浅谈化学理论与化学实验

邓耿 孙海源

摘要： 阐述科学理论中理论与实验的关系，分析化学史上理论与实验相互交错、彼此共进的历程，对当代化学理论与实验的发展现状作了描述。同时，结合若干中学化学教学案例，对如何在教学中处理好理论与实验的关系进行了探讨。

关键字： 化学理论； 化学实验； 化学发展史； 化学教学

文章编号： 1005-6629（2018）4-0094-03 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

一般中学化学课本中都会把实验放在化学教学的基础地位。例如人教社的高中教材《化学1（必修）》就把“从实验学化学”作为全书第一章，并在压题文字中这样论述道：“化学是一门以实验为主的自然科学。科学规律是通过对自然现象的发现、探究和反复验证形成的。化学研究主要用的是实验方法，所以，学习化学也离不开实验。[1]”对于教材的这种表述，我们应有正确全面的理解。

1 理论与实验的关系

科学采用可证伪的逻辑方法研究知识，把我们的认识上升为逻辑和规律。科学的内容总是包括来自直接认识的知识（实验）和来自系统总结的知识（理论）两大部分，后者来自对前者的正确归纳，又可以演绎地得到前者，并对未知知识给出可证伪的预言。科学发展的过程一般是从实验得到知识，对知识进行正确归纳得到理论，再由理论指导实验发现新知识。这也是英国哲学家培根从十七世纪建立至今的传统科学方法[2]。

由此可见，化学作为科学的一种，自然应当重视实验，但也同时应当重视理论，并关注如何从实验得到理论，以求得科学知识的系统发展。如果过分强调实验的基础地位，忽视理论，就会陷入经验主义的错误中。事实上，今天化学家们已经不仅仅靠实验来发展化学了，2017年12月，张希院士在第31届中国化学奥林匹克（决赛）暨冬令营上的讲话中指出，“化学不再只是实验科学，实验、理论和计算成为了化学发展的三大支柱”。其中，实验化学包括了传统的无机、有机和高分子（超分子）化学研究的范畴；理论化学则主要指的是物理化学及其在无机、有机和高分子领域的应用；而计算化学则是利用量子力学、物理化学等基本原理对实际体系进行模拟和计算，成为沟通实验与理论的工具。在今天主流的化学研究工作中，实验、理论与计算三种研究方法已经相互渗透、相互促进，共同为化学进步服务。

从化学史的发展来看，实验与理论的关系始终是相互交错、彼此共进的，在不同的历史阶段，有时候是实验占据了研究的主流，有时候是理论引领了化学发展的方向。化学历史上的科学革命，都是由实验催生理论、理论反过来指导实验，二者共同推动的结果。这也符合人类认识自然的一般规律。例如拉瓦锡的氧化理论，来自他对燃烧实验的精密研究，同时也得益于他前期发现的质量守恒定律，以定量实验无可辩驳地否定了燃素说，开启了现代化学的新篇章。又如二十世纪以来量子化学的大发展，来自于光電效应、氢原子光谱等物理实验观测结果，引发物理学家对量子力学基本原理的深入研究，这些结果被化学家应用于化学结构，成为现代化学理论和实验的基础。

新原子论的建立与完善，很好地说明了理论与实验之间相互推动的关系。十九世纪初的化学界，初步明确了元素的概念和质量守恒定律，道尔顿在化学元素和质量守恒定律的基础上，总结大量实验事实，指出元素在化合物中是以固定组成比相互化合的，因此说明微观上应当存在着各自不同的原子，并且原子间的组合具有固定的数目，即化合价。新原子论将化学从半定量的时代带入到定量实验的时代，催生了一大批元素和化合物的发现，并推动测定了最早的一批原子量数据。但当时人们对分子尚未有较为清晰的认识，尤其是不能理解诸如氢气、氧气、氮气这样的气体双原子分子，导致在蒸气压和原子量测量上长期存在错误（例如氧的原子量曾被定为8倍）。

1811年，阿伏伽德罗在盖-吕萨克的气体定律基础上提出分子假说，完善了新原子论，解决了原子量与气体定律不相符合的问题。但在它提出时却没有得到主流化学界认可，其中一个重要的原因是当时化学界受到电化二元论的影响，认为同种原子带同种电荷，不能形成多原子分子。同时，针对砷、锑、铋蒸气的实验说明这些单质以单原子分子形式存在，不能正面支持阿伏伽德罗的假说。直到1860年，康尼查罗在卡尔斯鲁厄召开的国际化学会议上发布了自己的论文，系统总结了过去半个世纪的实验和理论，证明阿伏伽德罗的理论是正确的，才使得分子假说被化学家广泛接受。

回顾上述历史，不难看出化学理论建立在对实验事实的系统总结和思考基础上，同时又推动了实验事实的积累与发展。但实验与理论的发展并不是线性进步的，而是螺旋前进的。一方面，实验是检验理论的最终标准，不成熟的理论（如电化二元论）在发展的过程中逐渐被扬弃，成熟的理论（如分子假说）终将被接受。另一方面，由于一定阶段实验事实积累总是有限的，而指导实验的理论尚不成熟，有时实验对理论发展也具有反作用，例如上文中提到的单原子蒸气实验阻碍了分子假说的推广。因此，不能简单地说“实验是检验理论的唯一标准”，而要说“全面完整的实验事实是检验理论的唯一标准”，同时也要补充“正确的理论是指导实验的必要条件”。

