化学认知中的“假说—证明”方法

吴俊明 张燕静

摘要：阐释了假说、证明以及化学科学中的假说、化学科学中的证明;“假说—证明”是化学科学的重要方法，在化学教学中也具有重要的作用。

关键词：化学的“假说—证明”; 化学的“假说—证明”思维; 教学训练

文章编号：1005-6629（2021）08-0009-06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 化学认知中的“假说—证明”

“假说—证明”是一种重要的认知活动，也是一种重要的化学认知方法（“假说—证明”方法常常被简称为假说方法）。“假说—证明”由假说和证明这两个部分组合而成。要了解“假说—证明”活动，需要先分别了解假说和证明。

1.1 化学认知中的假说

假说是出于解决问题的需要，根据某些事实或原理对事物现象及其规律性作出的、有待于证明的猜测性解释和说明。

科学假说是为解释、说明自然、社会、思维等方面的事实、现象，寻找有关规律，或者解答有关问题而提出的初步推测，常常涉及“会发生什么”“可以观察到什么”“产生什么结果”“在什么情况下发生”（或者“在什么情况下可以观察到”）、“为什么会发生”“现象的实质是什么”等问题，是科学探究中最重要的智力活动手段之一。科学假说具有科学性和科学系统性（可归属于科学范畴）、假定性（需要验证或论证）、可证性（否则就无法进行验证、论证）以及推测性、预见性（否则就无法对化学研究起指导作用）等。科学假说必须满足2项要求：一是必须具有可检验性;二是必须具有可证伪性[1]。

科学假说是以一定的事实或原理为基础的。没有事实或原理为基础的假说不是科学假说。

科学假说大体上可以分为解释性假说（理论性假说）、经验性假说（描述性和预测性假说，即关于事实的假说）两大类。依据假说涉及的对象、范畴及其产生的影响，还可以把它分为“常规科学假说”和“革命性科学假说”两类。

科学假说往往有其逐步形成、充实、修正、发展和完善的过程。

化学认知中的假说，即化学假说，是科学假说的一类，可能涉及物质（实物材料）的存在、种属、组成、结构、性质、用途、制取等等。它常常还具有形象性（否则就无法在宏观直至原子、分子等水平上反映实物材料的存在、组成、结构、性质、变化及相应规律）。

假说一般对应于比较重大的问题。跟非重大问题对应的猜测性解释和说明可以称为猜测、猜想（例如本文第3部分的实例2）。

1.2 化学认知中假说的证明

假说是想象的产物，不一定是真实、正确的，只有得到证明或者否证才会具有积极意义。证明、否证分别是根据确实的材料肯定或者否定假说真实性的方法。也就是说，证明的作用是检验假说是否正确，所以，“假说—证明”又被称为“假说检验”。没有经过证明或者否证的假说是没有实际意义的，必须把假说跟其证明或者否证结合起来，形成“假说—证明”过程，假说才成为通向科学认识的“桥梁”，也才能实现认识的飞跃和发展。

因此，完整的假说方法应该包括4个基本过程：

（1） 明确要解决的问题;

（2） 提出假说;

（3） 由假说得出推论;

（4） 验证推论，由此证明或者否证假说。

对化学假说进行证明或者否证有两条路径：（1）利用实验手段来验证或者否证假说;（2）通过已有理论的演绎来论证或者反驳假说。逻辑证明和实践检验是确定假说是否正确的基本方法。其中，实践检验具有根本性，但是实践常会受到某些限制。实行逻辑证明和实践检验相结合是最好的方法。

在假说基本正确的前提下，这两条路径还可能具有对假说进行修正、完善的作用。

化学假说通常通过归纳、类比等非必然性推理形成。它一旦被已有理论演绎证明，就具有了必然性。

假说的提出往往建立在部分事实的基础上，把这部分事实跟形成的可检验推论作为“假说—证明”方法的核心，只突出事实和推理，忽视假说及其证明是不妥的：毕竟事实不等于命题、不等于假说、不能直接进行推理;把事实跟证据等同是不妥的：“证据”是“证明命题或假说的依据”，没有命题或假说，事实就成不了证据。从逻辑学的角度来看，假说是跟事实有关的命题，推理是对命题进行的逻辑操作活动，命题和假说都需要经过证明才能确立;光有假说没有证明的过程不是完整的逻辑过程。假说和证明是整个过程真正的核心。

2 “假说—证明”是化学科学的重要方法

化学科学形成和发展的历史充分说明，“假说—证明”是化学科学的重要方法，它不但在化学科学的形成和发展中一再起到了关键性作用，在化学科学的传承中也是如此。

2.1 化学科学形成和发展中的“假设—证明”

