吳俊明 李夢雪

摘要： 闡述化學(xué)反應(yīng)的4個基本問題。介紹如下幾種化學(xué)反應(yīng)思維： 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的思維、關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的邏輯思維、關(guān)于化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的思維、關(guān)于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的思維、關(guān)于化學(xué)反應(yīng)演化的思維、關(guān)于化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用的思維。探討化學(xué)反應(yīng)思維的教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)反應(yīng)基本問題; 化學(xué)思維; 化學(xué)反應(yīng)的演化; 化學(xué)教學(xué); 現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)

文章編號： 1005-6629（2021）12-0008-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)反應(yīng)又稱化學(xué)變化。沒有物質(zhì)（實(shí)物材料）及其化學(xué)變化就沒有化學(xué)科學(xué)。從整體上看，化學(xué)的基本問題是物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)問題[1]。物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)都跟物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)緊密聯(lián)系著。因此，物質(zhì)的化學(xué)變化是化學(xué)科學(xué)中最核心的基本概念。關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的思維（“化學(xué)反應(yīng)思維”）始終伴隨并且影響著人們感知、認(rèn)識、實(shí)踐和應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)的全部過程?；瘜W(xué)反應(yīng)思維是掌握化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)科學(xué)的關(guān)鍵，也是搞好化學(xué)教與學(xué)的關(guān)鍵。有鑒于此，本文對化學(xué)反應(yīng)思維作一些粗淺的討論。

1 化學(xué)反應(yīng)的4個基本問題

從根本上說，思維源起于問題，沒有問題就不會發(fā)生思維活動;如果問題欠佳，思維就可能無法正常進(jìn)行或者出現(xiàn)錯誤;問題的質(zhì)量如何對思維水平往往有很大的影響。就化學(xué)思維而言，化學(xué)思維起源于化學(xué)問題;化學(xué)反應(yīng)思維應(yīng)該產(chǎn)生于化學(xué)反應(yīng)問題的解決過程之中。要恰當(dāng)、順利地開展化學(xué)反應(yīng)思維，首先需要恰當(dāng)、鮮明地確定需要通過思維解決的問題。

筆者認(rèn)為，一般說來，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)思維的問題主要是：

（1） 判定化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生和存在的依據(jù)是什么——化學(xué)反應(yīng)有哪些特征？化學(xué)反應(yīng)最基本、最重要的特征是什么？衡量化學(xué)反應(yīng)發(fā)生和完成的基本參量是什么？由化學(xué)反應(yīng)的特征還可以進(jìn)一步派生出怎樣對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行合理分類、化學(xué)反應(yīng)有哪些類型等問題。

（2） 化學(xué)反應(yīng)發(fā)生和存在的條件是什么，其中必要的條件又是什么？

（3） 化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是什么？

（4） 化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理是什么？

這4個問題應(yīng)該是化學(xué)反應(yīng)思維的主干內(nèi)容?；瘜W(xué)科學(xué)的發(fā)展歷史，包含了對化學(xué)反應(yīng)的這4個基本問題進(jìn)行探索、尋求解決的歷史。

還有兩個問題：

（5） 化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)變化）跟物理變化、生物變化等變化有沒有聯(lián)系、有何聯(lián)系？

（6） 從物質(zhì)世界的發(fā)展看，化學(xué)反應(yīng)是如何產(chǎn)生和演化的？

這兩個拓展性問題有助于全面地、完整地認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)和認(rèn)識客觀世界，有重要的認(rèn)識意義。

目前，這6個問題只是得到初步解決、基本解決或者局部解決，同時人們還會不斷地發(fā)現(xiàn)新的具體問題和新的困惑。

至于如何對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行控制、如何對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行應(yīng)用和評價等等，它們是關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的重要問題，但不是化學(xué)反應(yīng)的基本問題，因?yàn)樗鼈兊耐昝澜鉀Q必須以4個基本問題的解決為前提。

2 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的思維

中學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)化學(xué)時就被告知： 一種或多種物質(zhì)變成跟原來不同的新物質(zhì)的變化是化學(xué)變化，沒有新物質(zhì)生成的變化叫做物理變化。怎樣確定是不是生成了跟原來不同的新物質(zhì)呢？教科書中通常用具體的事實(shí)，例如狀態(tài)、顏色、嗅味、晶型以及發(fā)熱、發(fā)光等現(xiàn)象作為依據(jù)來說明。

實(shí)際上，“有或沒有新的物質(zhì)生成”是一個判斷，而不是直接的事實(shí)依據(jù)。而且，狀態(tài)、晶型、顏色等發(fā)生變化以及發(fā)熱、發(fā)光時，相應(yīng)物質(zhì)不一定就發(fā)生了化學(xué)變化，用它們作為判據(jù)并非理直氣壯。由于學(xué)生從日常生活中獲得的經(jīng)驗(yàn)非常有限，教科書這樣處理只不過是一個無奈之舉。為了彌補(bǔ)學(xué)生經(jīng)驗(yàn)不足之困，教師的實(shí)驗(yàn)演示和分析、講解十分必要。

