仪器和理性思维在化学实验中的作用
化学先生 / 2019-08-08
1.科学仪器与设备是化学实验方法的物质基础。
科学仪器是化学实验的物质前提，它能够帮助我们克服感觉器官的局限性，在广度与深度上都能极大地延伸和增强人的认识能力。
21世纪以来，科学仪器的不断更新,使实验水平不断提高，人们的认识也随之步人二个又一个新的领域。实际上，化学的发展，是与实验仪器的进步相伴相随的。例如:18世纪，英国化学家卡文迪许做了这样一个实验:他在烧瓶里进行了电火花放电，并在放电过程中不断地向瓶中充人氧气，使空气中的氮气与氧气发生化学反应，反应完全后，用碱液吸收生成的氮的氧化物，但他发现，瓶内留下了一个小气泡，不论怎样对它放电，都不能将它消灭。由于当时的仪器设备比较落后，他无法再对这个小气泡进行研究，只好将实验结果记录下来，供后人继续探讨。到了19世纪80年代，英国化学家瑞利和拉姆塞用先进的光谱仅检验这个小气泡，才弄清了这个气泡原来是一种新元素一一氩。
仪器设备是化学研究的物质基础和物质手段。 仪器的使用 和改进,使化学实验向微观化.精确化迈进，从而可以促使人们的感觉和感性认识更加客观化、准确化。人的感觉往往容易受到一些主观因素的影响。科学仪器的使用,引进了客观的计量标准，可以排除-些主观因素的干扰，从而可以达到更加客观、更加真实地认识事物的目的。例如，傅立叶变换技术在化学实验中的应用，就有力地说明了这一点。所谓傅立叶变换技术,就是被测样品的所有进动频率被一个强射频脉冲所激发，这些频率被接收机在段时间内所检测，这段时间的长度，由磁场的不均匀度以及样品的弛豫时间决定。人们早就知道，在某些容易满足的条件下，这个自由进动信号的傅立叶变换与稳度幔通过谱仪是完全相同的。因此，傅立叶变换的过程，在不用复杂的窄带滤波器与检波器陈列的情况下.起着多道接收的作用。因而，可以使其灵敏度大大提高。例如:以前用红外光谱法分析样品，灵敏度最好的约为10-克。而采用博立叶变换红外光谱法，不但测定下限降低至10-9克，而且速度很快，得到一张全扫描的谱图只需半分钟。此外，电化学分析中的许多高灵敏度测定法，如差示脉冲极谐、二次谐波交流极谱等，运用快速傅立叶变换技术，都能得到满意的数据和图谐。又如，可调谐激光仪应用于分析化学之后，使得分析灵敏度的提高有了一个重大的突破一可以检测到一个原子。 可见，新的科学仪器的应用，使化学实验工作有了巨大的革新。
化学仪器是化学实验的工具，也是化学发现和发明的工具。以化学元素发现为例:化学元素的发现分成7个时期，即实用时期，炼丹术时期，化学分析时期，电解时期，光谱分析时期,放射性时期和人工合成时期。其中，化学分析时期、电解时期和光谱时期发现的新元素最多，是化学元素发现的三个高峰期。其原因就是科学仪器在发现过程中起了主要作用。自波义耳以后，化学实验技术大大发展。人们用天平称量的实验方法，发现了氧气、氮气等多种气体。1800年,尼科尔逊( W. Nicholson,1753-1815)在伏打电池问世后，实现了对水的电解，这标志着新的实验方法一电解法的诞生。化学和电学的结合,引起了化学元素发现史上的一次重大突破。1807年，英国化学家戴维首先用电解法发现了钾等多种新的活泼金属元素。他之所以一个人有这么多新发现，是因为他运用了电解这种新的实验技术。1844年发现了钙以后，一直到1859年，在15年的时间内,居然。 个新元素也未发现,这段时间成为元素发现的低谷时期。其原因主要是由于没有发明新的实验方法。到19世纪下半叶,本生(R. W. Bunsen,1811~1899)和基尔霍夫(G. R. Kirehhoff, 1824~ 1887)用他们自己制作的光谱仪发现了铊、钢等多种金属。20世纪，超油元素和人工合成元素的发现，如果没有原子反应堆和高能加速器这些新的科学仪器、设备，更是难以想象的。正是由于核化学实验技术的进步，发现了2批放射性元素和大量同位素。