在化学科学的形成和发展过程中，有许多化学家在提出自己的“理论”和猜想时，未能提供足够和有力的证明;虽然这些“理论”在提出之初大多没有冠以“假说”，它们实际上属于假说。这些假说中，有些很快得到证明、被确认为理论（或称为“学说”）;有些直到多年之后，才被证实、被认可为“理论”;还有一些或者无法证实，或者被否证、终被抛弃。例如：

1661年，波义耳（Boyle R.，1627～12691，英）提出的元素假說;

1703年，施塔尔（Stahl G.E.，1660～1734，德）提出的燃素假说;

1732年，波尔哈夫（Boerhaave H.，1668～1738，荷）提出的“化学亲和力”假说;

1755年，布拉克（Black J.，1728～1799，英）提出的“固定空气”（二氧化碳）假说;

1777年，拉瓦锡（Lavoisier A.L.，1743～1749，法）发表的燃烧假说;

1803年，道尔顿（Dalton J.，1766～1844，英）提出的原子假说;

1811年，贝采尼乌斯（Berzelius J.J.，1779～1848，瑞典）提出的电化二元假说;

1811～1821年，阿伏伽德罗（Avogadro A.，1776～1856，意）提出的分子假说;

1814年，盖·吕萨克（Gay Lussac J.L.，1778～1850，法）提出的含氢酸假说;

1815年，普劳特（Prout W.，1785～1850，英）提出的元素由氢原子构成假说;

1829年，德贝莱纳（W. Dbereiner J.，1780～1849，德）提出的“三元素组”假说;

1834年，杜马（Dumas J.B.A.，1800～1884，法）提出的取代假说;

1835年，贝采尼乌斯（Berzelius J.J.，1779～1848，瑞典）提出的催化假说;

1843年，日拉尔（Gerhardt C.F.，1816～1856，法）提出的有机物同系列假说;

1850年，威廉逊（ Williamson A.W.，1824～1904，英）提出的有机化合物的水类型假说;

1852年，弗兰克兰（Frankland E.，1825～1899，英）提出的原子价假说;

1857年，凯库勒（Kekulé F.A.，1829～1896，德）提出的有机物沼气结构类型和碳四价假说;

1858年，凯库勒等提出的碳链假说;

1861年，布特列洛夫（Бутлеров А.М.，1826～1886，俄）提出的有机物结构假说;

1862年，格雷阿姆（Graham T.，1805～1869，英）提出的胶体假说;

1864年，古尔德贝格（C.M. Guldberg，1836～1902，挪）和瓦格（P. Waage，1833～1900，挪）提出的质量作用定律假说;

1869年，门捷列夫（Дмитрий Иванович Менделеев，1834～1907，俄）提出的元素周期律假说;

1874年，范霍夫（J.H. vant Hoff，1852～1911，荷）和勒贝尔（J.A. Le Bel，1847～1930，法）分别提出的碳原子价键的四面体构型假说;

1884年，勒夏特列（H. Le Chatelier，1850～1936，法）提出的化学平衡假说;

1887年，阿累尼乌斯（S. Arrhennius，1859～1927，瑞典）提出的电离假说;

1889年，阿累尼乌斯提出的活化分子和活化能假说;

1893年，维尔纳（A. Werner，1866～1919，瑞士）提出的络合物配位假说;

1902年，卢瑟福（E. Rutherford，1871～1937，英）提出的元素蜕变假说;

1906年，费歇尔（Emil Fischer，1852～1919，德）提出的蛋白质多肽结构假说;

1910年，索迪（F. Soddy，1877～1956，英）提出的同位素假说;

1911年，卢瑟福提出的原子结构假说;

1916年，柯塞尔（W. Kosssel，1888～1956，德）和路易斯（G.N. Lewis，1875～1946，美）分别提出的电价假说和共价假说;

1929年，德拜（P. Debye，1884～1966，荷）提出的极性分子假说;

1930年，范德华（J. van der Waals，1837～1923，荷）提出的分子间作用力假说;

1931年，鲍林（L. Pauling，1901～1994，美）和斯莱特（J.C. Slater，1900～1976，美）提出的杂化轨道假说……

就它们在化学科学形成和发展中的影响而言，拉瓦锡的燃烧假说;道尔顿的原子假说;阿伏伽德罗的分子假说;凯库勒、柯尔柏和布特列洛夫的有机物分子结构假说;门捷列夫等人的元素周期律假说;阿累尼乌斯提出的电离假说;卢瑟福的原子结构假说;柯塞尔、路易斯的电价、共价假说;范德华的分子间作用力假说;鲍林和斯莱特的杂化轨道假说等，堪称为化学史中的十大科学假说，可以作为认识、了解“假说—证明”方法的素材。

