从科研训练看化学理论与实验的关系

张闪闪 王攸超 郭丽雅 傅丽娜 庞雅莉

摘要：化学理论的发展使人们享受着丰富多彩的现代生活。大学生科研训练使大学生体会到欲用化学的手段创造文明改造世界必须掌握丰富的化学理论知识。这个平台促进了他们进一步学习化学理论的兴趣和热情。只有通过不断的实验，化学理论才能得到检验和发展。科研训练使学生认识到化学理论学习与实验同等重要。

关键词：化学理论;化学实验;科研训练;大学生

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0087-02

一、化学理论是智慧的结晶

任何理论都来自对世界的观察和思考，来自实践。从经验到理论往往要经过长期的摸索，有的甚至长达数千年，是极其宝贵的。大学生需要学习化学理论，更要科学地对待化学理论。几千年来人们一直痴迷于探究宇宙的基本粒子，纷繁复杂的世界到底有没有简单的共同组成呢？有没有构成物质的最小单位呢？最小单位是什么？对于物质的组成人们有两派认识：一种认为物质是可以无限细分的，显然不存在最小微粒;另一种则认为物质不可能无限分割下去，迟早会回到不可分割的地步，不可再分的碎片便是物质的最小组成单位——“原子”（即不可分割的原始粒子）。现在化学术语“原子”就来自这种观点。对基本粒子的实验和理论探讨却使科学家创立了史上最成功的理论——量子力学。尽管至今人们仍未能理解量子理论的含义，却并不妨碍将这个理论运用到社会生活的各个角落，从激光、核磁共振成像仪、隧道扫描显微镜、核能，到计算机、互联网、最新的量子计算机，人们享受着由此而来的丰富多彩的现代生活。实事求是地讲，人们所建立起来的化学理论有时是有局限性的，热寂论就是一个很好的说明。在19世纪后半叶曾有人将熵增加原理不正确地外推到整个宇宙而得到荒谬的“热寂论”。热寂论认为整个宇宙是一个隔离系统，整个宇宙的熵要趋于极大，总有一天整个宇宙将达到一种热平衡状态，一切热运动将停止，于是世界末日就到了。事实上热力学上的隔离体系只是一种理想的情况，它和没有边缘、无所不包的宇宙有量的区别，更有质的区别，无法断定宇宙就是一个隔离体系，因此不能将熵增加原理任意外推。而有些化学看法甚至是错误的。第一个在化学领域占统治地位的化学主导理论“燃素说”后来被拉瓦锡通过实验推翻，建立了物质燃烧的“氧化说”。[1]

化学学科的发展使得其化学理论非常丰富，可以从以下几方面引导大学生对所学的理论发生兴趣：这个理论是在什么背景下提出的？有哪些事实依据？是推论还是大胆假设、猜测呢？有无漏洞？有何重大应用？引起了社会的哪些变化？有没有进一步发展和修正？等等。这些理论犹如明灯照亮未知的领域，学习理论可使后人在继承的基础上发展得更好更快。刚刚步入知识殿堂的大学生，欲参加科研训练计划，若没有化学理论这个支柱简直是寸步难行。

二、科研训练深化了学生对实验的认识

化学实验课使大学生掌握了化学实验的基本操作技能，深化了对化学原理的认识，而大学生科研训练项目则可以将大学生探求物质世界奥秘的主观能动性极大程度地挖掘出来。（1）通过实验检验理论正确与否。“近代化学之父”道尔顿关于原子的看法实际是一种猜测（当然他也进行了一些实验，测定了不少原子的相对原子质量），他的“原子不可分”观点一直持续到19世纪末。直到19世纪末物理学的3大发现，其中汤姆逊电子的发现终使人们认识到原子是可以分的，并不是宇宙的最小微粒。20世纪70年代，科学实验表明所有基本粒子都可归结为由3种夸克组成，所有的现象都可以用3种夸克来解释。中微子物理实验结果发现了第5、第6种夸克。关于宇宙的基本粒子是否尘埃落定了呢？人们仍然在搜寻“上帝的粒子”。1956年李政道、杨振宁提出在β衰变过程中宇称可能不守恒，但实验困难重重，无人敢接，是吴健雄领导的小组实验证实了弱相互作用中的对称不守恒。（2）通过实验发现新事物。如拉姆塞发现从空气里分离出来的氮气重1.257g，而从化合物中制得的氮气重1.251g，他怀疑从空气中得来的氮气不纯，终于在空气中发现了一系列的稀有气体。（3）通过实验促进学生进一步思考。理论课上学生很容易接受一般情况下化学反应速率随着反应物浓度的增大而加快，不容易引起学生进一步的思考。在实验课上，学生们观察到碘酸钾与亚硫酸氢钠反应速率随着碘酸钾浓度的不断增大，溶液由无色变成蓝色的时间不断缩短，化学反应越来越快，的确加深了对动力学理论的认识。但溶液瞬间变蓝的现象却使学生感到困惑。根据一般常识，随着体系产物单质碘浓度不断增大，溶液颜色应该是由浅变深的呀！为何所有不同浓度的实验颜色都是突然变蓝，肉眼根本区分不出颜色深浅呢？反应机理告诉我们，只有基元反应按所示方程式完成，大多数化学反应方程式实际上是总包反应式，并不能表达反应历程。亚硫酸钠和碘酸钠生成I-碘负离子的反应是慢反应，而I-碘负离子和IO3-碘酸根离子的反应是快反应，因此反应的快慢由前一步决定。

