儀器和理性思維在化學(xué)實驗中的作用
化學(xué)先生 / 2019-08-08
1.科學(xué)儀器與設(shè)備是化學(xué)實驗方法的物質(zhì)基礎(chǔ)。
科學(xué)儀器是化學(xué)實驗的物質(zhì)前提，它能夠幫助我們克服感覺器官的局限性，在廣度與深度上都能極大地延伸和增強人的認(rèn)識能力。
21世紀(jì)以來，科學(xué)儀器的不斷更新,使實驗水平不斷提高，人們的認(rèn)識也隨之步人二個又一個新的領(lǐng)域。實際上，化學(xué)的發(fā)展，是與實驗儀器的進步相伴相隨的。例如:18世紀(jì)，英國化學(xué)家卡文迪許做了這樣一個實驗:他在燒瓶里進行了電火花放電，并在放電過程中不斷地向瓶中充人氧氣，使空氣中的氮氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)完全后，用堿液吸收生成的氮的氧化物，但他發(fā)現(xiàn)，瓶內(nèi)留下了一個小氣泡，不論怎樣對它放電，都不能將它消滅。由于當(dāng)時的儀器設(shè)備比較落后，他無法再對這個小氣泡進行研究，只好將實驗結(jié)果記錄下來，供后人繼續(xù)探討。到了19世紀(jì)80年代，英國化學(xué)家瑞利和拉姆塞用先進的光譜僅檢驗這個小氣泡，才弄清了這個氣泡原來是一種新元素一一氬。
儀器設(shè)備是化學(xué)研究的物質(zhì)基礎(chǔ)和物質(zhì)手段。 儀器的使用 和改進,使化學(xué)實驗向微觀化.精確化邁進，從而可以促使人們的感覺和感性認(rèn)識更加客觀化、準(zhǔn)確化。人的感覺往往容易受到一些主觀因素的影響。科學(xué)儀器的使用,引進了客觀的計量標(biāo)準(zhǔn)，可以排除-些主觀因素的干擾，從而可以達到更加客觀、更加真實地認(rèn)識事物的目的。例如，傅立葉變換技術(shù)在化學(xué)實驗中的應(yīng)用，就有力地說明了這一點。所謂傅立葉變換技術(shù),就是被測樣品的所有進動頻率被一個強射頻脈沖所激發(fā)，這些頻率被接收機在段時間內(nèi)所檢測，這段時間的長度，由磁場的不均勻度以及樣品的弛豫時間決定。人們早就知道，在某些容易滿足的條件下，這個自由進動信號的傅立葉變換與穩(wěn)度幔通過譜儀是完全相同的。因此，傅立葉變換的過程，在不用復(fù)雜的窄帶濾波器與檢波器陳列的情況下.起著多道接收的作用。因而，可以使其靈敏度大大提高。例如:以前用紅外光譜法分析樣品，靈敏度最好的約為10-克。而采用博立葉變換紅外光譜法，不但測定下限降低至10-9克，而且速度很快，得到一張全掃描的譜圖只需半分鐘。此外，電化學(xué)分析中的許多高靈敏度測定法，如差示脈沖極諧、二次諧波交流極譜等，運用快速傅立葉變換技術(shù)，都能得到滿意的數(shù)據(jù)和圖諧。又如，可調(diào)諧激光儀應(yīng)用于分析化學(xué)之后，使得分析靈敏度的提高有了一個重大的突破一可以檢測到一個原子。 可見，新的科學(xué)儀器的應(yīng)用，使化學(xué)實驗工作有了巨大的革新。
化學(xué)儀器是化學(xué)實驗的工具，也是化學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的工具。以化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)為例:化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)分成7個時期，即實用時期，煉丹術(shù)時期，化學(xué)分析時期，電解時期，光譜分析時期,放射性時期和人工合成時期。其中，化學(xué)分析時期、電解時期和光譜時期發(fā)現(xiàn)的新元素最多，是化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)的三個高峰期。其原因就是科學(xué)儀器在發(fā)現(xiàn)過程中起了主要作用。自波義耳以后，化學(xué)實驗技術(shù)大大發(fā)展。人們用天平稱量的實驗方法，發(fā)現(xiàn)了氧氣、氮氣等多種氣體。1800年,尼科爾遜( W. Nicholson,1753-1815)在伏打電池問世后，實現(xiàn)了對水的電解，這標(biāo)志著新的實驗方法一電解法的誕生。化學(xué)和電學(xué)的結(jié)合,引起了化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史上的一次重大突破。1807年，英國化學(xué)家戴維首先用電解法發(fā)現(xiàn)了鉀等多種新的活潑金屬元素。他之所以一個人有這么多新發(fā)現(xiàn)，是因為他運用了電解這種新的實驗技術(shù)。1844年發(fā)現(xiàn)了鈣以后，一直到1859年，在15年的時間內(nèi),居然。 個新元素也未發(fā)現(xiàn),這段時間成為元素發(fā)現(xiàn)的低谷時期。其原因主要是由于沒有發(fā)明新的實驗方法。到19世紀(jì)下半葉,本生(R. W. Bunsen,1811~1899)和基爾霍夫(G. R. Kirehhoff, 1824~ 1887)用他們自己制作的光譜儀發(fā)現(xiàn)了鉈、鋼等多種金屬。20世紀(jì)，超油元素和人工合成元素的發(fā)現(xiàn)，如果沒有原子反應(yīng)堆和高能加速器這些新的科學(xué)儀器、設(shè)備，更是難以想象的。正是由于核化學(xué)實驗技術(shù)的進步，發(fā)現(xiàn)了2批放射性元素和大量同位素。