所以说，没有科学仪器的使用和发展，就没有化学实验方法的革新，也就没有化学科学的不断发展。
2.实验方法需要正确的理性思维指导。
理性思维是进行一切化学实验的指导思想，每个实验 大体上可以分为四个基本步骤:实验课题的选择，实验方案的设计和实施，对实验所得数据的处理、分析和得出结论，实验成果的鉴定与交流，每一环节都离不开正确思维的指导。即使是以实践活动为主的实验方案的实施过程以及实验现象及数据的记录等,理性思维活动同样起着重要作用。
实验课题的选择是具有战略意义的大事。所选课题既要有一定的难度.有创造性，还要结合实际，以事实为依据,不能同以往已经确立的理论或已被实验证实的事实相违背。这就要求实验者必须有本专业或与所研究课题有关的丰富知识，具有敏锐的洞察力，掌握科技动态,了解什么样的课题最有发展前途，等等。这些都需要化学学术思想的帮助，需要化学哲学思想的启迪火s
实验方案设计主要是根据实验目的选择恰当的实验方法。即分析课题中需要得到的科学事实是什么?得到这些事实应选择的方法有哪些?用什么仪器、设备，控制哪些外界条件?等等。例如,我们要合成某个新产品，首先就得思考、合成此物质可能的途径，思考什么是最佳途径:再考虑按此最佳途径需要什么设备、药品、条件还要考虑如何操作才能实现此最佳途径:在实施过程中可能会出现什么问题，这些问题又该怎样去解决;更要进一步考虑 、确定如何检验产品质量,等等。无疑，对这些实验环节必须进行理性思维，对影响实验成功与否的因素作全面的理性考虑。在实验过程中，还要根据发现的问题，及时修改实验方案，否则，实验就不会成功或不能得出正确的结论。这些，都需要化学家睿智聪明的理论思考。
至于实验的其他环节，如数据的处理、由实验事实得出结论、对科研成果的鉴定、交流等，就更离不开理性思维的指导了。在处理数据之前，首先要运用误差理论知识指导我们正确分析，取舍原始数据。数据处理方法很多，必须从实验的具体情况出发,选取恰当的处理方法。由实验结果得出结论时，先要思考分析和判断实验数据处理结果说明什么问题，是否符合客观情况，然后还必须设计出检验实验结论的方法及步骤。这些任务没有理性思维都是不可能完成的。
只有正确的思维才能促进化学实验逐步深入，引导化学家从实验的感性认识上升为理性认识，推动化学学科向前发展。相反， 如果思维方法不正确,对化学发展不仅起不了促进作用，而且还有可能起到阻碍作用。道尔顿、盖。吕萨克等知名化学家，由于思想方法受形而上学的影响，他们片面地认为:原子间的吸引和排斥是互不相容的，在相同原子之间只有排斥，在不同原子之间只有吸引。因此，他们认为水的化学模型是HO而不是H.O.因为两个相同的H原子将互相排斥。故不能联接在一起。他们还不承认有H .O2.Cl2等气体分子的存在。这样，为建立原子论做出重大贡献的道尔顿，在触到分子学说的边缘时，不但没有能提出分子学说,还起了相反的阻碍作用。道尔顿原子论提出后，在原子的存在被实验证实后,原子内部有无结构的问题就摆在人们面前了。第一个揭示原子有内部结构问题的是汤姆逊(J. J.Thomson,1856~1940)。1897 年，他在实验中发现了电子。对这个发现的理论思考，不仅把人的认识引人深的物质层次，而且还导致了原子结构模型的提出。