2.2 化学科学形成和发展中的“假说—证明”方法例说

历史事实表明，化学的许多理性认识的形成都依赖于“假说—证明”活动，“假说—证明”思维在化学科学形成和发展中多次起到了关键作用。为具体地了解化学科学中“假说—证明”的过程和特点，现概述两个例子供读者参考。

例1 道尔顿原子理论的确立[2～5]

古希腊哲学家德谟克利特（约公元前460～公元前370）认为，物质由极小的微粒——“原子”构成，物质只能分割到原子为止。这种臆测性的自然哲学观点在人类历史中延续了很长时间。例如，17世纪时著名的英国科学家牛顿仍然认为原子是物质的最小单位，且用原子间作用力来解释化合、溶解、金属置换、金属溶解于酸、盐与酸发生复分解反应、火药爆炸以及气体体积与压力成反比等化学和物理现象。牛顿的这些觀点没有实验事实证明。

道尔顿从1787年开始业余从事气象的观察和研究长达57年之久，先后研究过蒸汽压、混合气体分压、气体扩散、空气组成等问题。他曾经特别注意如何解释两种或两种以上气体混合后会变成一种均匀的气体这个问题。

1803年，他根据气体受热时膨胀，升压、冷却时收缩或降压等现象以及查理定律（气体体积随温度升高而膨胀），把气体微粒间的排斥力解释为热的作用。他描绘气体原子的周围被一层“热氛”笼罩，因而相互产生排斥力。温度越高，“热氛”就越多，相互间的斥力就越大。不久之后，道尔顿发表了有关论文，其要点是：

（1） 元素的最终组成称为简单原子，它们是不可分割、不可见的;在一切化学变化中保持其本性不变;既不能创造也不能消灭。

（2） 同一元素的原子，其形状、质量及各种性质都是相同的;不同元素的原子在形状、质量及各种性质上各不相同;每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。

（3） 不同元素的原子以簡单数目比例相结合，就形成化学中的化合现象;化合物的原子是复杂原子，其形状、质量和性质必然相同。

道尔顿指出了每种化学元素以它们的原子质量为其最基本的特征（这是道尔顿原子论跟牛顿原子论的重要差别），被后来的化学元素周期律进一步证实，也为化学的发展提供了理论基础。

道尔顿的原子假说使当时一些化学基本定律得到了统一的解释，说明了各种化学现象和各种化学定律间的内在联系，很快被化学界接受和重视。

道尔顿为什么能够建立科学的原子假说？一个重要原因是他以事实为基础：他曾经通过实验分析过许多地区的空气组成。运用这方面的经验，他分析了甲烷和乙烯两种气体的组成，发现甲烷的氢/碳比是乙烯的2倍，还发现其他一些化合物也有类似现象。例如：在黑色的氧化铜中，按重量计算，总是20份氧跟80份铜化合;而在红色的氧化铜（实为氧化亚铜）中则是11份重量的氧跟89份重量的铜化合。若同是跟20份重量的氧化合，红色氧化铜中铜的重量是黑色氧化铜中的2倍;再如，在氮的氧化物中，跟相同重量氧化合的氮的重量也有简单整数倍数关系！他在实验基础上发现了倍比定律，发现只有用他的原子假说才能很好地解释倍比定律;否则的话，在不同化合物中，元素含量之比绝不会恰巧都为正整数。他自我辩解：“有些人把我的原子理论叫做假说，不过，请相信我的话，我的原子理论是真理。我所得到的全部实验结果，使我对这一点深信不疑。”道尔顿还进一步想象到：不同元素的原子应该有不同的大小和质量。他根据当时已经发现的当量定律认为原子的相对质量是可以测定的，并且以氢的原子质量为1，测出了20种不同元素的相对原子质量，制定了世界上第一张原子量表。

尽管道尔顿当时测定的原子量很不准确，然而这是一个创举。尽管道尔顿的原子论含有一些错误，但是其后化学科学近3个世纪的发展已经证明道尔顿原子论的基本假定是正确的。他所说的“热氛”，实际上跟原子的热运动有关……他为科学的原子论奠定了基础，功绩永存。正如恩格斯所说：“化学中的新时代是从原子论开始的，所以近代化学之父不是拉瓦锡，而是道尔顿。”

例2 阿累尼乌斯电离学说的建立[6～9]

