化學(xué)中的幾何學(xué)方法
化學(xué)先生 / 2019-08-19
化學(xué)運(yùn)動(dòng)廣泛地涉及數(shù)和形的問(wèn)題，對(duì)于形的問(wèn)題，化學(xué)問(wèn)題又可以化為幾何問(wèn)題來(lái)處理。
化學(xué)中的幾何學(xué)方法主要有三方面:
其一，幾何模型。結(jié)晶化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)常用這種方法。
其二，圖表方法。化學(xué)的各個(gè)分支兒乎都用圖表方法，尤其是分析化學(xué)，化學(xué)分類學(xué)、原子光譜分子光譜分子能譜等領(lǐng)域,圖表方法的應(yīng)用更為廣泛。
其三，解析幾何的曲線方法。 這種方法在物理化學(xué)中應(yīng)用極為廣泛，主要包括以下三方面:
1. 幾何模型法。
化學(xué)模型方法和幾何思想兒何方法有著十分密切的聯(lián)系。一個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)模型的誕生，不僅要靠實(shí)驗(yàn)研究和理論上的探索，還與研究者的形象思維能力、兒何水平有直接聯(lián)系，同時(shí)，也與化學(xué)家的美學(xué)修養(yǎng)直接相關(guān)。近年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)科學(xué)中的美學(xué)方法越來(lái)越感興趣，化學(xué)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱與對(duì)稱破缺的和諧統(tǒng)，化學(xué) 過(guò)程的協(xié)同性和復(fù)雜性,都在人們面前展現(xiàn)出十分誘人的方法論奇景。這些研究無(wú)疑會(huì)給化學(xué)家?guī)?lái)嶄新的思想觀念。按庫(kù)恩的觀點(diǎn)，這也可能是出現(xiàn)一種新的化學(xué)研究范式的前兆。
例如,對(duì)二茂鐵(雙環(huán)戊二烯基鐵)的結(jié)構(gòu)、二苯鉻的結(jié)構(gòu)（圖14-1），都要靠幾何模型加以說(shuō)明，這種方法
形象而生動(dòng)，可以給人直觀的認(rèn)識(shí)。
總之 ,幾何模型方法在化學(xué)上有極為廣泛的應(yīng)用，用此法的關(guān)鍵在于"神似”,形象地反映化學(xué)物質(zhì)的本質(zhì)。
2. 圖表方法。
圖表方法 在化學(xué)研究中所取得的成功，大概給人們的印象是最深刻的。1869 年門捷列夫的周期表是盡人皆知的。這種方法后來(lái)在遺傳學(xué)上又取得了突破，遺傳密碼表的出現(xiàn)，不能不說(shuō)是受到元素周期表的啟發(fā)。此外,還有基本粒子表、核素圖等新的研究成果，都是用圖表法取得突破的。所以，我們完全有理由說(shuō)，圖表方法盡管是古老的，但仍然有強(qiáng)大的生命力，它還會(huì)經(jīng)常地給人們帶來(lái)靈感和收獲。
圖表一般可以分為統(tǒng)計(jì)圖表、位置圖表解析圖表等。
統(tǒng)計(jì)圖表在分析和抽樣研究中起著重要作用，這種圖表比較簡(jiǎn)單，做起來(lái)并不難，但對(duì)圖表的分析結(jié)果則不盡相同，一般人只是看到了其中的數(shù)學(xué)，而各學(xué)科的專家則可以從這種圖表中獲得頓悟、直覺(jué)、靈感和啟發(fā)。
其次是位置圖表，這就要求 我們把研究對(duì)象全部收集到一個(gè)系統(tǒng)中，使它們?cè)诒碇懈饔懈鞯奈恢?。像化學(xué)元素周期表、核素圖、基本粒子表，還有現(xiàn)在-些學(xué)者研究的有機(jī)化合物“周期表”，都屬于這種圖表。這種圖表一且能正確反映客觀時(shí)，其空位都會(huì)成為科學(xué)預(yù)見(jiàn)的關(guān)鍵，利用空位，采取“對(duì)稱填補(bǔ)法”可以提出預(yù)見(jiàn)和猜想。
再次是解析圖表，一股是利用函數(shù)y=f(ax)中自變量和因變量的關(guān)系，列成圖表,畫出曲線。如果是多參數(shù)的復(fù)雜體系，畫出這種圖表也并不容易，如果自變量和因變量之間只有不確定的相關(guān)性，這種表和圖也不易作出。但是，這種解析圖一且出來(lái)我們就可以根據(jù)曲線的變化方向和趨勢(shì)，做出判斷和預(yù)測(cè)。
3.解析幾何曲線方法。
解析圖表和曲線在化學(xué)中用途十分廣泛，這種方法不僅可以解釋實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還有一定的預(yù)見(jiàn)性?；瘜W(xué)中各分支幾乎都采用這種方法。
例如,物理化學(xué)中溶 液中溶質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài),可以用右面曲線表示(圖14-2):
在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，也大量采用解析圖表。
例如,某些物質(zhì)的紫外光譜也用曲線來(lái)表示。這種解析曲線在化學(xué)研究中有極為普遍的意義，在運(yùn)用時(shí)，關(guān)鍵在于正確地選擇坐標(biāo)和參數(shù)，一般用平面坐標(biāo),萬(wàn)不得已也可用三維立體坐標(biāo)、球面坐標(biāo)等。
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