1、第 11 章 化学与哲学,元素说是人类认识物质组成过程中最早提出的学说，是化学组成理论的基石。,11.1 化学组成,11.1.1 元素说,自然界复杂繁多的万物是否由少数基本物质即元素构成？,Thales：水生万物,万物统一于五行,Empedocles：“四元素”说,上述元素思想虽只是一种主观臆测，但毕竟从物质世界本身出发，具有朴素的唯物主义思想。,17世纪中叶，Boyle R.依靠化学实验研究了组成物质的元素，认为元素是那些原始、简单的物质，从而第一次提出具有科学性质的元素概念，这是近代化学科学诞生的标志。,a. 接受了当时刚刚兴起的微粒哲学，能够用物质微粒及其运动的观点对化学现象做出解释。b
2、. 超出了古代哲学家的思维方式，依靠科学实验剖析物质，进而建立科学的元素观。,时代背景,恩格斯说：“Boyle R.把化学确立为科学” 。,18世纪中叶，Lavosier A. L.在化学实验分析的基础上，确定了Au、Ag、Cu、Fe、Sn等33种简单物质为化学元素，并列出了化学上第一个元素系统分类表。作用：把Boyle R.的抽象元素概念具体化了。,19世纪中叶，Mendeleev依照原子量的变化，发现了元素周期率，把化学元素及其相关知识纳入到一个严整的自然体系，从理论上指导了化学元素的发现工作。,到19世纪末，人类已发现79种化学元素；截至20世纪40年代，已发现了自然界中存在的全部92种
3、化学元素；到1996年，已发现的元素总数达114种。,哲学意义,现代化学元素思想的形成和化学元素的发现，进一步证实了辩证唯物主义自然观的科学性。,自然界中任何物体都由化学元素组成，这体现了辩证唯物主义的物质统一观。,化学元素的发现，使化学知识化繁为简。,火星的土壤由Fe、Si、Ca、Al、S等化学元素组成。,各物质中的元素组成和组成方式不同。,11.1.2 原子分子论,公元前5世纪，Leucippus和Demokritos提出万物都是以间断的、不可分的微粒，即原子构成，原子的结合和分离是万物变化的根本原因。,原子论,元素是以何种方式组成万物的，是连续可分的方式，还是间断的不可分的方式？,古代原
4、子论是在观察自然现象的基础上臆测出的学说，缺乏实验依据。,创举：以氢原子质量为标准，测定了不可见的原子的相对质量，即原子量，为科学原子论的确立奠定了基础。,19世纪初，Dalton J.提出了近代科学原子论。,气体的扩散性、渗透性和压缩性,原子微粒的存在,各种元素化合时质量比例关系的非连续性事实,具有间断性微粒原子的存在,a.,b.,思想：元素是以原子微粒的方式构成的，化学反应的实质是原子间的重新组合。,化学与哲学意义,哲学方面：把古代哲学思辩的原子论思想赋予了可检验的具体属性，使其得到科学实验证明，促进了唯物主义哲学的发展；它从原子量上的差异找到了元素质的差异的根源，运用了量质互变辩证法；化
5、学原子论是一种物质观，为哲学研究提供了新的认识论和方法论：把复杂的宏观现象归结为微观的简单要素的认识方法。,化学方面：把元素和原子两个基本概念联系起来，合理解释了当时几乎所有的化学现象和经验定律。,1811年，意大利化学家Avogadro A.大胆预言了原子复合体分子的存在，提出了阿佛加德罗分子假说。思想：包含在一个单位体积内的气体物质，并不是独立的原子，而是由原子构成的复合体，即分子。该假说缺乏实验证明，19世纪中叶才被提升为分子论。意义：阐明了原子和分子间的联系和差别，认识到原子在化学反应中基本保持不变，即化学反应的实质主要是分子的变化；体现了假说方法的重要性，假说再经纯化、修正，就可构成
