化学的活性思维及其教学.docx

    化学的活性思维及其教学    吴俊明Summary： 化学活性与化学活性思维的界定化学思维的发展历程化学活性思维的主要问题在化学活性思维教学中，要注意处理好7个问题，要特别注意培养和保护学生开展化学活性思维的兴趣在中学化学中只宜渗透活性思维，不宜对活性思维提出明确要求，更不能提出过高要求为此，有关化学活性思维的内容可以只学不考宽松的学习要求可以维持、发展学生的学习兴趣Key： 化学思维; 化学活性; 化学活性思维; 化学教学; 现代化学教学： 1005-6629（2019）8-0003-06            ： G633.8            ： B1  化学活性与化学活性思维所谓化学活性是指一种物质发生化学反应的可能性和容易程度对于不同类型的化学反应，一种物质的活性可能是不同的，所以化学活性有时是对特定种类化学反应而言的一般地说，化学活性越强，物质越不稳定，更容易发生反应化学反应活性较强，即容易发生化学反应的物质常被称为化学活性物质化学活性思维是人类关于化学活性和化学活性物质的思维活动物质没有化学活性就不会发生化学反应，也就没有化学科学现代化学中的分子反应动力学、激发态化学、过渡态化学以及辐射化学、多相催化化学、光电磁活性高分子化学、表面化学、蛋白质分子设计等等都是以分子的化学活性思维为基础的。

2017年，我国科学家利用化学物质合成了4条人工设计的酿酒酵母染色体，标志着人类向“再造生命”又迈进一大步，这个重大成果也是以分子的化学活性思维为基础的[1]物质的化学变化及其在化学反应中表现出的化学性质是化学科学研究的核心内容因此，化学活性思维对于化学科学来说，是十分重要的，它应该是化學思维的重中之重化学的物质结构思维和物质组成思维之所以重要，原因也在于它们跟化学的活性思维密切地关联着2  化学活性概念的形成化学活性概念的形成过程是近代化学活性思维起步、逐步深入和明晰的过程人类早就发现了不同物质具有不同化学反应活泼性的个别例子例如，欧洲炼金家在13世纪初发现了硫酸、硝酸和王水等无机酸以及醋酸[2]，对它们的酸性的强弱差异有所感知到了医药化学时期，格劳伯（J.R. Glauber，德）通过实验明了不同的酸具有不同的强度;西尔维斯（F. Sylvius，比）据此提出了酸度概念[3];范.海尔孟特（J.B. van Helmont，比）则发现火药点着后放出使容器炸裂的气体，可是木炭、硫磺和硝石分别加热并不爆炸[4]……当时，“热质说”正在流行，曾有人用是否含有“热质”以及“热质”含量多少来解释物质的活泼性。

例如，性质活泼的氧气就被解释为氧元素和“热质”的化合物[5]17世纪牛顿力学的成功使英国乃至欧洲产生了力学崇拜，人们偏爱用“力”来解释各种现象受力学崇拜影响，格劳伯提出了“亲和力说”，认为各种物质反应活泼性有大有小的原因在于它们的亲和力有大有小[6]，牛顿（I. Newton，英）本人也肯定亲和力有力学性质[7]什么是“亲和力”？“亲和力（affinity）”最早由13世纪德国天主教主教马格努斯（Albert Magnus，德）提出，具有拟人化色彩贝格曼（T.O. Bergman，瑞典）认为亲和力是物质化学反应能力的一种宏观量度[8];波义耳（R. Boyle，英）则把亲和力看作微粒间结合或分离的表现，揣测“物质的亲和力及由此而来的自然现象绝大部分似乎依赖于物体的微小组分的运动和机构”[9]1718年，日夫鲁瓦（. F. Geoffroy，法）按照亲和力由大到小顺序编制了60多种物质分别跟16种（或类）化学物质的“亲和力表”[10]后来，施塔尔（G.S. Stahl，德）、贝格曼等人也提出了各自设计的亲和力表贝托雷（C.L. Berthollet，法）对化学亲和力作了深入的探讨，于1801年发表《亲和力定律的研究》，1803年又发表《化学静力学概论》。