化學(xué)反應(yīng)發(fā)生判據(jù)的思維是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生思維的重要內(nèi)容。

學(xué)生在感知有關(guān)實(shí)驗(yàn)時，要結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察活動依次展開一系列思維活動，主要是：

定向思維活動——明確感知目標(biāo)及其感知內(nèi)容和感知重點(diǎn)。此時，學(xué)生的自覺性、教師的要求與指導(dǎo)以及學(xué)生個體的興趣將同時對學(xué)生的感知和思維活動起調(diào)控作用。

收集、理解活動——根據(jù)確定的感知目標(biāo)、感知內(nèi)容和感知重點(diǎn)，感知和收集相應(yīng)材料;然后，對獲得的感知材料進(jìn)行比較、初步選擇、變換、組合，形成有意義的判斷，達(dá)到初步的局部的理解。

綜合、鞏固活動——聯(lián)系、綜合所有的局部理解，形成對實(shí)驗(yàn)整體認(rèn)識的初步結(jié)論，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形象思維。在這一過程中，學(xué)生主體要對之前形成的各個初步的局部理解進(jìn)行批評、核驗(yàn)、糾正、取舍、更換和補(bǔ)充，才能最終確定具有假說性質(zhì)的認(rèn)識。

運(yùn)用、發(fā)展活動——在新的、更大范圍內(nèi)運(yùn)用上述具有假說性質(zhì)的初步結(jié)論進(jìn)行核驗(yàn)、完善等活動，或者通過跟教科書核對、通過教師評價，確定、完善和發(fā)展實(shí)驗(yàn)觀察及解釋的結(jié)果。

如果學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)思維活動。

3 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的邏輯思維

在化學(xué)反應(yīng)體系中一定有反應(yīng)物和生成物，有時還有催化劑和反應(yīng)物載體;化學(xué)反應(yīng)總有其發(fā)生的條件（包括通常條件和特殊條件）;根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的不同特征可以對化學(xué)反應(yīng)做出不同的比較和分類……這些關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的思維規(guī)律是化學(xué)反應(yīng)的基本邏輯。

在判定發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)后，按照上述邏輯對具體的化學(xué)反應(yīng)開展分析和綜合思維，作出關(guān)于化學(xué)反應(yīng)概念的定義、判斷、推理、分類、限制與概括等運(yùn)作，都屬于化學(xué)反應(yīng)的邏輯思維活動。

除了邏輯思維活動外，還可能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)思維和聯(lián)想思維活動。

4 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的思維

化學(xué)反應(yīng)又稱化學(xué)變化。所謂變化，是指事物在形態(tài)、本質(zhì)上產(chǎn)生不同于先前的狀況。事物原來的形態(tài)、本質(zhì)被新的形態(tài)、本質(zhì)代替往往要經(jīng)歷一系列連續(xù)的步驟，延續(xù)或長或短的時間。這里所說的“一系列連續(xù)的步驟”就構(gòu)成了事物形態(tài)和本質(zhì)的具體變化過程。由此看來，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)可以歸結(jié)為過程，化學(xué)反應(yīng)就是化學(xué)過程，化學(xué)反應(yīng)等同于化學(xué)過程。

化學(xué)過程的決定因素是什么？弄清這個問題有助于進(jìn)一步弄清化學(xué)過程的本質(zhì)。

最初，從波義耳到拉瓦錫都認(rèn)為： 化學(xué)過程是物質(zhì)種類發(fā)生變化的過程，是物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過程，物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)滿足一定的條件就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由此，物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)自然被認(rèn)為是化學(xué)過程的決定因素。但是，當(dāng)時的化學(xué)家們對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)是怎樣具體地影響化學(xué)過程的規(guī)律卻不太清楚。

19世紀(jì)初，貝托雷（C.L. Berthollet， 1748～1822，法）在其論著《親和力定律的研究》和《化學(xué)靜力學(xué)概論》中提出： 化學(xué)反應(yīng)不單要看親和力，更重要的是反應(yīng)中各物質(zhì)的質(zhì)量以及產(chǎn)物的性質(zhì)，尤其是產(chǎn)物的揮發(fā)性及溶解度。他指出，化學(xué)反應(yīng)一方面決定于親和力的大小，另一方面也決定于反應(yīng)物的質(zhì)量;外部條件，首先是溫度，對化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果也有較大影響[2]。他還曾用一系列的實(shí)驗(yàn)來證明他的化學(xué)親和力理論，特別是關(guān)于質(zhì)量效應(yīng)的觀點(diǎn)。后來，人們對化學(xué)過程的研究大體上沿著化學(xué)親和力的影響、反應(yīng)物質(zhì)量的影響、外部條件對過程的影響3條線展開，這種情況跟貝托雷的思路似有關(guān)聯(lián)。