1800年伏打电池研制成功、随后尼科尔森（W. Nicholson，1753～1815，英）和卡里斯尔（A. Carlisle，1768～1840，英）实现了水的电解，使许多科学家对电解与导电度的实验研究产生了极大的兴趣，对水溶液导电性和电解的研究步步深入。当时的科学界普遍认为：只有存在外加电压时电解质才会离解成正离子和负离子。例如，1805年，格罗特斯（C.J.D. Grotthuss，1785～1822，德）在解释水的电解机理时指出：在电流作用下，水分子变为带负电的氧原子和带正电的氢原子。

由于对上述观点产生了怀疑，阿累尼乌斯开始了一系列实验探究。从1882年到1883年冬季，阿累尼乌斯测定了各种酸、碱、盐的稀溶液的导电度。1884年，他根据实验结果写成了第一篇论文“电解质的电导率研究”，其中指出：对极稀薄的盐类水溶液来说，在其他条件不变的情况下，导电度与浓度成正比;溶有两种盐类的稀薄溶液的导电度，等于这两种盐在相同浓度时的导电度之和。

上述实验结果可以对溶液中电解质的状态做出怎样的判断？在反复思考和大胆想象的基础上，阿累尼乌斯随即又写出了第二篇论文“电解质的化学理论”，介绍了他的电离假说。其要点有：

（1） 在某水化物（指可溶电解质）的水溶液中，除水之外，由两种成分组成，即具有活性又有电解性的成分（指电离后的产物）与无活性也无电解性的成分（指未电离的电解质）。水、活性水化物与非活性水化物这3种成分在稀释过程中以活性部分增长、非活性部分减少来达到平衡。

（2） 一种电解质的活度系数是电解质中实际存在的活化分子数与该电解质完全变化为活化分子时所存在的活化分子数之间的比值。

（3） 酸的活性系数越大，酸性越强;碱也类似如此……溶剂量无限大时，盐能被完全活化（离解）。

（4） 电解质能以活性和非活性两种不同形式来表现，因而活性部分是在同一外因条件（温度与稀释度）下，总是形成电解质全量的一定分数值，这就是关键。活性部分是导电的，实际上是电解质，非活性部分则不然……

阿累尼乌斯的论文受到质疑，评价一度极低。一些化学权威认为这篇论文缺乏依据，还有常识性错误。例如，食盐是一种稳定的化合物，论文中却认为它溶解于水时被分解为钠和氯气，钠可是能跟水剧烈反应的，氯气是黄绿色的、有刺激性气味呢，这个推断不符合实际情况……当时的化学界对阿累尼乌斯的假说普遍持怀疑态度。

不久，奥斯特瓦尔德（F.W. Ostwald，1853～1932，德）在研究乙酸甲酯水解和蔗糖转化问题时发现：有机酸和盐酸在没有外部电力作用时都含有不同浓度的氢离子，与阿累尼乌斯电离假说一致，可以作为这个假说的旁证。1886年，阿累尼乌斯发现：把等量的盐溶解在不同量的水中时，溶液越稀，分子电导越大，表明电离度越高;到无限稀释时，溶液的分子电导达到最大值，可以认为这时全部电离。

早在1788年，英国物理化学家布拉格登（C. Blagden，1748～1820，英）就发现食盐、硝酸钾、氯化钠、酒石酸钾钠等溶液的凝固点降低值简单地依赖于盐和水的比例;如果几种盐同时溶在水中，凝固点的降低值具有加和性（布拉格登定律）。1885年，范霍夫根据他的研究指出：酸、碱、盐溶液中的溶质粒子似乎要比同摩尔浓度的有机物溶液中的粒子多。1887年，法国化学家拉乌尔（F.M. Raoult，1830～1910，法）在研究了水溶液和非水溶液蒸汽压降低问题之后，发现各种溶液的相对蒸汽压降低值跟溶质的分子分数成正比、跟温度无关（拉乌尔定律），并发表了由热力学推导出的凝固点降低公式和沸点升高公式，两者都正比于溶质的摩尔分数。这些研究成果对阿累尼乌斯的电离假说是有力的支持。阿累尼乌斯指出：凡是不遵守范霍夫的凝固点降低公式、沸点升高公式和渗透压公式的溶液显然都是能够导电的酸、碱、盐电解质溶液，在这些公式的右边都要乘上范霍夫提出的系数i（i>1），才能符合实验结果，这正是电离使溶液内溶质粒子增加造成的结果。如果一个分子离解为n个离子，则i=1+（n-1）α。阿累尼乌斯利用他人以及自己测定的电导数据计算α值，所得的i值跟实验所得的i值符合得很好，通过两个完全不同的途径和方法得到相同的i值，有力地证明了电离假说的正确性。1887年，阿累尼乌斯发表论文“论水溶液中物质的电离”，全面地阐述了电离学说的基本内容。自此，阿累尼乌斯的电离假说正式成为阿累尼乌斯电离学说。