他指出，化学反应一方面决定于亲和力的大小，另一方面也决定于反应物的质量;外部条件，首先是温度，对化学反应过程和化学反应的结果也有较大影响贝托雷已经触及化学反应方向、反应进行程度以及内、外因素的影响等，已经接近后来确立的质量作用定律了可惜，贝托雷的观点当时没有受到重视，其根源在于当时对于化学反应这个特殊运动形式的物质基础缺乏深入的了解恩格斯（F. Engels，德）曾经说过： 就认识的一般次序来说，必须先研究事物，而后才能研究过程必须先知道一个事物是什么，而后才能觉察这个事物所发生的变化自然科学中的情形正是这样在没有弄清楚化学物质的组成和结构之前，对物质化学反应活性的探索必然只能像“瞎子摸象”一样，凭表面经验进行臆测，使得当时的活性概念始终模糊不清，距离本质甚远从日夫鲁瓦提出第一个“亲和力表”到贝托雷发表《化学静力学概论》差不多100年之后，即19世纪前半叶，化学家们的研究重点终于转向了物质的组成和结构： 1803年，道尔顿（J. Dalton，英）提出了化学原子论，统一解释了许多已知的化学现象和化学经验定律1812年，贝采尼乌斯（J. J. Berzelius，瑞典）基于电解现象提出了物质微观结构的电化二元说。

一些化学家注意到，一切化学元素生成化合物时跟它化合的原子的数目是一定的，表现出它具有一定的“化合力”凯库勒（F.A. Kekulé，德）认为，元素原子的这种化合力，表示它具有一定的“亲和力单位”，这导致了后来原子价（化合价）概念的形成这样，原子价就成了化学亲和力的具体表现和度量值，由于此时对物质微粒，特别是微粒运动的认识比较粗浅，从物质的组成和结构研究来认识化学亲和力还不能达到揭示其本质的程度这种情况直到19世纪中叶一些化学家开始注意对化学反应进行比较深入的研究才得到改变[11]1836年，盖斯（G.H. Hess，瑞士）根据大量实验事实总结出“在任何一个化学过程中，不论该化学过程是立刻完成，还是经过几个阶段完成，它所产生的热的总量是相同的”（盖斯定律）他曾经明确地说：“我总是把放出的热量看作对化学亲和力的量度……如果我们希望发現亲和力的规律，就不仅要能对它们进行比较，而且应该足够准确地测量它们的作用1847年，格罗夫（W.R. Grove，英）发现水的热离解现象自此，化学家们开始相信原子间的相互作用可以用一定量的热或功来衡量19世纪后半叶，通过对许多化学物质（特别是有机物）的燃烧热和生成热测定，逐步形成了计算一些化学反应热效应的方法。

1854年，汤姆森（J. Thomson，丹麦）提出“每一个简单的或复杂的纯化学作用，都伴随着热量的产生”1875年，贝特罗（P. E. M. Berthelot，法）断言： 任何一个没有外部能量影响的纯化学变化，总是向着产生能释放最大热量的物质或物系的方向进行（“最大功原理”）他们企图从化学反应的热效应来解释化学过程的方向性，认为反应热是反应物化学亲和力的量度虽然人们后来发现一些吸热反应也能自发进行，揭示了他们的这个认识并不妥当，但是他们使人们对亲和力的认识从简单的机械力、电性力、“化合力（原子价）”等等转向关注能量问题，从思维发展角度看，不能不说这是一个值得肯定的重要转向，具有积极的意义19世纪60年代，由于化工、冶金等工业生产迅速发展，要求人们精确研究化学过程以及各种因素对化学过程的影响，以便有效地提高反应速率和产率同时，物理学中的热力学以及分子运动论为化学提供了处理化学过程问题的理论工具这双重因素促成人们通过对化学过程的反复研究对化学亲和力有了进一步认识： 开始用反应热（后来用自由能改变）等热力学量来量度化学过程，或者用反应速率来代替亲和力这个含糊的概念1867年，古德贝格（C.M. Guldberg，挪）和瓦格（P. Waage，挪）在他们的第二部亲和力专著《关于化学亲和力的研究》中以明确的形式陈述了质量作用定律。

