化學(xué)中的比較方法
化學(xué)先生 / 2019-08-09
比較是辨別同異、區(qū)分事物之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)的邏輯方法。比較的根據(jù)是事物之間客觀存在著差異性和同一性?；瘜W(xué)領(lǐng)域中各種化學(xué)物質(zhì)普遍存在的個(gè)性與共性，是人們進(jìn)行化學(xué)比較的客觀基礎(chǔ)。
比較方法分為時(shí)間上的比較與空間上的比較兩種類型?？陀^世界中的多種元素及化合物，多種形式的化學(xué)反應(yīng)在空間上并存著，所以可以對(duì)它們進(jìn)行空間既定形態(tài)的比較；物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，由始態(tài)到終態(tài)在時(shí)間上是連續(xù)的、前后相隨的，這就可以從不同階段進(jìn)行時(shí)間上歷史形態(tài)的比較，進(jìn)而認(rèn)識(shí)整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的歷程，揭示各類化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。
在古代，人類在同自然界接觸的過(guò)程中，對(duì)不同的物質(zhì)形態(tài)及其特點(diǎn)進(jìn)行比較，逐步形成了金、木、水、火、土等不同的“元素”概念。由于對(duì)各類金屬的形態(tài)、性質(zhì)及實(shí)際價(jià)值的比較，使人們產(chǎn)生了用一般賤金屬經(jīng)煉制轉(zhuǎn)化為金、銀等貴重金屬的企昐和追求，從而造就了中世紀(jì)歐洲的煉金術(shù)。同樣，由于對(duì)某些物質(zhì)的特性進(jìn)行比較，懂得了金玉的穩(wěn)定，再與人們要求長(zhǎng)生的訴求相聯(lián)系，就有中國(guó)古代“食金壽如金，食玉壽如玉”的類比說(shuō)法，并在中國(guó)逐步產(chǎn)生了為少數(shù)統(tǒng)治階級(jí)的長(zhǎng)壽服務(wù)的煉丹術(shù)。在近代和現(xiàn)代化學(xué)中，通過(guò)空間比較，人們區(qū)分開(kāi)了元素、原子、分子等不同的物質(zhì)形態(tài)和物質(zhì)層次，發(fā)現(xiàn)了不同層次不同類型的化學(xué)反應(yīng)等?；瘜W(xué)分析中的比色分析，就是利用比較有色物質(zhì)的顏色深淺來(lái)確定被測(cè)物質(zhì)含量的方法。光譜分析是儀器分析中的主要方法，它正是利用對(duì)光譜的比較來(lái)確定被測(cè)物質(zhì)的化學(xué)成分的。因?yàn)槊恳环N化學(xué)元素都具有一定波長(zhǎng)的特征譜線，因此，用已知元素的特征譜線作為標(biāo)準(zhǔn)，同任意一種被測(cè)物質(zhì)的光諧進(jìn)行比較就可以鑒別被謝物質(zhì)的化學(xué)成分。如果發(fā)現(xiàn)被測(cè)物質(zhì)光諧中存在的諧線和某種已知元素的特征諧線相同，就可以確認(rèn)該物質(zhì)中含有這種元素:若發(fā)現(xiàn)被測(cè)物質(zhì)的光諧中存在著與所有已知元素的特 征譜線都不相同的諧線，就可以判定其中必含有某種末知的新元素。例如，1892年，英國(guó)物理學(xué)家瑞利在研究氣體密度時(shí)運(yùn)用比較方法發(fā)現(xiàn)從分解氨制得的氮?dú)?，其密度比從大氣中得到的氮?dú)饷芏刃?.5%左右，瑞利一直不清楚，同是氮?dú)鉃槭裁疵芏葧?huì)有明顯差異?1894年，美國(guó)化學(xué)家拉姆塞進(jìn)一步運(yùn)用比較方法揭開(kāi)了這個(gè)迷。他首先純化了從大氣中制得的氮，然后通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)，在這種純化了的氣體中，除了含有已知的氮元素的特征譜線以外，還有一種未曾見(jiàn)到過(guò)的明線。由此，他肯定這種明線表明了一種新元素的存在。進(jìn)一步研究后，他指出這是惰性氣體氬(Ar)。此后，化學(xué)家利用這種比較方法相繼發(fā)現(xiàn)了氦(He)、氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)等元素 。
同樣，在化學(xué)研究中也離不開(kāi)對(duì)物質(zhì)變化在時(shí)間上進(jìn)行歷史形態(tài)的比較 17世紀(jì)，英國(guó)化學(xué)家波義耳在創(chuàng)立近代化學(xué)的過(guò)程中，首先對(duì)元素的概念做了歷史的比較。他比較了泰勒斯、赫拉克利特主張的水或火等元素說(shuō)，考察了恩培多克勒的水火、土、氣“四元素”說(shuō)，研究了中世紀(jì)流行的亞里士多德的冷、熱、干、濕的“四元素”(原性)說(shuō)，探索了煉金術(shù)中的汞、硫、鹽“三原質(zhì)”說(shuō)，他發(fā)現(xiàn)了這些元素概念的共同點(diǎn)、差異點(diǎn)及其各自的缺陷，經(jīng)過(guò)深入的理性思維，進(jìn)而創(chuàng)立了科學(xué)的元素概念。他把元素理解為只有那些不能用化學(xué)方法再分解的簡(jiǎn)單物質(zhì)。比如黃金，雖然可以同其他金屬一起制成合金，或可溶解于王水之中而“隱酸”起來(lái)，但是仍可設(shè)法恢復(fù)原形，重新得到黃金。這就說(shuō)明黃金雖然經(jīng)過(guò)了種種化學(xué)處理而發(fā)生了變化，然而始終未被分解而破壞，因此，他認(rèn)為元素是用化學(xué)方法不能再分解的簡(jiǎn)單物質(zhì)。至于自然界元素的數(shù)目，他認(rèn)為作為萬(wàn)物之源的元素，不是三種，也不是四種，而一定會(huì)有許多種。這個(gè)認(rèn)識(shí)，使他奠定了近代化學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)，為科學(xué)地進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)分類和建立化學(xué)理論體系開(kāi)辟了道路。