首先是汤姆逊在1904年提出“面包夹葡萄干”的模型,认为正电荷均匀分布在整个原子球体中，带负电荷的电子粒-粒地散 布在里面。日本的长岗半太郎(1865 ~1950)也提出了一种模型，认为原子是电子绕着带正电的粒子运动组成的。1911年,卢瑟福在他著名的a粒子散射实验的基础上，提出了原子的“核模型”:原子有一个极小的核(直径在10负12次方厘米左右)。这个核几乎集中了原子的全部质量,并带有Z个单位正电荷。Z个电子围绕着核旋转，就像行星绕太阳运转一样,所以卢瑟福的原子模型被称为“行星模型”。但按经典的电磁理论,电子绕核运动应是加速运动，而且在电子运动速度有变化的情况下,原子应发出电磁波。但经实验并未观察到原子的电磁辐射。1913年玻尔修正和发展了卢瑟福的理论，提出了更为完善的原子结构模型。至此，原子是由原子核和核外电子组成已成为定论。但是,原子核是否还有更深层的内部结构呢?为了解决这一问题，又需进行新的实验。1919 年，卢瑟福用a粒子轰击氮原子.发现有氢原子核飞出来,对这种粒子的分析导致了带正电的质子的发现。居里夫人在此基础上提出了原子核的质子电子模型:原子核是由质子和电子组成的，电子中和一部分质子的电荷，原子序数是原子核内未被中和的质子数目。但此模型无法解释为什么原子量是质子重量的若干倍。1920 年,卢瑟福又用创造性的思维提出一种中子假说:原子核中的质子与电子结合形成一个不带电的微粒--中子。这种想法促使人们以实验手段确证中子的存在。1932 年，英国人查德威克(J.Chadwick,1891~ 1974)终于用实验证明了中子的存在。中子发现后，人们又提出了原子核的中子质子模型。 这个模型弥补了质子-电子模型的不足。 质子、中子、电子还有没有结构问题呢?许多人认为它们是“基本粒子”，不能再分。但是,正确的理性思维使科学家们勇敢地冲破了这一个禁区。在实验事实的基础上，提出强子有内部结构的种种意见。例如，1949 年的“费米一杨振宁模型”. 1955年的“板田模型"以及60年代的“夸克模型”“层子模型”等。所有这些都说明:实验和正确的理性思维是相互作用相互促进的，两者的相互作用推动科学不停顿地向前发展。另外，实验者必须用正确思维作指导，才会有敏锐的头脑和出色的洞察力，从而在复杂的实验现象中找出有价值的东西。例如,居里夫人经过大量的实验研究，发现铀的辐射强度与铀的数量成正比。还发现沥青铀矿所发出的射线比按其中铀的含量所能发出的射线强4倍。于是她大胆地确定:在沥青铀矿中存在着一种未知的放射性元素。为此她设计了新的实验课题一提取新的放射性元素。此后 她和皮埃尔.居里一起进行了长达4年的实验研究,终于发现了新的放射性元素镭。可见，要想做好化学实验,并且要充分而有效地发挥实验在科学发展中应有的作用，就必须重视正确理性思维的指导。无数历史实际证明，化学实验的实践与理性思维相结合，必将推动化学研究的大发展。英国著名化学家戴维(H Davy, 1778 1829)曾通过实验首创电解方法,开创了电化学的先河，他首先用电解方法制得钾、钠、钙、锶、钡、镁、硼。戴维是一个伟大的实验家和实践家，他之所以取得如此大的成功，得益于他的助手和学生法拉第(M. Faraday, 1791~ 1867)。法拉第多年跟随戴维工作,1833年成了英国皇家学院的实验室主任。法拉第擅长理性思维和数学方法,他发现了电动机原理,1833年提出了电解定律,并测出了法拉第常数，1837年独自创立了电磁场理论。法拉第与戴维的合作，就把实验与理论统一起来了，从而使电化学更理性化了。
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