19世紀(jì)中葉開始形成的化學(xué)熱力學(xué)逐步撇開了親和力概念，撇開了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原因這個比較抽象的問題，轉(zhuǎn)向具體地關(guān)注化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的，通過反應(yīng)物和產(chǎn)物的始態(tài)和終態(tài)來說明化學(xué)過程的方向和限度。稍晚開始形成的化學(xué)動力學(xué)則關(guān)注化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在指標(biāo)跟外部條件的關(guān)系，研究溫度、壓強(qiáng)、濃度等因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，尋找對化學(xué)過程進(jìn)行控制的方法。形成了化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)相互補(bǔ)充、為解決化學(xué)過程問題提供理論依據(jù)、“雙龍拱珠”的局面。20世紀(jì)上半葉建立的分子結(jié)構(gòu)理論和活化分子理論使得對化學(xué)過程的研究進(jìn)一步深入到具體的機(jī)理，涉及到反應(yīng)物和產(chǎn)物分子的量子態(tài)，反應(yīng)體系的狀態(tài)也由平衡態(tài)、近平衡態(tài)擴(kuò)展到遠(yuǎn)離平衡態(tài)。

上述關(guān)于化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的思維是從確定化學(xué)過程的決定因素著手的，嗣后，化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)使思維活動轉(zhuǎn)向關(guān)注化學(xué)反應(yīng)是怎樣具體地進(jìn)行的，揭示了化學(xué)過程跟能量、有序性（熵）的關(guān)聯(lián)，分子結(jié)構(gòu)理論和活化分子理論則從微觀角度揭秘了化學(xué)過程的精細(xì)結(jié)構(gòu)，使人們更進(jìn)一步地接近了化學(xué)過程的本質(zhì)。

關(guān)于化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的思維成果主要是： 化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是分子的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)隨著時間延續(xù)發(fā)生變化的過程;化學(xué)過程有其方向、速率和限度，有其途徑和歷程機(jī)理;化學(xué)過程有多種形式，主要是變化過程、平衡過程、循環(huán)過程和演化過程4種類型，等等[3]。

5 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的思維

反應(yīng)物一步直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)叫做基元反應(yīng)，又稱簡單反應(yīng)[4]。基元反應(yīng)沒有任何中間產(chǎn)物，這是判定基元反應(yīng)的準(zhǔn)則。現(xiàn)實(shí)中的化學(xué)反應(yīng)不一定是一步完成的，多數(shù)化學(xué)反應(yīng)需要經(jīng)歷若干個步驟才能完成?；瘜W(xué)反應(yīng)的方程式通常不能說明反應(yīng)的實(shí)際過程。

反應(yīng)機(jī)理又稱反應(yīng)歷程，是用某一化學(xué)變化所經(jīng)歷的全部基元反應(yīng)按照一定規(guī)律組合來描述復(fù)雜反應(yīng)的過程結(jié)構(gòu)以及總反應(yīng)與基元反應(yīng)內(nèi)在聯(lián)系的基元反應(yīng)組合。反應(yīng)機(jī)理應(yīng)能詳細(xì)描述反應(yīng)物每一步轉(zhuǎn)化的過程，包括過渡態(tài)的形成、鍵的斷裂和生成，以及各步的相對速率大小等。完整的反應(yīng)機(jī)理需要考慮到反應(yīng)物、催化劑、反應(yīng)的立體化學(xué)、產(chǎn)物以及各物質(zhì)的用量[5，6]。

從微觀角度看，反應(yīng)物分子一般總是經(jīng)過若干簡單反應(yīng)步驟，才最后轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子。每一個簡單的反應(yīng)步驟，就是一個基元反應(yīng)。

基元反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律符合質(zhì)量作用定律，即： 基元反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度數(shù)值相應(yīng)方次的乘積成正比;其方次即為各物質(zhì)前面系數(shù)，均取正值。例如：

對于單分子反應(yīng)A→產(chǎn)物，對應(yīng)的反應(yīng)速率方程式為： v=k[cA]

對于雙分子反應(yīng)A+B→產(chǎn)物或2A→產(chǎn)物，反應(yīng)速率方程式為： v=k[cA][cB]或者v=k[cA]2

對于三分子反應(yīng)A+B+C→產(chǎn)物，反應(yīng)速率方程式為： v=k[cA][cB][cC]

