尋找化學(xué)研究課題的途徑
化學(xué)先生 / 2019-08-08
尋找科研課題的具體方式很多,如查閱文獻、請教名家、同行討論、到有關(guān)部門進行調(diào)查、深入生產(chǎn)實際了解情況等。一般從方法論上看,尋找化學(xué)研究課題有如下一些參考途徑。
1.探究原因。
人們在各種實踐中可以獲取感性化學(xué)經(jīng)驗材料。這些經(jīng)驗材料所反映的是化學(xué)變化的現(xiàn)象。如果對這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系或背后原因進行思考,往往可能找到有意義的研究課題。
18~19世紀的化學(xué)實驗,使絕大部分化學(xué)元素被發(fā)現(xiàn),同時·這些元素的性質(zhì)得到了較系統(tǒng)的研究。德貝萊納、培頓科弗、格拉斯頓、庫克、歐德林、尚古多、邁耶爾、門捷列夫等人,從不同角度探索這些元素間是否存在某種聯(lián)系的問題,最后由門捷列夫和邁耶爾找到了元素間的聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)了化學(xué)元素周期律。
又如,化學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)乙酰氯中的氯和乙基氯中的氯存在著很大差別。馬可夫尼可夫發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理論沒有注意這個問題,便把它作為重要課題進行研究,經(jīng)過一系列研究工作,提出了馬可夫尼可夫規(guī)則。
近現(xiàn)代的實驗結(jié)果表明甲烷(CH)為正四面體結(jié)構(gòu),但基態(tài)的C原子只有兩個未成對的p電子。何以理解C原子與H原子形成CH4的原因呢?為了回答這個問題,飽林和斯勒特提出了雜化軌道理論,促進了現(xiàn)代化學(xué)鍵理論的發(fā)展。
對實驗結(jié)果進行分析整理,有時候可以獲得一些新的化學(xué)認識,從而找到這些實驗結(jié)果遵從的經(jīng)驗規(guī)律。如果再進一步尋找這些經(jīng)驗規(guī)律背后隱藏的更深刻的原因,也可能提出一些重要的研究課題。
例如,18世紀末、19世紀初,道爾頓在對氣體進行研究中發(fā)現(xiàn)了氣體分壓定律之后,他又尋求這個定律的解釋,這種研究就導(dǎo)致他的原因論思想的產(chǎn)生。他不僅用原子論解釋了分壓定律,還解釋了定比定律,并且得出了倍比定律,從而使他成了“近代化學(xué)之父”(恩格斯:《自然辯證法》)。
又如,瑪麗·居里(M. Curie,1867~1934)和居里(P. Curie,1859~1906)發(fā)現(xiàn)釙和,就是選擇了著名的貝克勒爾現(xiàn)象作為研究課題,貝克勒爾現(xiàn)象實際上是物質(zhì)的天然放射性,當(dāng)時不知其原因,貝克勒爾(A.H. Becquerel,1852~1908)曾征求專家解決和解釋其機理。瑪麗·居里勇敢地選擇了此課題,經(jīng)四年努力,終于在瀝青礦中提煉出新元素釙和鐳。此課題使居里夫人兩次榮獲諾貝爾獎。
2.尋找不足。
人們對于事物規(guī)律的認識,一般不是一次完成的。研究初期提出的理論往往有待發(fā)展,早期進行的實驗大多需要改進。如果對較早的工作進行分析,找到了其中的不足之處,也就找到了改進、拓展或者發(fā)展這些工作的研究課題。
氫分子是最簡單的電中性分子,研究它的結(jié)構(gòu)具有基礎(chǔ)性的意義。1927年,海特勒和倫敦用變分法求解氫分子的薛定調(diào)方程,得到了氫分子的結(jié)合能De=3.14eV,與實驗值4.72eV相差較大。后來,化學(xué)家們就是從這個差別中找到了改進計算方法的課題。圍繞這個課題,不少人都做了工作。193年,詹姆斯( James)和庫立奇( Coolidge)得到了與實驗值幾乎完全一致(De=4.70eV)的結(jié)果,但所用變分函數(shù)中含有的參數(shù)多達13個。此后,簡化計算又成為一個重要的課題。到20世紀50年代,徐光憲等人采用分子軌道構(gòu)型疊加法,用3個參數(shù)得到了與實驗值較接近
的計算值(4.08eV)。
又如,用 Kishner- Wolff還原法將類或開類還原為次甲基時,要用封管和難以制備且價格昂貴的無水合肼。采用此法時,極少量的水還會引起副反應(yīng)?；瘜W(xué)家們也是從這個不足之中找到了改進的方法。黃鳴龍改進法正是對這個課題進行研究的結(jié)果。
3.揭露矛盾。
科學(xué)研究中,問題就是矛盾,矛盾也就是問題。由于化學(xué)研究對象的復(fù)雜性和人的認識的曲折性,化學(xué)發(fā)展過程中,不可避免地會出現(xiàn)一些錯誤的學(xué)說和錯判的實驗現(xiàn)象。在研究中,揭露這些問題和矛盾,可以提出新的研究課題18世紀,拉瓦錫把大量精確的實驗材料,尤其是氧的發(fā)現(xiàn)和金屬般燒實驗聯(lián)系起來,系統(tǒng)分析了燃素說與這些實際實驗材料之間的矛盾,給自己提出了重建燃燒
學(xué)說的重大課題,經(jīng)過努力,建立了氧化燃燒說,完成了化學(xué)上的一場革命。
1799年,普盧斯明確提出定比定律,貝托雷以溶液、合金、玻璃及一些金屬氧化物和鹽基性鹽類的組成比例作為論據(jù),認為這個定律不成立。普盧斯分析了貝托雷見解中的矛盾,首次把化合物與混合物的概念明確區(qū)別開來,進一步論證了定比定律的正確性。
