化学中理想化方法的理想模型
化学先生 / 2019-08-13
理想模型又称思想模型，它是客观对象的抽象和近似，在科学研究中它在指定的意义下代替原型，提供关于原型的新信息。理想模型作为思想模型，它们以高度简化和纯化的形态反映原型最主要的本质特征，而完全忽略其他特征。例如，物理学中的质点、点电荷、理想流体、绝对刚体，物理学和物理化学中的理想气体、理想晶体等都是理想模型。
对于一摩尔的各种实际气体，反映其压力か、体积和绝对温度T的状态方程可近似地写成下式：
PV/RT=1+B/V+C/V2+……
等式右边的第项及以后各项反映了气体分子间的相互作用，B、C……各项的值很小，且依赖于气体的化学种类。显然，可以认为第一项反映了与气体的化学种类差别无关的本质特征。那么，反映气体本质的状态方程应是なV=1，即かV=RT，这就是理想气体状态方程。可见理想气体是实际气体的抽象，而且是以纯粹方式反映实际气体本质特征的抽象，也就是实际气体的理想模型。
在化学热力学中，理想模型应用得非常广泛。除理想气体外，还有孤立体系、绝热过程、热力学可逆过程、理想溶液等，都是理想模型。其中理想溶液是实际溶液的理想模型，它完全忽略了不同组分混合时溶液的热效应和体积变化，也就是完全忽略了各组分分子间作用力的差别和分子体积的差别，突出地也是理想地反映浓度变化对溶液性质的影响。热力学可逆过程是实际热力学过程的理想模型。它突出地反映过程中热力学系统的状态变化，而完全忽略了实际过程中不可避免地存在的摩擦阻滞作用把实际过程中必然存在的体系和环境之间某些强度性质的差值，如压力差、温度差等，推到极限，理想化为无限小。从而也忽略了过程进行的速度等。
结晶化学中的理想晶体是指在三维空间按点阵式的周期性无限伸展的晶体这也是一个理想模型。它突出地反映了晶体內部的有规则的空间点阵式结构，而完全忽略实际晶体体积的有限性、晶体内粒子的运动以及各种晶体缺陷等复杂性质。理想晶体模型是研究一切实际晶体的结构和性质的基础。这种理想化使研究能顺利进行，反之，若不以理想晶体模型为基础，就无法研究各种离子化合物的晶体结构，也无法研究形形色色的晶体缺陷和晶体生长的规律。
在化学中建立和应用理想模型有着十分重要的意义。主要表现为以下三方面：
第一，建立理想模型可以使研究工作大为简化，从而使我们比较容易地发现事物（原型）的近似规律。理想模型是在思维中构思出来的理想的东西，不是真实存在。它在一定条件下，可以近似地反映原型的本质，所以，其研究结果用于实际事物而不会发生大的偏差。例如，研究理想溶液模型得到的规律，对于某些二组分溶液，如光学异构体的混合物、立体异构体的混合物、紧邻同系物的混合物以及同位素化合物的混合物等，都可近似地适用而无大的偏差。
第二，理想模型研究的成果，经简单修正就可用于复杂原型。对于复杂的事物，可以先研究其理想模型，然后将所得结果加以适当修正，就可得出此事物的某些特征或近似规律，这是化学热力学中广泛采用的一种重要方法?例如，将理想气体状态方程加以适当修正，即可得到比较符合实际气体行为的范德瓦尔斯方程或其他物态方程。这实际上是用气体的较复杂的思想模型（如范德瓦尔斯气体模型）代替理想气体模型。还有一种修正的方法，是对于从理想模型得到的数学式引入修正系数，使公式适用于实际对象，而修正系数的数值由实验确定。例如，在理想气体状态方程式中引入压缩因子2，使方程式PV=ZRT适用于实际气体，就是采用増加修正系数的方法。又如，将理想气体和理想溶液的化学势公式中的分压和浓度分别改为逸度和活度，也就是分别引人逸度系数和活度系数这两个修正系数，使这些公式适用于实际体系，采用的也是这种增加修正系数的方法。在化学热力学中尤为重要的是用可逆过程这个理想模型，作为研究实际热力学过程（不可逆过程）的标准。由于在可逆过程中某些过程属性（如热温熵之和、等温条件下的功等）变为只由始、终态决定的双态属性，从而与某些状态函数改变值（如△S、△F、△G等）直接联系起来，于是就解决了求算实际过程中这些状态函数变值的问题。
第三，理想模型为演绎推理奠定了基础，将普遍原理和逻辑方法用于模型，可以推论出许多在理论上或实践上有重要意义的结论，形成系统的理论或作出科学的预见。例如，将热力学第二定律这一普遍原理用于卡诺可逆循环过程，利用可逆过程这一理想模型所具有的二向重演性，即演绎出卡诺定理。然后通过演绎和分析，结合可逆过程和不可逆过程等理想过程，发现了熵函数，导出了克劳修斯不等式。将热力学定律用于气体、溶液等各种体系的理想模型，可演绎出许多结论、公式。这些结论和公式是构成化学热力学理论体系的重要组成部分。例如，将量子力学原理用于理想晶体，演绎得到的结果，能明确提高固体材料强度的途径。
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