化學(xué)中理想化方法的理想模型
化學(xué)先生 / 2019-08-13
理想模型又稱思想模型，它是客觀對象的抽象和近似，在科學(xué)研究中它在指定的意義下代替原型，提供關(guān)于原型的新信息。理想模型作為思想模型，它們以高度簡化和純化的形態(tài)反映原型最主要的本質(zhì)特征，而完全忽略其他特征。例如，物理學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、理想流體、絕對剛體，物理學(xué)和物理化學(xué)中的理想氣體、理想晶體等都是理想模型。
對于一摩爾的各種實(shí)際氣體，反映其壓力か、體積和絕對溫度T的狀態(tài)方程可近似地寫成下式：
PV/RT=1+B/V+C/V2+……
等式右邊的第項(xiàng)及以后各項(xiàng)反映了氣體分子間的相互作用，B、C……各項(xiàng)的值很小，且依賴于氣體的化學(xué)種類。顯然，可以認(rèn)為第一項(xiàng)反映了與氣體的化學(xué)種類差別無關(guān)的本質(zhì)特征。那么，反映氣體本質(zhì)的狀態(tài)方程應(yīng)是なV=1，即かV=RT，這就是理想氣體狀態(tài)方程?？梢娎硐霘怏w是實(shí)際氣體的抽象，而且是以純粹方式反映實(shí)際氣體本質(zhì)特征的抽象，也就是實(shí)際氣體的理想模型。
在化學(xué)熱力學(xué)中，理想模型應(yīng)用得非常廣泛。除理想氣體外，還有孤立體系、絕熱過程、熱力學(xué)可逆過程、理想溶液等，都是理想模型。其中理想溶液是實(shí)際溶液的理想模型，它完全忽略了不同組分混合時(shí)溶液的熱效應(yīng)和體積變化，也就是完全忽略了各組分分子間作用力的差別和分子體積的差別，突出地也是理想地反映濃度變化對溶液性質(zhì)的影響。熱力學(xué)可逆過程是實(shí)際熱力學(xué)過程的理想模型。它突出地反映過程中熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)變化，而完全忽略了實(shí)際過程中不可避免地存在的摩擦阻滯作用把實(shí)際過程中必然存在的體系和環(huán)境之間某些強(qiáng)度性質(zhì)的差值，如壓力差、溫度差等，推到極限，理想化為無限小。從而也忽略了過程進(jìn)行的速度等。
結(jié)晶化學(xué)中的理想晶體是指在三維空間按點(diǎn)陣式的周期性無限伸展的晶體這也是一個(gè)理想模型。它突出地反映了晶體內(nèi)部的有規(guī)則的空間點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)，而完全忽略實(shí)際晶體體積的有限性、晶體內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)以及各種晶體缺陷等復(fù)雜性質(zhì)。理想晶體模型是研究一切實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基礎(chǔ)。這種理想化使研究能順利進(jìn)行，反之，若不以理想晶體模型為基礎(chǔ)，就無法研究各種離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)，也無法研究形形色色的晶體缺陷和晶體生長的規(guī)律。
在化學(xué)中建立和應(yīng)用理想模型有著十分重要的意義。主要表現(xiàn)為以下三方面：
第一，建立理想模型可以使研究工作大為簡化，從而使我們比較容易地發(fā)現(xiàn)事物（原型）的近似規(guī)律。理想模型是在思維中構(gòu)思出來的理想的東西，不是真實(shí)存在。它在一定條件下，可以近似地反映原型的本質(zhì)，所以，其研究結(jié)果用于實(shí)際事物而不會(huì)發(fā)生大的偏差。例如，研究理想溶液模型得到的規(guī)律，對于某些二組分溶液，如光學(xué)異構(gòu)體的混合物、立體異構(gòu)體的混合物、緊鄰?fù)滴锏幕旌衔镆约巴凰鼗衔锏幕旌衔锏?，都可近似地適用而無大的偏差。
第二，理想模型研究的成果，經(jīng)簡單修正就可用于復(fù)雜原型。對于復(fù)雜的事物，可以先研究其理想模型，然后將所得結(jié)果加以適當(dāng)修正，就可得出此事物的某些特征或近似規(guī)律，這是化學(xué)熱力學(xué)中廣泛采用的一種重要方法?例如，將理想氣體狀態(tài)方程加以適當(dāng)修正，即可得到比較符合實(shí)際氣體行為的范德瓦爾斯方程或其他物態(tài)方程。這實(shí)際上是用氣體的較復(fù)雜的思想模型（如范德瓦爾斯氣體模型）代替理想氣體模型。還有一種修正的方法，是對于從理想模型得到的數(shù)學(xué)式引入修正系數(shù)，使公式適用于實(shí)際對象，而修正系數(shù)的數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定。例如，在理想氣體狀態(tài)方程式中引入壓縮因子2，使方程式PV=ZRT適用于實(shí)際氣體，就是采用増加修正系數(shù)的方法。又如，將理想氣體和理想溶液的化學(xué)勢公式中的分壓和濃度分別改為逸度和活度，也就是分別引人逸度系數(shù)和活度系數(shù)這兩個(gè)修正系數(shù)，使這些公式適用于實(shí)際體系，采用的也是這種增加修正系數(shù)的方法。在化學(xué)熱力學(xué)中尤為重要的是用可逆過程這個(gè)理想模型，作為研究實(shí)際熱力學(xué)過程（不可逆過程）的標(biāo)準(zhǔn)。由于在可逆過程中某些過程屬性（如熱溫熵之和、等溫條件下的功等）變?yōu)橹挥墒?、終態(tài)決定的雙態(tài)屬性，從而與某些狀態(tài)函數(shù)改變值（如△S、△F、△G等）直接聯(lián)系起來，于是就解決了求算實(shí)際過程中這些狀態(tài)函數(shù)變值的問題。
第三，理想模型為演繹推理奠定了基礎(chǔ)，將普遍原理和邏輯方法用于模型，可以推論出許多在理論上或?qū)嵺`上有重要意義的結(jié)論，形成系統(tǒng)的理論或作出科學(xué)的預(yù)見。例如，將熱力學(xué)第二定律這一普遍原理用于卡諾可逆循環(huán)過程，利用可逆過程這一理想模型所具有的二向重演性，即演繹出卡諾定理。然后通過演繹和分析，結(jié)合可逆過程和不可逆過程等理想過程，發(fā)現(xiàn)了熵函數(shù)，導(dǎo)出了克勞修斯不等式。將熱力學(xué)定律用于氣體、溶液等各種體系的理想模型，可演繹出許多結(jié)論、公式。這些結(jié)論和公式是構(gòu)成化學(xué)熱力學(xué)理論體系的重要組成部分。例如，將量子力學(xué)原理用于理想晶體，演繹得到的結(jié)果，能明確提高固體材料強(qiáng)度的途徑。
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