2 化学理论与实验的发展现状

依照化学的研究内容，化学的理论部分应当包括物质组成理论、物质结构理论、结构-性质关系理论和化学反应理论。在现代学科体系中，处理这些学科还包括结构化学、化学热力学、化学动力学等学科。当代以来，化学理论的发展略显落后于实验的进步，这一现象有着多方面的成因。

一般而言，对基础理论的消化需要时间，例如量子力学建立的原理很基本，但利用它求解复杂体系很困难，需要很多时间探索，从对最简单氢分子离子H+2结构的量子化学描述（1927年）到实现生物大分子结构的量子化学描述用了超过半个世纪的时间。另一方面，新理论的发展依赖于研究者对数学、物理学的方法和化学自身的问题都要有深刻的认识。在当代学科分野日益深入的环境下，理论创新的难度在增大。这是理论变革一般不能连续进行的主要原因。

理论发展的滞后带来一系列现实问题。从空间尺度上看，今天的化学对分子及其结构认识已经比较完善，但对于分子间、大分子、超分子和纳米尺度上的物质结构认识还很肤浅，尤其是对介观尺度上物质间相互作用和组装的基本规律还没有形成系统性理论。在更大的尺度上，对非晶体、液体结构认识还不清楚。而上述问题原本是超分子化学、纳米化学、表面化学、溶液化学等学科的基本问题，如果没有对这些问题的系统解决，就不能从根本上改变这些学科严重依赖实验探索、理论指导实践能力不足的现状。

从时间尺度上看，受制于对分子运动和分子所处环境运动（扩散、分离与碰撞）的不够了解，传统唯象理论和统计理论都不够完善，对于化学过程时间尺度的从头预测精度还不能与热力学平衡（能够准确从量子力学和统计力学出发计算）相比。更进一步地，化学热力学与动力学之间的理论关联还不够紧密，能够同时处理含时与不含时问题的统一理论尚未建立。时间是化学变化不可忽略的变量，但在化学过去发展历程中取得成功的平衡态物理化学不能很好地处理含时问题。如何更好地处理非平衡、非经典的实际化学过程中含时问题，也是化学研究中重要的课题。

理论与实验发展的不均衡、不匹配，是科学发展中的常态，也是新的科学机遇。它提示我们在化学未来的发展中需要有更多工作关注实验与理论的联系，推动实验事实向理性知识转化，完成科学体系的进步。

3 化学教学中的理论与实验关系

在中学化学的教学过程中，实验与理论是互相辅助、螺旋上升的关系。一方面，对于刚开始接触化学的学生来说，化学理论是抽象的、不鲜活的，实验可以帮助学生更好地学习理论知识，亲自经历化学所关注的过程。将实验结果通过自己的行动一步步呈现出来的过程通常是有趣的，而且能够充分调动学生的积极性，使得他们产生“责任感”，对自己亲自参与制作的“产品”，也更有探索的欲望。

另一方面，在实验的过程中，新的问题会自然而然地浮现出来，或者由教师在合适的时机予以引导而发现。这些问题源于实验，其解决方案需要我们回归化学理论。这两种方法在实际的教学过程中都是有效的。

在理论教学之前，可以设置一些探究性的小实验供学生选择，比如硫酸铜晶体的制备、弹性硫的制备、水中花园的制作等等。有的学生对硫酸铜晶体的制备感兴趣，甚至计划制作一枚“心型”的晶体，实验结束后，他们发现虽然制作过程不一样，但硫酸铜晶体的形状却是一致或者高度近似的，制作“心型”晶体的计划失败了。对这个现象的讨论，就要回归到晶体相关理论的学习中来。

有的小组选择了水中花园的制作，通过查找相关资料，他们发现水中花园的形成与渗透压有着一定的关联，而通过微粒观念，是可以定性解释渗透压出现的原因的，这在介绍离子概念的时候也有所涉及。实际上，阿仑尼乌斯的电离理论就与渗透压有着紧密的联系。

理论的学习也可以帮助学生更好地设计实验和改进实验，进而完成对理论的深化。在水的电解实验中，学生通过水的电解实验，观察到了水电解形成两种气体的实验现象，并且确认正极产生了氧气而负极产生了氢气。在实验结束的时候，有的学生将这个实验现象与化学中的分子热运动理论、水的化学组成联系在一起，提出了如下的问题： 正极产生了氧气，那么在氧气产生的一瞬间，水分子中的“氢原子”以什么形式存在呢？

经过思考，他们认为，即使“氢原子”跑去了负极产生了氢气，但是由于单个水分子很小，不能同时接触正极和负极，而且微粒的運动不能无限快，所以单个水分子不可能同时在正负极形成氢气和氧气。借助于教师提供的额外资料，学生改进了电解水的实验，通过电解含有酚酞的硫酸钠溶液，验证了负极生成了OH-。这一结果使得学生对电解水的过程有了进一步的认识，也为后面更好地学习电解理论知识做了铺垫。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心编著.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）（第一版）[M].北京： 人民教育出版社， 2004.

[2]Bacon， F.许宝骙译.新工具[M].北京： 商务印书馆， 1984.