化学研究中的不变性研究

1、化学研究中的不变性研究 摘 要 化学方法研究是化学理论建立所必不可少的工具。作为化学理论形成的主要标志在于它具有:能够反映化学运动的客观规律,由前提、推论、证明和结论所构成知识的严密逻辑性、进行定量表达的精确性等。这些标志所反映的条件,实际上只有依靠化学方法作研究工具才能实现。因此,化学理论的真理性必须由化学实验方法加以检验和证实。化学理论的逻辑性则需要运用化学演绎等方法去建立,这样才能把零星或散乱的知识依照本质关系和因果关系纳入一个严密的知识体系。而化学研究中的不变性研究实质是指，如何在化学研究的过程当中排除或减弱干扰因素带来的对结果的影响。本文主要阐述和证明了化学研究中演绎抽象法，科学归纳

2、法，理想模型法是如何排除干扰因素的影响的。 目 录第一章 绪论.41.1 引言.41.2化学研究简介. 4 1.2.1 古代朴素化学研究方法. 4 1.2.2 文艺复兴时期化学实验与化学理论的构建. 6 1.2.3 近代化学研究的理论突破. 7 1.2.4化学研究发展的现状. 91.3 不变性原理简介. 10 1.3.1不变性原理发展史.10  1.3.2不变性原理理论. 11第二章 化学研究中的不变性方法.11 2.1 引言. 112.2 演绎推理法. 122.3 科学抽象法. 122.4 理想模型法. 14第三章 结论与展望.16 参考文献. 17第一章：绪论

3、1.1引言化学哲学在我国曾被称为“化学辩证法”,“化学辩证法”一词现在仍部分沿用,是与正在使用的“自然辩证法”一词相协调。其实,马克思曾称恩格斯的自然辩证法为“关于自然哲学的著作”,所以无论自然哲学还是化学哲学一词并非后创的异端,而是被马克思哲学体系予以承认的一个名词。一般来说,化学研究的客体,首先是分子,其次是原子、原子核、基本粒子和超分子等,而化学研究的对象是物质,而不是意识,主要是实物粒子,而不是场,是实物粒子中的分子及其变化规律,而不是原子、原子核的运动规律。正是由于化学研究的对象是实物,所以实验的方法是化学研究中的重要方法,观察与实验是化学工作者所不可缺少的。化学研究的对象是分子、原

4、子,而分子、原子在一般研究中是不能直接看到的,这就需要用思维去把握,用模型去具体化,这样,就需要有比较、类比、推理、假说和模型等方法,以作为化学研究的重要工具。化学科学的发展也反映了这些手段和方法在化学研究中的深入和扩展。1.2化学研究简介 自从有人类以来,化学知识就处于不断积累过程,但在各个历史阶段,其发展状况也不一样。1.2.1古代朴素化学研究 人类古代历史最漫长,化学的发展也处于最缓慢发展的时期,因为这个阶段整个社会生产力低下,文化处于初级阶段;哲学思想尽管也有唯心与唯物之分,但也是处于早期的朴素阶段,同时还受着封建迷信的极大干扰。所以这个时期的化学是处于化学的萌芽时期,化学学科因其缺乏

5、物质文化基础而不可能建立起来,人们对化学知识不可能建立一个系统的体系,并且缺乏科学的研究方法,这个时期人们对自然的认识处于原始和初级阶段,对化学现象的认识仅仅依靠观察和一些化工生产实践活动,所以这个时期是经验化学知识的积累时期。古代时期,人类的化学活动基本上分为两个方面:一方面是工匠们对实用化学工艺的发展,另一方面是思辩哲学家们在观察自然及化学工艺基础上的理论认识。最初是化学工艺占主导,古希腊时期,化学理论变为占主导,这时的理论问题主要包括物质本原和物质转变两方面的问题。在以后的长期的历史发展中,有时是化工占主导,有时是理论占主导,在一些引人注目的时期,二者共同繁荣,使化学得以更快的发展。从哲

