化學(xué)研究中的物理方法向化學(xué)的移植
化學(xué)先生 / 2019-08-17
科學(xué)史表明，化學(xué)作為“受系”而接受物理學(xué)提供的移植方法很多，主要包括慨念、原理和方法等三部分。這種移植的結(jié)果是物理化學(xué)和化學(xué)物理學(xué)兩門(mén)分支學(xué)科的先后建立。前者可以1887年(物理化學(xué)雜志)創(chuàng)刊為標(biāo)志，后者可以1933年(化學(xué)物理雜志)創(chuàng)刊為標(biāo)志。由于物理學(xué)和化學(xué)的交叉移植,在化學(xué)史上曾取得一系列的重大成果。例如,荷蘭化學(xué)家范霍夫因研究化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡、滲透壓等,而獲得1901年化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng);瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯因研究溶液理論和電離學(xué)說(shuō)，而獲得1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng);德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W斯特瓦爾德因研究化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)催化，而榮獲了1909年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。范霍夫、阿倫尼烏斯、奧斯特瓦爾德三人,被化學(xué)史家戲稱(chēng)為“物理化學(xué)三劍客”，也有稱(chēng)為“物化三巨星”的。他們的成功說(shuō)明，學(xué)科之間交叉移植是大有前途的領(lǐng)域。
物理學(xué)概念向化學(xué)領(lǐng)域的移植，主要有兩種情況:第一，物理學(xué)的概念在化學(xué)領(lǐng)域得到直接應(yīng)用，可稱(chēng)之為“直接應(yīng)用型移植”;第二，物理學(xué)的概念移植到化學(xué)領(lǐng)域中，為了適用于化學(xué)的特殊性而衍生出新的概念,可稱(chēng)之為“行生型移植”。
現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)移人化學(xué)，不僅拓寬了化學(xué)研究的領(lǐng)域，而且為現(xiàn)代化學(xué)理論的產(chǎn)生和發(fā)展提供了強(qiáng)有力的手段，從20世紀(jì)30年代末開(kāi)始，伍德沃德就運(yùn)用紅外和紫外吸收光譜技術(shù)來(lái)研究有機(jī)分子的結(jié)構(gòu),并以此為指導(dǎo)合成了一系列較復(fù)雜的有機(jī)化合物，如奎寧、膽甾醇、馬錢(qián)子堿、皮質(zhì)酮、利血平、葉綠素、四環(huán)素、維生素B12等。正是在這種有機(jī)結(jié)構(gòu)分析和-系列有機(jī)合成的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，伍德沃德和霍夫曼于1965年提出了著名的分子軌道對(duì)稱(chēng)守恒原理。該原理為解釋和預(yù)示一系列化學(xué)反應(yīng)的難易程度和其中產(chǎn)物的立體構(gòu)型提供了理論根據(jù)。分子光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可用于計(jì)算理想氣體的熱力學(xué)函數(shù)，促進(jìn)了化學(xué)熱力學(xué)的發(fā)展。
此外,以 x射線衍射技術(shù)為基e礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的引人與發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展，尤其是對(duì)晶體與分子結(jié)構(gòu)的研究提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。就在x射線衍射技術(shù)誕生的第工年(1913年)，其創(chuàng)立者布拉格父子(W. H. Bragz:1862 1942:W.LBragg:1890~ 1971)便對(duì)氯化鈉和氯化鉀品體進(jìn)行了測(cè)定。借助這種技術(shù)，人們首次認(rèn)識(shí)了這類(lèi)晶體中的全部氯離F(CT- )與鈉離子(Nat +)或鉀離子(K+ )通過(guò)沒(méi)有飽和性和方向性的離子鍵結(jié)合成一個(gè)整體，而并不存在單個(gè)的氯化鈉或氯化鉀分子。在20世紀(jì)50年代以后，凡屬有代表性的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的品體結(jié)構(gòu)都運(yùn)用x射線衍射法進(jìn)行了測(cè)定。該技術(shù)還在研究硼氫化合物、過(guò)渡金屬元素有機(jī)物以及蛋白質(zhì)等新型或復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮著重要作用。
總之，現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)向化學(xué)領(lǐng)域移植，其廣度和深度都與日俱增?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代化學(xué)的重大進(jìn)展兒乎都同這種技術(shù)移植密切相關(guān)，而現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展也在一定程度上取決于這種移植。這種技術(shù)移植與上述概念和原理(包括有關(guān)方法)移植的主要區(qū)別在于后者主要為化學(xué)提供演繹性質(zhì)的理論基礎(chǔ)和形式化的表述語(yǔ)言:而前者主要為化學(xué)提供歸納的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和實(shí)用性的物質(zhì)手段。就對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究而言,歸納性的研究首先是依靠物理學(xué)移人的實(shí)用技術(shù)手段(如原子光譜、分子光譜、X射線衍射、質(zhì)譜、能譜等)測(cè)量一系列物質(zhì)內(nèi)部原子的排列、電子的運(yùn)動(dòng)等的表征數(shù)據(jù),然后歸納總結(jié)出-般性的結(jié)論。其實(shí),化學(xué)研究基本上是在歸納和演繹的邏輯途徑上展開(kāi)的，而物理學(xué)的概念、原理、方法和技術(shù)的移人對(duì)這兩種研究途徑都產(chǎn)生了重大影響(尤以對(duì)演繹途徑影響更甚),物理研究工具向化學(xué)移植更是會(huì)產(chǎn)生不可估量的效果。所以，化學(xué)研究中移植方法的重大作用是不可忽視的。
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