大学生极富活力和探求欲，不满足于一些验证性实验，希望能像科学家那样参与解决来自生产生活实际和工程实践的真实问题，共建美好生活。长期饮用被酚污染的水，可引起头昏、出疹、瘙痒、贫血及各种神经系统症状，因此进一步降解低浓度苯酚废水很有必要。一般的化学教材最后往往附有附录，都是关于物质性质的参数，如热力学常数、酸碱解离常数、标准还原电势等。这些数据对科学实验有重要的指导作用。解离平衡常数就是理解化学现象的一个重要参数，一般与温度有关，可为分子水平上研究药物的吸收及与受体结合提供重要信息。但附录上缺乏有些物质的解离常数，学生对解决此类问题显出极大的兴趣。

三、化学理论指导生产实践及科学实验

化学理论对实践有重大的指导意义。合成氨的研究来自化学理论的指导。德国化学家哈伯利用氮气和氢气为原料实现了氨的工业合成，正是成功运用了勒沙特列原理、化学反应速率原理的典范。利用空气固氮是人们的梦想。哈伯经过反复的测试和计算得出结论：用氢还原空气中的氮合成氨远比直接氧化空气中的氮可能性大得多。经过不断的实验，哈伯终于在1909年确定了反应条件和产率，这就是在600℃的高温，200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为8%的合成氨。为了提高经济效益，他成功地设计了原料气的循环工艺[2]。哈伯被誉为“用空气制造面包的人”。

理论应当推导出与可观测量相符的结果，但理论工作的出发点绝对不能只局限于可观测量。门捷列夫在1869年提出的元素周期表很好的说明了这一点。元素周期表反映了元素性质的周期性，元素性质的周期性恰恰是原子的电子层结构周期性的体现。根据这个规律，门捷列夫预言的3种元素在1875年（镓，Ga）、1879年（钪，Sc）和1886年（锗，Ge）依次被发现，而且这3种元素的性质与门捷列夫的预言惊人相似。元素周期表至今仍然指导着化学研究继续取得重大成果[1]。如今的大学生也应该是用科学理论武装起来的，尤其应该借鉴化学家应用化学理论解决难题的思路。毋庸回避，对于那些认为学习大学化学没什么用处的大学生应该充分认识到，化学实验没有理论的指导无异于冒险和盲动。高级氧化技术（Advanced Oxidation Process，AOP）是指氧化能力超过所有常见氧化剂或氧化电位接近或达到羟基自由基HO·水平，可与有机污染物进行系列自由基链反应，从而破坏其结构，使其逐步降解为无害的低分子量的有机物，最后降解为CO2、H2O和其他矿物盐的技术。因此用高级氧化技术处理含酚废水，需要找到合适的技术手段产生高氧化电位的物种。考虑到超声波瞬时空化作用产生的局部高温高压促使水分子裂解产生·H和氧化能力强的·OH自由基及苯酚化学键的断裂及不断地被自由基氧化，且超声强化臭氧产生更多的·OH浓度。大学生决定采用无机盐、超声、臭氧协同作用降低废水中苯酚的浓度。一般测定解离常数的方法有电位滴定法、光度滴定法、分光光度法、电导率法、NMR和毛细管电泳法等。综合考虑大学生尝试用紫外分光光度法测定乳酸的解离常数，这方面的内容还未见报道。大学生科研训练为他们提供了施展才华的平台，在这个平台上，学生查阅文献、科学选题、综合设计实验方案，数据处理分析、撰写论文能力，团结合作管理能力，学习理论的欲望，解决问题的能力得到极大程度的提高。通过科研训练，大学生学习理论的欲望、解决问题的能力得到了极大程度的提高。

四、理论是不断发展的

在寻找宇宙基本粒子的道路上，最初化学家认为原子是组成宇宙万物的基元，后来原子被打开了，人们又认为组成原子的质子、电子和中子是物质基元。周期律提示人们，原子自身存在不断做周期性重复的结构，决定了元素性质的周期性。而到现在阶段，物理学家眼中不可分的基元是夸克和轻子。夸克和轻子能否是解释所有现象的本质原因呢？物质世界还有许多问题等到解决，至少今后的一个时期，化学学科还要围绕以下三方面开展研究：（1）深入研究化学反应理论，寻求完成该化学反应的最佳途径。（2）提高对结构和性能的认识，合成具有功能的目标产物。（3）发展分析测试的新方法并依靠计算技术使化学的“耳目”及借以工作的信息趋于灵敏可靠。

大学生科研训练为大学生尽早进入科研的角色提供了施展才华的平台，在这个平台上，学生查阅文献、科学选题、综合设计实验方案，数据处理分析、撰写论文能力，团结合作管理能力，大学生服务社会的能力必将增强。大学生深刻认识到化学理论的学习与化学实验同等重要，不可偏废。

参考文献：

[1]江玉安.化学史上的重大事件与化学科学发展的主要线索[J].化学教育，2009，（7）：74-76.

[2]徐扬群.合成氨工业的先驱者——哈伯博士[J].现代化工，1986，（6）：52-54.