6、学的角度讲,理论与实践共同进步的时期,会使得二者互相促进并得到更好的发展。这两大分支最后合而为一,理论和实践融为一体,发展成为在黑暗的中世纪中艰难发展的金丹术,化学在当时那样一种历史背景下,采取金丹术这样一种形式是历史的必然,也有其学术理论基础。西方炼金术是在亚里士多德的四元素说和元素嬗变学说的基础上发展起来的,中国的炼丹术是在阴阳五行学说基础上发展起来的。金丹术是人类最早尝试把化学哲学和化学实践相结合并用理论去指导实践的活动。但是,最终因其理论基础的谬误而导致了整个金丹术历史所反映出的艰难发展状态,并最终当成了一块科学发展的绊脚石而被逐出了科学的殿堂。金丹术的发展历史正好告诉我们建立一个正确

7、的化学哲学体系的重要性。当然,朴素唯物主义的合理成分也使炼丹家们的工作并非完全地失去了意义,而正是他们积累了较为丰富的化学知识,制造了一些实用的化学实验工具,在某种程度上为近代化学的建立准备了条件,所以化学史界普遍认为金丹术是“化学的萌芽”。1.2.2文艺复兴时期化学实验与化学理论的构建 16世纪,欧洲发生了文艺复兴运动,人们崇尚科学和人性的解放,对整个封建制度和宗教发起了攻击,文艺复兴使得整个人类的思想发生了一次质的飞跃。17世纪中叶,英国爆发了工业革命,工业革命的结果是打破了旧的生产方式,巩固了资本主义,生产力得到迅速发展。文艺复兴和工业革命给自然科学各门学科的蓬勃发展打下了良好的物质文化

8、基础,成为自然科学发展的强大外力。 在这样一种历史背景之下,化学从17世纪迈入了近代时期,历时两个半世纪,这个时期的最大特点就是把化学知识的积累由工场转向实验室,实验方法的确立以及职业化学家的出现使得把化学建成一门独立的学科成为可能。化学实验方法来源于文艺复兴时期的独立科学实践活动,而职业化学家的出现得力于社会生产力的发展、思想的解放、工业对化学的要求以及社会分工的发展。在已积累的经验知识的基础上,化学家们逐步发展了一系列的概念、定律和理论。 化学从多方面展开,建立起无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等重要的基础理论分支学科,具备了较为丰富的实验基础和理论基础,这时的一系列化学实验和理论方

9、法的建立为以后化学长足的发展打下了扎实的基础。1.2.3近代化学研究的理论突破 近代化学时期是化学全面开花时期,这个时期化学界经历的大事件很多,发生了五次重大的突破,使得化学大厦牢固地确立起来。 第一次重大突破是17世纪中期,波义耳(R.Boyle)提出了科学的元素概念,否定了亚里士多德的“四元素”说,把化学确立为科学。化学从此开始了正确的发展方向。 第二次是18世纪下半叶,拉瓦锡(提出了燃烧氧化理论,否定了长达一百年之久的错误的燃素学说,把被燃素学说颠倒了的化学理论正立过来,建立了科学的化学燃烧理论,促进了化学的迅速发展。 第三次是19世纪上半叶原子分子论的建立,1803年,道尔顿在质量守恒

10、定律、定组成定律、倍比定律等基础上提出了原子论;此后,阿佛加德罗在盖-吕萨克气体反应体积关系的基础上提出了分子学说,而康尼查罗综合两种学说,论证了原子分子学说,解决了两种学说的争论,开创了化学发展新时期,为化学发展开拓了广阔道路。近代化学的崛起首先应该归功于氧化理论和原子分子学说这两大范式的建立,这两种范式是在扬弃化学的第一个范式金丹术的基础上发展起来的。 第四次是1824年,德国有机化学家维勒首先从无机物人工合成了有机物尿素,使得当时流行的生命力学说得以破产,生命力论者把有机物质神妙化,使有机物化合物和无机化合物之间人为地制造了一条不可逾越的鸿沟,这样就严重地阻碍了有机化学的发展,生命力论是