3 “假设—证明”方法在化学教学中也具有重要的作用

“假设—证明”方法在化学教学实践中也具有重要的作用，下面介绍两个实例。读者不难通过分析和思考得出上述结论。

实例1 用“假说—证明”方式进行“弱电解质的电离”教学

“弱电解质的电离”教学涉及弱电解质概念、电离平衡移动和电离常数，是研究电解质溶液、学习电化学知识，进行后续学习的重要基础。同时又是对先期所学化学平衡理论进一步延伸、拓展和巩固的重要题材。由于涉及到物质微粒的荷电现象、物质微粒的动态运动，无法直观、比较抽象，它不但是中学化学的重要内容，又是高中化学的难点内容。

在其教学中通常先通过实验和讨论让学生认识到不同电解质的电离程度强弱不同，因而电解质有强弱之分，进而形成弱电解质概念。为了使学生形成弱电解质电离平衡、电离平衡移动和电离常数等概念，还需要引导学生认识到“不同弱电解质的电离程度也有区别”以及弱电解质电离的特点、建立弱电解质电离及电离平衡假说并予以证明。为此，需要引导、组织学生尝试根据化学平衡移动规律预测弱电解质电离平衡移动现象，想象弱电解质电离及其平衡移动的微观图景并且用实验进行检验……，才可能最终确立关于弱电解质电离的理性认识。教师组织学生利用数字pH计测定并比较三种浓度盐酸与醋酸的pH，以及未知酸的pH，对实验数据进行电解质的强弱之分、强弱电解质的差异、同为弱电解质的醋酸与未知酸的差异3个层面的分析，然后进行讨论，应用“假说—验证”方法较好地进行了“弱电解质的电离”教学[10]。

实例2 通过“假说—证明”活动尝试解释异常现象

往二支相同的试管中各加入一片铝片（纯度高于99.5%且大小相同），再分别加入等体积的3mol/L HCl和1.5mol/L H2SO4，实验结果如表1所示：

学生发现，虽然都是Al和H+反应，且H+浓度相同，却产生了不同现象。为什么会这样？如何解释这个现象？

为解决这个问题，教师和学生通过讨论共同确定并关注了两点：第一，铝的表面有一层致密氧化铝保护膜;第二，酸溶液的阴离子不同，一个是Cl-，另一个是SO2-4。在此基础上以猜测形式提出两个假说：（1）Cl-能促进Al与H+的反应;（2）SO2-4不会促进Al与H+的反应。

为检验这两个假说，教师和学生又做了下面两个实验：

实验一：将一铝片放入3mol·L-1HCl中，产生大量气泡;再加入1.4g Na2SO4晶体（约0.01mol），产生气泡的速率无明显变化。

结论一：SO2-4不会促进，也不会阻碍Al与H+的反应。

实验二：将一铝片放入1.5mol·L-1 H2SO4中，无明显现象;再加入0.5g NaCl晶体（约0.01mol），几分钟后有大量气泡产生。

结论二：Cl-能促进Al与H+的反应。

综合结论：由于Cl-能促进Al与H+的反应从而破坏铝片表面的氧化膜，使H+直接与Al反应生成H2，而SO2-4不能促进Al与H+的反应，不会破坏铝片表面的氧化膜，所以铝片在稀盐酸中能够迅速产生氢气，而在稀硫酸中却看不到明显现象。

严格地说，上述结论二还是假说，还需要进一步证明，特别是理论的支持。一些研究者发现：在某些环境下，许多金属的表面能够形成具有防腐蚀效果的钝化膜。然而，当有氯离子存在时，钝化膜会破裂发生点蚀，使钝化膜对材料的保护作用失效，表现出氯离子对钝化膜有活化作用[11]。这是可以支持结论二的。但是，氯离子的“活化”机理很复杂，有着不同的“理论”。例如，有人认为氯离子是阳极过程的强活化剂，而不是着眼于钝化膜[12]。这些“理論”还有待于进一步证明，未完全摆脱假说性质。

参考文献：

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[12][苏]Н. Н. 毕毕柯夫等著. 《海船电化学保护》翻译组译. 海船电化学保护[M]. 北京：国防工业出版社，1975：10.