1879年，古德贝格和瓦格指出：“关于物质之间或它们的组成部分之间的吸引力的简单概念是有缺陷的必须考虑到原子和分子的运动根据这个思想，他们赋予“有效质量”新的含义——单位体积中反应物分子数（即浓度），并以“反应速率”代替以前的“力”他们还认为，反应速率决定于相互作用的粒子的碰撞几率;指出分子碰撞只有一部分导致反应，从而逐渐摆脱了形而上学机械论的影响[12]1850年以后，化学家们注意到温度对反应速率有强烈影响1884年，范霍夫（J. H. Varrt Hoff，荷）提出了反应速率常数k和温度T的关系式dlnkdT=ART21887年，阿累尼乌斯（S. Arrhenius，瑞典）发现温度对反应物分子的运动速度、碰撞频率、浓度和反应体系的黏度等物理现象的影响远小于温度对反应速度的影响为解释这个现象，他在1889年发表的论文《关于蔗糖在酸的作用下反应速率的研究》中，设想在蔗糖转化反应体系中存在着一种不同于一般的反应物分子（M）的“活化分子”（M*），后者才是真正参加反应的分子，其浓度随温度升高而显著增加，反应的速率取决于活化分子的浓度他还认为，活化分子M*是由非活化分子M吸收一定热量（活化热）转化而成的;跟非活化分子相比，活化分子数量极少，但能量很高。

他给出了一系列公式，把他的质性的理论假说变成了可以用量来检验的科学原理阿累尼乌斯提出活化分子和活化能活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的最小能量，是活化分子的平均能量与反应物分子平均能量的差值阿累尼乌斯活化能是经验活化能，跟由动力学推导出来的活化能有所区别阿累尼乌斯提出了活化能的概念，但对活化能的解释不够明确，特别是把活化能看作是与温度无关的常数，这与许多实验事实不符概念，触及了化学活性的本质，不仅合理解释了碰撞理论，解释了化学反应速率与温度的关系，揭示了化学反应共同的活化机理，形成了以后各种化学动力学理论共同的基本概念，也使化学动力学的发展迈过了一道有决定意义的门槛，迅速地被化学家们广为接受至此，科学的化学活性概念终于形成活化分子和活化能概念的提出不是“证据”（事实）推理的结果，也不是运用已有模型的结果，而是发现问题（差异）后提出创造性假设并获得证实、进一步形成合理模型的结果，是创造性思维的一个范例3  化学活性认识的深化与拓展阿累尼乌斯的活化分子和活化能理论划清了活性跟原子间作用力、原子价、反应热以及反应速率等的界限，使化学活性这个概念有了明晰的内涵，宣告了现代化学活性理论的诞生，启动了现代的化学活性思维。

从此，化学活性概念开始了深度和广度的发展例如，催化理论的发展深化了人们对化学活性的认识： 催化剂为什么能够改变化学反应的速率，而它在反应后又没减少呢？为了解释这个问题，在19世纪初期有人提出中间化合物假说，认为催化剂之所以有催化能力，是由于生成了中间化合物的结果随着研究不断深入、新的实验事实越来越多，人们发现催化作用不一定是在均相中进行，更多的是在多相中进行;在发生多相催化时，会因为吸附作用使反应物分子相互接近而容易进行反应受贝采尼乌斯电化学说影响，有人认为吸附作用是由于正、负电性产生了分子吸引力1834年，法拉第（M. Faraday，英）提出不同于此的吸附理论，认为催化作用不是电力使然，而是靠物质相互吸引产生的气体张力1916年，朗缪尔（I. Langmuir，美）发表了关于单分子表面膜的行为及性质，以及关于固体表面吸附作用的研究成果之后，科学界在1920～1940年间大量的研究成果对催化理论有着重大的影响在这一时期人们还发现： 少量的某些物质能使催化剂“中毒”而失去催化活性通过对吸附量和脱附速度的研究，以及催化过程中催化剂失去催化活性的研究，化学家们得出了对多相催化理论有根本意义的结论，即催化反应是在催化剂表面直接相连的单分子层中进行的。

就此，泰勒（H.S. Taylor，美）于1925年率先提出活性中心理论，认为催化剂的表面是不均匀的，位于催化剂表面微晶的棱和顶角处的原子具有不饱。