11、唯心主义和不可知论在有机领域内的反映。尿素的合成,突破了有机化合物和无机化合物之间的绝对界限,动摇了生命力的基础,解放了人们的思想,为有机合成开辟了广阔的道路。 第五次是19世纪下半叶,俄国化学家门捷列夫在总结前人的基础上发现了元素周期律。周期律的建立,不但为新元素的发现提供了理论指导,而且使化学从仅限于对大量个别零散事实作无规则排列中摆脱出来,奠定了现代无机化学的基础;周期律的伟大意义还在于它不再把自然界的元素看成一个彼此孤立、不相依赖的偶然堆积,而是把各种元素看成一个有内在联系的统一体,它表明了元素性质变化的过程是由量变到质变的过程,是由低级到高级由简单到复杂的演变过程,所以元素周期律的发

12、现不但在化学上有重要意义,而且在哲学上也有着重要意义。 整个近代化学发展时期是化学史上一个承前启后的重要时期,一方面,在短短的两百多年时间里,建立了一个完整的具有各种分支学科的化学体系,建立了基本的化学概念、定理和定律,为现代化学的快速发展打下了坚实基础;另一方面,也是十分重要的一方面,近代化学时期是一个思想全面解放的时期,它逐步破除了一些严重妨碍化学发展的错误或迷信思想。这个时期在化学思想、化学方法论上占有重要地位,许多普适性的化学研究方法就是在这个时候确立起来的。1.2.4化学研究发展的现状 本世纪以来,由于科学对生产的推动作用,使得整个人类的物质文明达到了空前繁荣,生产力得到迅速发展,这

13、种发展反过来又对化学的进一步发展提供了强大的物质技术保证,化学也迈入了现代化学发展时期,这个时期的化学开始由宏观领域进入到微观领域,把宏观的理论研究和微观的理论研究结合起来,更深刻地揭示了化学现象的本质,化学哲学的研究也就有了基本的理论保证。微观化学从量子化学、结构化学和核化学三个方向发展并向化学的许多方向渗透,突出表现在化学动力学、生命过程的化学和人工元素合成方面,20世纪的人工合成化学到了一个崭新的阶段,合成的新物质随时间加速增长,表现了人类对自然的强大改造能力。 20世纪化学向其它学科的交叉渗透和综合,预示着化学将要揭示人类更为本质的奥秘。在这个成果爆发式发展的年代里,在理论、方法、实验

14、技术和应用方面都发生了深刻的变化,具有了一些新的显著的特点,概括起来,主要有以下几点:第一,发展速度的加速化。整个人类社会生产力即科学的发展都处于一个加速状态,其基数的不断增加导致了其成果的不断膨胀,化学的发展也不例外。化学小气候是与整个科学大气候是一致的。第二,纵向分化和横向联合。近代化学虽然建立了完备的化学体系,但现代化学的迅猛发展使得原有的分支学科不断地分化成更多的子学科,而这些学科的内部分化,也得力于与外部的“联姻”。自身的膨胀及多学科的渗透正是这些学科分化的原因。实验设备的仪器化促进了化学研究的精密化,这是化学尤其是分析中的一个新特点;这个特点其实也是化学与现代机械、光学、声学和电子

15、学等方面的新技术“联姻”的结果。第三,从宏观深入到微观层次。这是现代化学最显著的特点,它建立在现代化学实验及电子、X射线和铀射线三大发现的基础之上,其它特点都与之有着关联并互相渗透和促进,达到辩证的统一。微观大门的打开,是现代化学的起点,是人类认识水平的一个飞跃。第四,由静态向动态发展。近代化学一般是注重化学现象的结果,而现代化学则开始关心化学反应的过程,研究化学变化的动力学性质。这是由人类的认识规律所决定的,人类对事物的认识总要经历一个由外及里、由表观到本质的过程。把握化学反应过程的本质特点更有利于把握化学变化的外在规律。整个现代化学发展的历程告诉我们,化学科学实现了科学理论、实验研究和工业

