，十分引人入勝。如熱力學第二定律章節(jié)，其整章線索如下：多組分系統(tǒng)熱力學章節(jié)從實際混合溶液的體積沒有加和性入手，陸續(xù)引出了偏摩爾量、化學勢的概念和多組分系統(tǒng)的熱力學基本方程，繼而推出化學勢判據(jù)。界面現(xiàn)象章節(jié)則總是從提示生活、生產(chǎn)中的界面現(xiàn)象開始，如用空氣濕度大時地板易回潮、游在水中的鴨子的體重大于排開水的質(zhì)量、活性炭不能移動卻能從氣相和溶液中吸附物質(zhì)、反應物分子在催化劑表面就變得容易反應等同學們熟悉的實例，先引起同學對界面現(xiàn)象的好奇心，再引出所有界面現(xiàn)象的最終本質(zhì)表面分子與內(nèi)部分子所處力場不同，繼而展開表面熱力學，解釋了各種類型的界面現(xiàn)象。

6、實際上，課程中這類嚴謹?shù)倪壿嬐蒲莸睦硬粍倜杜e，這也正是這門課程的魅力所在。為此同學們說：學習物理化學，就像吃青橄欖，越嚼越有味。三、外推法推求試驗數(shù)據(jù)的技巧在科學研究中，我們經(jīng)常會需要得到一些無法直接測定的數(shù)據(jù)，如氣體常數(shù)R（壓力趨近0時的測定值）、反應時間a時的平衡濃度、溶液濃度趨近于0時的強電解質(zhì)極限摩爾電導率和高分子溶液的特性粘度等。物理化學課程給我們推介了應用外推法推求的試驗技巧。上述的四個問題，我們可以通過試驗測定，分別作出pvmp、c1代、人m晶、n卜pB的線性關(guān)系圖，將直線外推至縱坐標，由其截距就可得出以上所需值。四、科學試驗的理性思維本課程中有許多從簡單的試驗結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處

7、理和科學分析最終得到科學理論的范例，可以為學生今后從事科研工作提供非常完美的模板。例如，在介紹了惠斯通（Wheatstone）電橋法（包括電導率儀法）測定電解質(zhì)溶液的電導率后，對于大二的同學來說，他們都可以測得出不同濃度的溶液的摩爾電導率，并做出試驗結(jié)果的坐標圖。但是若試驗僅到此為止，只能算是一份粗淺的學生實驗報告。教師由此可以引導學生討論科爾勞斯（Kohlroush）如何從一個大家都能做到的實驗，推出了離子獨立運動定律的整個思維過程：（1）將試驗曲線描述為數(shù)學方程；（2）解釋試驗曲線；（3）外推出極限摩爾電導率；（4）比較分析大量的電解質(zhì)的極限摩爾電導率的內(nèi)在關(guān)系；（5）最終推出一個全新的理

8、論離子獨立運動定律；（6）應用該理論，解決弱電解質(zhì)的極限摩爾電導率的計算和離子的極限摩爾電導率測定問題，推出電導測定的廣泛應用。這是一幅多么完美清晰的科學研究路線圖?。∮秩?，測定出吸附量和氣體壓強關(guān)系的吸附等溫線是每一個同學們都能做到，但弗羅因德利希(Freundlish)將試驗曲線描繪成指數(shù)方程的形式，使研究結(jié)果上了一個臺階；朗格謬爾(Langmuir)不僅推出了試驗曲線方程，而且提出了吸附模型和吸附理論，則使整個研究結(jié)果熠熠生輝。再如，阿倫尼烏斯(Arrhenius)在范特霍夫(VntHoff)關(guān)于反應速率常數(shù)隨溫度變化規(guī)則的基礎上，同樣是先將試驗曲線擬合成指數(shù)方程的形式。在分析該方程的冪

9、的內(nèi)在本質(zhì)以后，給出了活化能這個物理量，從而形成了自己的一套完整的理論。這個科學試驗，對于普通的科研工作者來說，記錄的結(jié)果可能就是：沒現(xiàn)象，沒變化或試驗失?。〉鹊戎?。而焦耳正是從分析為什么溫度沒有變化入手，應用熱力學第一定律，推出了理想氣體的熱力學特征。這一試驗實例告訴我們，沒有現(xiàn)象就是試驗現(xiàn)象之一，都是一種試驗結(jié)果，其中也蘊含著事物變化的內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，同樣必須加以注意和分析，絕不可隨意忽略。六、結(jié)語1.物理化學課程中的這些科學思維思想，有些在教材中不會明顯體現(xiàn)，學生若沒有經(jīng)過認真研讀，僅通過粗略的瀏覽，往往不能很好把握，因此需要授課教師在教學實踐中注意把握，對學生的思路加以循循引導。2任課教師在授課過程中，還應當將物理化學的知識點與學生所在專業(yè)的在研項目相聯(lián)系起來，通過授課過程的這些插曲，可以開拓學生的科學思維的思路，極大的提高學生的專業(yè)學習積極性，也可使學生進一步明了物理化學與所學專業(yè)的相關(guān)性。如筆者所授的主要是材料工程學院的化工類學生，因此，在講授附加壓強部分時，附帶分析了附加壓強與膠合板膠合強度的相關(guān)性；討論固體表面的吸附機理時，介紹了活性炭微孔中原位生成納米光催化材料項目的理論觀點；解釋一些潤濕現(xiàn)象時，敘述了在研項目植物纖維增強復合材料的研究現(xiàn)狀和表面改性問題，也探討了一次性紙杯表面防水處理的目的和研究經(jīng)歷；在乳狀液部分，介紹了乳化石蠟、微乳