在研究化學(xué)反應(yīng)歷程和機(jī)理的時(shí)候，人們往往必須從反應(yīng)物在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中不同階段的變化，直到最終產(chǎn)物的延生，進(jìn)行歷史形態(tài)的比較，以逐步認(rèn)識(shí)反應(yīng)中的各種中間態(tài)和各種類型化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。例如，1828年，德國(guó)青年化學(xué)家維勒人工合成了尿素。起初人們并不理解這是怎么一回事，后來(lái)經(jīng)過(guò)深入的分析與比較，發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程是這樣的：
NH 4CI + AGCNO → NH4CNO + AgCI↓
(氯化銨) (氰酸銀) (氰酸銨) (氯化銀)
NH4CNO → CO(NH2)2
(氰酸銨) (尿素)
在這一探索過(guò)程中，維勒進(jìn)行了反應(yīng)過(guò)程歷史形態(tài)的比較。第一，比較了反應(yīng)物氯化銨、氰酸銀都是無(wú)機(jī)物，而生成物尿素卻是有機(jī)物；第二，比較了在反應(yīng)過(guò)程中酸銨在加熱時(shí)，如何發(fā)生了分子的異構(gòu)化，各種原子重新進(jìn)行了安排，由此揭開(kāi)了從無(wú)機(jī)物制造有機(jī)物的奧秘，發(fā)現(xiàn)了無(wú)機(jī)物與有機(jī)物之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化美系?，F(xiàn)代化學(xué)研究，在揭示H2+CI2→2HCI的機(jī)理時(shí)，同樣運(yùn)用了歷史形態(tài)的比較方法。在這個(gè)鏈反應(yīng)過(guò)程中：
CI2+M → 2CI•+M
C1•+H2 → HCI+H•
……
通過(guò)對(duì)反應(yīng)物、中間物和生成物的比較，可以看出在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的不同階段的實(shí)際變化，進(jìn)而明確了該反應(yīng)的全部歷程，由此可揭示一般直鏈反應(yīng)的機(jī)理。
化學(xué)研究中，還常常運(yùn)用實(shí)際事物和理想事物之間的比較。例如，在研究化學(xué)熱力學(xué)時(shí)，常常把實(shí)際氣體與理想氣體的性質(zhì)進(jìn)行比較，在理想氣體的公式中加一個(gè)校正系數(shù)ri，把pi改為ripi=fi，使公式適用于實(shí)際氣體；同時(shí)通過(guò)比較建立起逸度(校正了的壓力)和逸度系數(shù)概念。再如，比較實(shí)際溶液與理想溶液的性質(zhì)，用類似的方法建立實(shí)際溶液的公式和活度及活度系數(shù)概念。另外，在研究反應(yīng)過(guò)程時(shí)，還經(jīng)常把實(shí)際過(guò)程與理想可逆過(guò)程進(jìn)行比較，這種比較方法的應(yīng)用，在化學(xué)熱力學(xué)中具有重要的意義。
從實(shí)例中不難看出，無(wú)論是對(duì)物質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)形式進(jìn)行空間的既定形態(tài)的比較，還是對(duì)它們的變化進(jìn)行時(shí)間的歷史形態(tài)的比較，都應(yīng)該在外表上具有巨大差異的事物之間，認(rèn)識(shí)它們?cè)诒举|(zhì)上的共同點(diǎn)；在外表上極為相似或相同的事物之間，揭示它們?cè)诒举|(zhì)上的差異點(diǎn)。這種尋求異中之同或同中之異的思想方法，正是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要技藝。
應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)指出:在化學(xué)研究中運(yùn)用的任何比較都具有相對(duì)性。其一，比較總是在一定關(guān)系上，依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。沒(méi)有統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)違背同一律，造成邏輯錯(cuò)誤，也就不能進(jìn)行比較。其二，任何比較都有其局限性。由比較所得的結(jié)果是相對(duì)的，不能絕對(duì)化。列寧說(shuō)過(guò):“任何比較都不會(huì)十全十美，這一點(diǎn)大家早就知道了。任何比較只是拿所比較的事物或概念的一個(gè)方面或幾個(gè)方面來(lái)相比，而暫時(shí)地和有條件地撇開(kāi)其他方面。我們提醒讀者注意一下這個(gè)大家都知道的但是常常被人忘掉的真理。”
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