所以說，沒有科學(xué)儀器的使用和發(fā)展，就沒有化學(xué)實驗方法的革新，也就沒有化學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展。
2.實驗方法需要正確的理性思維指導(dǎo)。
理性思維是進行一切化學(xué)實驗的指導(dǎo)思想，每個實驗 大體上可以分為四個基本步驟:實驗課題的選擇，實驗方案的設(shè)計和實施，對實驗所得數(shù)據(jù)的處理、分析和得出結(jié)論，實驗成果的鑒定與交流，每一環(huán)節(jié)都離不開正確思維的指導(dǎo)。即使是以實踐活動為主的實驗方案的實施過程以及實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的記錄等,理性思維活動同樣起著重要作用。
實驗課題的選擇是具有戰(zhàn)略意義的大事。所選課題既要有一定的難度.有創(chuàng)造性，還要結(jié)合實際，以事實為依據(jù),不能同以往已經(jīng)確立的理論或已被實驗證實的事實相違背。這就要求實驗者必須有本專業(yè)或與所研究課題有關(guān)的豐富知識，具有敏銳的洞察力，掌握科技動態(tài),了解什么樣的課題最有發(fā)展前途，等等。這些都需要化學(xué)學(xué)術(shù)思想的幫助，需要化學(xué)哲學(xué)思想的啟迪火s
實驗方案設(shè)計主要是根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇恰當(dāng)?shù)膶嶒灧椒?。即分析課題中需要得到的科學(xué)事實是什么?得到這些事實應(yīng)選擇的方法有哪些?用什么儀器、設(shè)備，控制哪些外界條件?等等。例如,我們要合成某個新產(chǎn)品，首先就得思考、合成此物質(zhì)可能的途徑，思考什么是最佳途徑:再考慮按此最佳途徑需要什么設(shè)備、藥品、條件還要考慮如何操作才能實現(xiàn)此最佳途徑:在實施過程中可能會出現(xiàn)什么問題，這些問題又該怎樣去解決;更要進一步考慮 、確定如何檢驗產(chǎn)品質(zhì)量,等等。無疑，對這些實驗環(huán)節(jié)必須進行理性思維，對影響實驗成功與否的因素作全面的理性考慮。在實驗過程中，還要根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，及時修改實驗方案，否則，實驗就不會成功或不能得出正確的結(jié)論。這些，都需要化學(xué)家睿智聰明的理論思考。
至于實驗的其他環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)的處理、由實驗事實得出結(jié)論、對科研成果的鑒定、交流等，就更離不開理性思維的指導(dǎo)了。在處理數(shù)據(jù)之前，首先要運用誤差理論知識指導(dǎo)我們正確分析，取舍原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理方法很多，必須從實驗的具體情況出發(fā),選取恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。由實驗結(jié)果得出結(jié)論時，先要思考分析和判斷實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果說明什么問題，是否符合客觀情況，然后還必須設(shè)計出檢驗實驗結(jié)論的方法及步驟。這些任務(wù)沒有理性思維都是不可能完成的。
只有正確的思維才能促進化學(xué)實驗逐步深入，引導(dǎo)化學(xué)家從實驗的感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識，推動化學(xué)學(xué)科向前發(fā)展。相反， 如果思維方法不正確,對化學(xué)發(fā)展不僅起不了促進作用，而且還有可能起到阻礙作用。道爾頓、蓋。呂薩克等知名化學(xué)家，由于思想方法受形而上學(xué)的影響，他們片面地認(rèn)為:原子間的吸引和排斥是互不相容的，在相同原子之間只有排斥，在不同原子之間只有吸引。因此，他們認(rèn)為水的化學(xué)模型是HO而不是H.O.因為兩個相同的H原子將互相排斥。故不能聯(lián)接在一起。他們還不承認(rèn)有H .O2.Cl2等氣體分子的存在。這樣，為建立原子論做出重大貢獻的道爾頓，在觸到分子學(xué)說的邊緣時，不但沒有能提出分子學(xué)說,還起了相反的阻礙作用。道爾頓原子論提出后，在原子的存在被實驗證實后,原子內(nèi)部有無結(jié)構(gòu)的問題就擺在人們面前了。第一個揭示原子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題的是湯姆遜(J. J.Thomson,1856~1940)。1897 年，他在實驗中發(fā)現(xiàn)了電子。