16、生产的高度辩证统一,正经由“必然王国”向“自由王国”发生飞跃式的发展。1.3不变性原理简介1.3.1不变性原理发展史 不变性原理由苏联学者.谢巴诺夫在1939年首先提出。4050年代苏联学者.卢津、.彼德罗夫等对此进行了系统的研究，使之发展成为一整套完整的理论。在西方，C.D.约翰逊继苏联学者之后也独立地提出，在作用有外扰动的控制系统中，应当把控制分成两部分，一部分用来抵消扰动的作用，另一部分用来实现跟踪控制（使系统的状态按给定的规律变化），并建立了这种抵消扰动的理论。 1.3.2 不变性原理理论 自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论。实际的控制系统都会受到外部扰动的影响。如果

17、这种扰动能够被测量出来，就有可能利用它来产生控制作用，以消除其对输出的影响。这种设计原理就是不变性原理。当系统的被控制变量完全不受扰动作用的影响时，即称系统对扰动实现了完全不变性。当只是被控制变量的稳态不受扰动影响时（动态可能仍受影响），则称实现了稳态不变性。不变性原理确立了系统实现不变性所应满足的条件，为设计和构成高精度、高性能的自动控制系统提供了理论上的依据。第二章：化学研究中的不变性方法2.1引言 对化学研究中的不变性的探讨,可以使学习和研究者逐步做到:(1)加深对化学基本概念和原理的理解,掌握其来龙去脉和内在联系;(2)通过对化学常见研究方法探讨,可以学会一些科学研究的方法,增强发现问

18、题、分析问题、解决问题的能力:(3)将化学的内在联系,上升到哲学中去,从世界观方法论上看问题,树立正确的自然观,掌权唯物辩证法,更好地理解化学运动。2.2演绎推理法 演绎推理法是指从一般规律出发,运用的演算或者逻辑的证明,得出特殊事实应遵循的规律,即“从一般到特殊”的逻辑推理方法。演绎推理是一种必然性的推理。只要推理的前提是真实的,推理形式是合乎逻辑的,那么,推理结论也必然是真实的。 演绎推理法在化学热力学方面应用广泛,这个方法的核心在于把三个热力学的基本定律作为公理,将它们应用于各种热力学系统中的溶液问题、化学反应和相变化过程等,通过严密的逻辑推理,得出许多必然性的结论。热力学中定义了一些基

19、本的状态函数(U、S、G),并得到几个表达基本定律的方程式和不等式;但热力学基本定律却不能说明这些状态函数实质是什么,以及为什么有这种关系。所以,在具体运用热力学基本定律于各类问题时,实质是把函数的定义式、表达定律的方程式和不等式用于各类问题,既结合各类问题的特点,给出方程式和不等式中有关物理量的特殊形式,并经过数学演绎就可得到适用某些问题的结论(仍用方程式或不等式表示)。 例如,从热力学第一定律可演绎出反应热效应总值一定定律(即盖斯定律)。从盖斯定律进一步演绎得到种种间接推算热效应的方法。然后,从热力学第一定律可演绎出基尔霍夫定律,以及对于非等温反应求热效应或终态温度的方法。这就是热力学第一

20、定律向热化学演绎的基本过程。2.3科学抽象法 如果说演绎推理法是一种从“一般到特殊”的逻辑推理法,则科学抽象法就是一种从“特殊到一般”的逻辑推理法。科学抽象法是一种与分析和综合有着密切联系的科学认识方法。人们在认识某种客观事物的过程中,对所获得的感性材料进行思维加工,透过现象,深人里层,舍弃它的个别的、表面的和非本质的属性和联系,抽取出一般的、内部的和本质的属性和联系,这就是科学抽象的过程和方法。 例如,物理化学中很多地方用到的“可逆过程”这一重要概念,就是从系统变化过程中抽取出来的过程,该过程是由一系列无限接近于平衡的状态所组成,中间每一步都可以向相反方向进行而不在环境中留下任何痕迹。可逆过