4.檢驗成果
學(xué)說的真理性不僅反映在它的“解釋能力”上,還反映在它的“預(yù)見能力”上:實驗結(jié)果的可靠性,不僅取決于完成實驗的方法和儀器,還取決于它能否被他人所重復(fù)。對理論解釋能力和預(yù)見能力的研究,對實驗的重新檢驗和重復(fù),也可成為重要的研究課題
拉姆塞從細節(jié)的牙盾人手,發(fā)現(xiàn)了和氯之后,認為周期表應(yīng)補充新的一列,并據(jù)此預(yù)言了其他情性元素的存在。為檢驗拉姆塞的補充是否正確,尋找新的情性元素的課題就被提出來了。經(jīng)過化學(xué)家的努力,氮、氖、缸陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),證實了拉姆塞的看法1925年,諾達克(W. Noddack)和塔科( I. Tacke)通過分析事威產(chǎn)的鈮鐵礦石,宣稱他們發(fā)現(xiàn)了第43號和第75號元素,并將它們分別命名為" Masurium”"(Ma,)和“ Rhenium"(Re,)。他們因此獲得了李比希獎?wù)隆＿@個發(fā)現(xiàn)的成果是否可靠?重復(fù)檢驗就成了新的研究課題。后來經(jīng)一些科學(xué)家研究,肯定了他們對于錸的發(fā)現(xiàn),而否定了所謂鈣的存在,顯然,通過檢驗,無論對他們的結(jié)果是肯定還是否定,對于化學(xué)的發(fā)展都是有意義的。
5.邏輯途徑。
化學(xué)發(fā)展過程中,少不了邏輯自治的追求。邏輯自治要求不僅可以使化學(xué)趨向形式上的完美,而且還能引起一些實質(zhì)性的進展。邏輯自治要求是尋找研究課題的重要途徑。
20世紀60年代以前,配位場理論的研究取得了許多重要成果,但是從邏輯嚴整性要求上看,這個理論方法還不夠完善,20世紀60年代,唐數(shù)慶及其研究集體在這方面開展了一系列工作,通過引進一類新的偶合系數(shù),溝通了連續(xù)群與點群、高對稱點群與低對稱點群之間的聯(lián)系,使配位場理論的計算標(biāo)準(zhǔn)化,并建立了分子亮模圖2-4英比烏斯所帶型,從而統(tǒng)一了計算方案,使配位場理論方法在邏輯上更為完備嚴整。
1858年,拓撲學(xué)家莫比烏斯(A.F. Mobius)構(gòu)想出一個單側(cè)曲面。這個曲面系指將一條紙帶的一端扭轉(zhuǎn)180后粘到另一端上所形成的一種幾何形狀,此模型被稱為“莫比烏斯帶”。它有兩個重要的特性:如果一只螞蟻在上面爬,不必翻越帶子的邊緣,里外都可以爬到;如果沿與帶邊平行的中線將帶剪開,得到的不是相等的兩個環(huán),而是環(huán)徑比原來大一倍的一個環(huán)?；瘜W(xué)家們從邏輯可能性設(shè)想,人們能否在化學(xué)上合成出具有這種拓撲結(jié)構(gòu)的分子來呢?1982年6月,美國科羅拉多大學(xué)的化
學(xué)家們用與制作莫比鳥斯帶相似的兩頭接的辦法,合成了具有這樣的拓撲結(jié)構(gòu)的分子,而且,如果將這樣的分子中間的雙鍵制開,也可以得到環(huán)徑大一倍而相對分子質(zhì)量不變的大環(huán)、這是從預(yù)設(shè)的邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā),進而解決研究課題合成新物質(zhì)的典型例子
6.學(xué)科透。
化學(xué)與其相部學(xué)利的互相滲透,相關(guān)相近的學(xué)科與化學(xué)學(xué)科間會相互提出一些研究課題,也可以相互啟發(fā),用彼之長克己之短,從而形成一系列新課題。
我們前面提到的合成分子整流器的課題就是化學(xué)應(yīng)其他學(xué)科發(fā)展需要而產(chǎn)生的,20世紀末出現(xiàn)的化學(xué)傷生學(xué)方面的課題則是化學(xué)家們主動向大自然學(xué)習(xí),自覺接受生物學(xué)家的啟示而提出來的。例如,人類能否通過弄清生物固氮酶的催化機理,并根據(jù)其中的某些原理,能動地設(shè)計并合成常溫常壓下也能固氮的催化劑這一課題,就是這樣提出來的,中國化學(xué)家盧嘉錫、蔡啟瑞等分別提出的福州模型和廈門模型,正是以人們對固氮酶的生物化學(xué)研究為基礎(chǔ),模擬設(shè)計出溫和條件下能夠化學(xué)固氮的模型化合物。
7.面向社會。
促進化學(xué)發(fā)展的根本動力是社會需要,人類社會的需要是多方面的。如果化學(xué)家們能面向社會,注意傾聽社會實踐的呼聲,就可以從社會的實際需要中找到許多重大的課題,經(jīng)過研究取得的成果也就具有直接的社會意義19世紀后半葉,德國化學(xué)工業(yè)進入世界領(lǐng)先地位的一個重要原因,就是李比希學(xué)派深入化工生產(chǎn),注意發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)中遇到的實際問題。我國化學(xué)家黃文魁在有機合成上取得了許多成果,他選擇的課題大多是在社會需要中尋找的。1927年,當(dāng)他在一次抗癌工作會議上聽說三尖杉酯類生物堿具有抗癌作用后,馬上把人工合成這類化合物作為重要的課題進行研究,并取得了杰出成果。
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