6、定律。,分子论,11.2.1 局部的有机物结构,11.2 化学结构,化学结构反映物质分子内部各元素原子的联结方式和顺序，是认识和掌握物质化学性质和化学反应规律的基础。,1861年， yTepoB A. M.提出有机结构学说，指出：分子的性质不仅仅取决于其化学组成即原子的种类和数目，而且取决于其化学结构即原子的结合顺序。意义：阐明了化学现象与本质，宏观现象与微观结构间的内在联系，促进了化学理论的发展。,1864年， 德国化学家Kekul F. A.提出了苯的结构，指出苯中6个碳原子以单双键交替结合成环。花絮：在梦中梦到了此结构。哲学意义：这个梦并非偶然，是认识上的质的飞跃，是一种灵感、机遇，是必
7、然中的偶然，属创造性思维方法。,1916年，德国化学家Kossel W.提出了电价理论，认为分子内原子间由于发生电子转移形成了阴、阳离子，并产生静电引力而结合成分子。同年，美国化学家Lewis G. N.提出共价论进行补充，指出分子内原子也可以通过共享电子对结合，形成稳定分子。弱点：把电子看成静态，未能反映出动态电子的化学键本质，很难解释共价键具有方向性等问题。,11.2.2 分子结构,1927年，英国化学家Heitler W.和London F. W.把量子力学引进化学，讨论了氢分子结构。成键原因：氢原子上电子云分布集中在原子核之间，电子云发生重叠，体系能量降低，从而成键。量子化学的诞生把化
8、学从经验、半经验的科学阶段推进到理论性的科学发展阶段，同时也推进了科学思维方法的发展。,化学移植法,借助其他学科的理论与方法研究化学对象的一种思维方法。,化学演绎法,从科学的一般性认识到化学的个别性认识的一种推理形式，是由一般到特殊的思维方法。,化学分析与综合方法,先把化学事物的整体分解为部分、单元或要素，暂时割裂开来加以考察，然后再把化学分析的结果联结起来，复原为整体认识的方法。,11.3 化学反应,11.3.1 燃烧反应,燃烧反应是人类最早认识的一种化学反应。初期：燃素说（17世纪中叶）。,氧化说的产生,背景：1774年，Prisestley J.（英）用凸透镜聚焦在三仙丹，发现一种使燃烧
9、变旺、使人呼吸畅快的气体氧气。,1777年，Lavosier A. L.（法）进一步研究，发现：,汞煅烧后增加的质量 = 汞渣分解后放出的质量,结论：可燃物燃烧时质量的变化与“空气”有关，而与燃素无关。他把这种“空气”命名为氧气。Lavosier A. L.是真正认识氧气的第一位科学家。意义：氧化说是化学学科中第一个科学的化学反应理论，它以科学实验第一次证明了质量守恒定律，实现了一场深刻的化学革命。原因：a. 运用了科学的思维方法。凡事要从观察出发，通过分析整理事实，再引出结论。任何情况下都要让推理经受住实验的检验；b. 确信自然规律的统一（物理规律与化学规律的统一，质与量的统一）。以量定质思
10、维方法， 体现了辩证唯物论关于物质不灭与量质统一的规律性。,11.3.2 自组织化学反应,对于一个开放的、远离平衡的化学体系，在一定条件下可自发地组织成时间和空间的有序结构，呈现自组织现象。,化学振荡现象,特点：反应中某些组分或中间产物的浓度会随时间、空间发生有序的周期性变化。,KBr + 柠檬酸,硫酸铈盐催化剂,25 oC，远离平衡态,溶液中Ce4+黄色时 而出现，时而消失,保持远离平衡态的方式：不断加入反应物或排出生成物。,在均相和非均相体系中都会产生化学振荡现象。,化学振荡反应表现的宏观有序现象是微观分子运动有序的体现，是亿万分子从无序自发地“组织”起来协同一致动作的结果，它使一些组分的