對這個發(fā)現(xiàn)的理論思考，不僅把人的認(rèn)識引人深的物質(zhì)層次，而且還導(dǎo)致了原子結(jié)構(gòu)模型的提出。首先是湯姆遜在1904年提出“面包夾葡萄干”的模型,認(rèn)為正電荷均勻分布在整個原子球體中，帶負(fù)電荷的電子粒-粒地散 布在里面。日本的長崗半太郎(1865 ~1950)也提出了一種模型，認(rèn)為原子是電子繞著帶正電的粒子運動組成的。1911年,盧瑟福在他著名的a粒子散射實驗的基礎(chǔ)上，提出了原子的“核模型”:原子有一個極小的核(直徑在10負(fù)12次方厘米左右)。這個核幾乎集中了原子的全部質(zhì)量,并帶有Z個單位正電荷。Z個電子圍繞著核旋轉(zhuǎn)，就像行星繞太陽運轉(zhuǎn)一樣,所以盧瑟福的原子模型被稱為“行星模型”。但按經(jīng)典的電磁理論,電子繞核運動應(yīng)是加速運動，而且在電子運動速度有變化的情況下,原子應(yīng)發(fā)出電磁波。但經(jīng)實驗并未觀察到原子的電磁輻射。1913年玻爾修正和發(fā)展了盧瑟福的理論，提出了更為完善的原子結(jié)構(gòu)模型。至此，原子是由原子核和核外電子組成已成為定論。但是,原子核是否還有更深層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢?為了解決這一問題，又需進行新的實驗。1919 年，盧瑟福用a粒子轟擊氮原子.發(fā)現(xiàn)有氫原子核飛出來,對這種粒子的分析導(dǎo)致了帶正電的質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)。居里夫人在此基礎(chǔ)上提出了原子核的質(zhì)子電子模型:原子核是由質(zhì)子和電子組成的，電子中和一部分質(zhì)子的電荷，原子序數(shù)是原子核內(nèi)未被中和的質(zhì)子數(shù)目。但此模型無法解釋為什么原子量是質(zhì)子重量的若干倍。1920 年,盧瑟福又用創(chuàng)造性的思維提出一種中子假說:原子核中的質(zhì)子與電子結(jié)合形成一個不帶電的微粒--中子。這種想法促使人們以實驗手段確證中子的存在。1932 年，英國人查德威克(J.Chadwick,1891~ 1974)終于用實驗證明了中子的存在。中子發(fā)現(xiàn)后，人們又提出了原子核的中子質(zhì)子模型。 這個模型彌補了質(zhì)子-電子模型的不足。 質(zhì)子、中子、電子還有沒有結(jié)構(gòu)問題呢?許多人認(rèn)為它們是“基本粒子”，不能再分。但是,正確的理性思維使科學(xué)家們勇敢地沖破了這一個禁區(qū)。在實驗事實的基礎(chǔ)上，提出強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的種種意見。例如，1949 年的“費米一楊振寧模型”. 1955年的“板田模型"以及60年代的“夸克模型”“層子模型”等。所有這些都說明:實驗和正確的理性思維是相互作用相互促進的，兩者的相互作用推動科學(xué)不停頓地向前發(fā)展。另外，實驗者必須用正確思維作指導(dǎo)，才會有敏銳的頭腦和出色的洞察力，從而在復(fù)雜的實驗現(xiàn)象中找出有價值的東西。例如,居里夫人經(jīng)過大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)鈾的輻射強度與鈾的數(shù)量成正比。還發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦所發(fā)出的射線比按其中鈾的含量所能發(fā)出的射線強4倍。于是她大膽地確定:在瀝青鈾礦中存在著一種未知的放射性元素。為此她設(shè)計了新的實驗課題一提取新的放射性元素。此后 她和皮埃爾.居里一起進行了長達4年的實驗研究,終于發(fā)現(xiàn)了新的放射性元素鐳?？梢?，要想做好化學(xué)實驗,并且要充分而有效地發(fā)揮實驗在科學(xué)發(fā)展中應(yīng)有的作用，就必須重視正確理性思維的指導(dǎo)。無數(shù)歷史實際證明，化學(xué)實驗的實踐與理性思維相結(jié)合，必將推動化學(xué)研究的大發(fā)展。英國著名化學(xué)家戴維(H Davy, 1778 1829)曾通過實驗首創(chuàng)電解方法,開創(chuàng)了電化學(xué)的先河，他首先用電解方法制得鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、鎂、硼。戴維是一個偉大的實驗家和實踐家，他之所以取得如此大的成功，得益于他的助手和學(xué)生法拉第(M. Faraday, 1791~ 1867)。法拉第多年跟隨戴維工作,1833年成了英國皇家學(xué)院的實驗室主任。法拉第擅長理性思維和數(shù)學(xué)方法,他發(fā)現(xiàn)了電動機原理,1833年提出了電解定律,并測出了法拉第常數(shù)，1837年獨自創(chuàng)立了電磁場理論。法拉第與戴維的合作，就把實驗與理論統(tǒng)一起來了，從而使電化學(xué)更理性化了。
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