21、程进行是无限缓慢的、时间是无限长的一种理想的极限过程,是“似动非动”的过程,实际过程是只能接近而不能达到它。因此,可逆过程不是真实存在的,是一种科学抽象出来的过程。可逆过程是热力学中一个极其重要的概念,这不仅因为可逆过程与热力学平衡态密切相关,而且只有在可逆过程中,热力学函数才有确定的数值,才能进行计算。我们知道,嫡函数变化值S的计算,离开可逆过程就寸步难行。可逆等温过程中,确定最大功数值,实际过程做的功只能接近它,而不能达到或超过它,这就给实际过程指出一个前进的目标。 又如卡诺于1824年研究热机效率时,科学抽象出来的一个理想循环(卡诺循环),认为热机的本质可以用理想气体四步可逆循环来表示,

22、即由两个等温可逆过程与两个绝热可逆过程组成,这就抛开了工作物质的温度变化以及工作物质和外界进行能量交换等表面现象,抓住了热机工作的本质,以极其简单的形式指出了影响热机效率的主要因素,这是科学抽象在热力学中的又一光辉应用。卡诺循环不仅解决了热机效率问题,而且为很抽象的嫡函数的导出奠定了基础。人们注意到,概念是科学抽象的重要成果之一,理想方法又是科学抽象的一种特定形式,因此科学抽象法常常在概念突破和理想化方法两方面体现。2.4理想模型法 所谓理想模型就是人们在科学实验的基础上运用抽象思维的能力,抛开次要因素,纯化主要因素,建立起一个高度抽象的理想客体,建立这个理想客体的过程与方法叫理想模型法。 理

23、想模型法在化学中有广泛的应用,许多重要的定理、公式都是通过理想模型得出来的。例如,气体中的理想气体,溶液中的理想溶液,固体中的理想晶体,催化中的理想吸附,统计力学中的独立可区分粒子,量子力学中的测不准原理等等,都是理想模型,理想模型法在物理化学中具有十分重要的作用,这些重要作用可表现在三个方面: 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。其实,理想模型是在思维中构思出来的理想的东西,一般不能真实的存在。但这并不排除在某些条件下的实际事物,近似地具有理想模型所具有的性质。在一定的条件下可以近似地将研究理想模型得到的规律直接用于这些实际事物而不会发生

24、大的偏差。例如,研究理想气体模型得到的规律PV=nRT,对于低压下的实际气体可近似地适用而无大的偏差。又如,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的化合物的混合物等,都可近似地适用而无大的偏差。 第二,建立理想模型为研究实际事物(原型)提供了一个比较的标准,从而开辟了研究实际事物的特征和变化规律的途径。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,为适应实际气体对理想气体的偏差,描述实际气体的状态方程式,可以理想气

25、体的状态方程式为比较标准,引人压缩因子Z,使方程式PV=ZnRT适用于实际气体,就是采用的这种修正方法。又如,为考虑实际气体和实际溶液对理想气体和理想溶液的偏差,描述前者的化学势公式,可以后者的化学势公式为比较标准,引人逸度系数和活度系数,仅需将后者化学势公式中的分压和浓度改为逸度和活度,就可使化学势的公式适用于前者,也是采用的这种修正方法。第三,以理想模型为演绎推理的基础,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性原理用卡诺可逆循环过程,利用可逆过程这一理想模型所具有的二重性,即演绎出卡诺定理。然后再通过演绎和分析(其中又用了可逆过程和不可逆过程的特征),终于发现了嫡函数,导出了克劳修斯不等式。将热力学定律用气体、溶液等各种系统的理想模型,可演绎出许多结论、