11、浓度能够在特定时空领域内一致地增多或减少，形成宏观有序结构。,自组织过程,物质世界的一切体系，不论有生命还是无生命，在由低级到高级的进化、发展过程中都存在着这种自组织，这体现了世界的统一性。,化学耗散结构理论,背景：1968年，比利时化学家Prigogine I. R.提出。内容：一个开放体系在达到远离平衡态的非线性区域时，一旦体系某个参量达到一定阈值后，通过涨落就可以使体系发生突变，从无序走向有序，产生化学振荡等自组织现象。产生有序结构的四个必要条件：a. 开放体系,只有开放才能与外界交换物质、能量形成有序结构。外界向体系输入反应物，使体系的自由能或有效能不断增大，即有序度增大（输入负熵）；
12、从体系向外界输出生成物，使体系无效能降低，无序度即熵值降低（输出正熵）。,自组织有序结构也称耗散结构。在非开放体系中不可能形成耗散结构。,可使体系具有足够的反应推动力，推动无序转化为有序，形成耗散结构。利用体系存在的巨大浓度差可推进化学振荡反应的产生，使浓度随时间、空间发生周期性变化。,b. 远离平衡态,非平衡是有序之源。,c. 非线性作用,体系内各要素之间具有超出整体线性叠加效果的作用，这可促使体系产生突变行为和协同动作，从而实现有序。,非线性作用主要体现在化学体系中反应链上的自催化或交叉催化环节。,自催化：某些反应物分子的一个生成物，正是它们自身反应所需的催化剂，这可促使反应速率雪崩式加快
13、。交叉催化：两个不同反应链上的两个产物彼此催化对方的反应。结果：产生一种难以控制的剧变行为。,d. 涨落作用,即体系中温度、压力、浓度等某个变量或行为与其平均值发生偏差的作用。涨落能启动非线性相互作用，使体系离开原来状态，跃迁到一个新的有序态，从而形成耗散结构。,起因：体系内外一些难以控制的复杂干扰因素。特点：带有随机的偶然性。,跨学科的应用,耗散结构理论是一种横跨化学学科及整个自然科学、社会科学的理论。,化学方面：使现代化学研究把注意力从平衡态转向非平衡态，从简单的线性关系转向复杂的非线性关系。社会领域：将社会中各个团体、机构看作是不同层次耗散结构的体系，然后再利用耗散结构理论加以研究，通过
14、形成高度有效的自组织结构，促进整个社会的稳定和有序发展。,传统观念的突破,物理学与生物学规律的统一,1）,热力学第二定律,进化论,孤立物理体系总趋于熵增加的方向，由有序趋向无序，从高级趋向低级，不断退化,生物体系发展方向是从无序趋向有序，从低级向高级，不断进化,二理论并不矛盾！原因：生物体系是一个开放的体系，能够不断从环境向体系输入有效的物质和能量，熵值降低；从而抵消体系内无效能，即熵值的增加，使无序趋于有序。,Prigogine I. R.因提出耗散结构理论而获得1977年的诺贝尔化学奖。,平衡态与非平衡态的并重,2）,无序自发向有序转化,3）,非平衡态是产生自组织有序结构的必要条件。,宇宙万物种种生动诱人的现象绝大多数都处于非平衡态。,从无序到有序是可以自发转化的。转化条件：开放体系、远离平衡态、非线性作用、涨落。在一定条件下，封闭的平衡体系将是自发地从有序趋向无序；在开放的非平衡体系中将是自发地从无序趋向有序。,习题：课后 3. 9.,意义：耗散结构理论第一次全面地掌握了无序和有序之间的双向转化规律，从而揭示了无序和有序转化同体系的封闭与开放、平衡与不平衡等条件的联系，建立了更为全面的自然观和科学观，促进了科学和哲学的发展，有力地捍卫了辩证唯物主义的自然观。,