對于三分子反應(yīng)2A+B→產(chǎn)物，反應(yīng)速率方程式為： v=k[cA]2[cB]

對于三分子反應(yīng)A+2B→產(chǎn)物，反應(yīng)速率方程式為： v=k[cA][cB]2

k為速率常數(shù)，與溫度和催化劑有關(guān)，和反應(yīng)物濃度無關(guān)。

上述計算式是基于硬球碰撞模型推導(dǎo)得到的，并且以活化能只有一個峰值為限定條件。從根本上說，反應(yīng)機(jī)理應(yīng)該以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)。

弄清反應(yīng)機(jī)理，能夠更好地把握化學(xué)反應(yīng)。

6 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)演化的思維

20世紀(jì)20年代后期，愛德溫·哈勃（Edwin Powell Hubble）發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象。20世紀(jì)60年代中期，阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”。根據(jù)這兩個發(fā)現(xiàn)以及其他一些天文觀測資料，許多科學(xué)家都相信，宇宙是由大約137億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的[7]。在大爆炸發(fā)生之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集于一個在空間和時間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)和能量的“奇點(diǎn)”中，“奇點(diǎn)”體積很小、溫度極高、密度極大。大爆炸后，“奇點(diǎn)”快速膨脹，溫度相應(yīng)下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時，化學(xué)元素開始形成;溫度進(jìn)一步下降到100萬度后，早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束?；瘜W(xué)元素的產(chǎn)生和演化使分子的產(chǎn)生和演化，以及化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生和演化有了可能。由此可以推測： 化合反應(yīng)雖然簡單，卻是原始的化學(xué)反應(yīng)的主流類型，因?yàn)樵诖酥坝钪嬷惺菦]有任何分子的。有了化合反應(yīng)，宇宙中才可能有分解反應(yīng)、置換反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)……越來越復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)的出現(xiàn)，表明宇宙中的化學(xué)反應(yīng)有一個由簡單到復(fù)雜的進(jìn)化過程。與此同時，宇宙中的分子也越來越復(fù)雜，越來越多的生命基礎(chǔ)分子和具有生物功能的分子逐步出現(xiàn)，為形形色色的生命的起源逐步做好必要的物質(zhì)準(zhǔn)備。生物和生物學(xué)變化、人和人類社會及社會變化的出現(xiàn)都是在化學(xué)變化之后出現(xiàn)的。宇宙中從簡單分子出現(xiàn)到生命物質(zhì)的分子形成是分子的進(jìn)化過程，伴隨著分子進(jìn)化到一定程度，大量的生物化學(xué)反應(yīng)逐步出現(xiàn)，使化學(xué)反應(yīng)也越來越復(fù)雜，也在進(jìn)化。元素的起源和演化，以及分子的形成和進(jìn)化、化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生和進(jìn)化匯合成了化學(xué)進(jìn)化。整體看來，化學(xué)進(jìn)化是逐步實(shí)現(xiàn)的。徐光憲教授把這個過程分為4個階段： （1）化學(xué)元素的合成階段;（2）星際小分子的合成階段;（3）生物小分子的合成階段;（4）生物大分子的合成階段[8]。這個過程顯示了物質(zhì)由簡單到復(fù)雜、體系由無序到有序的演化趨向。

依據(jù)客觀世界普遍存在的對立統(tǒng)一規(guī)律，矛盾普遍存在，有進(jìn)化就有退化?；瘜W(xué)退化存在嗎？有學(xué)者對此作出了肯定的回答，認(rèn)為化合物的退化和元素的退化是化學(xué)退化的兩個基本過程： 化合物的退化過程就是化合物的分解過程，例如核酸和蛋白質(zhì)的降解、氨基酸和核苷酸的分解，直至簡單的化學(xué)分解反應(yīng);元素的退化就是化學(xué)元素的衰變[9]。（筆者以為，化合物的退化過程應(yīng)該是化合物系統(tǒng)自發(fā)分解的過程，個別化合物的分解似難判定為化合物的退化。）化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是過程，伴隨著化合物退化的化學(xué)反應(yīng)自然應(yīng)該是由有序到無序的化學(xué)過程。研究化學(xué)退化不僅有理論意義也有實(shí)際意義： 生命中物質(zhì)代謝的調(diào)控、免疫化學(xué)、衰老生化、食品化學(xué)與營養(yǎng)化學(xué)、化學(xué)仿生以及有毒有害分子的消除等方面，都是化學(xué)退化反應(yīng)可能的“用武之地”。

化學(xué)退化反應(yīng)不等于化學(xué)反應(yīng)退化。但是，化學(xué)退化反應(yīng)的出現(xiàn)和多樣化，能不能視為化學(xué)反應(yīng)退化的開始或前奏？化學(xué)反應(yīng)會不會像元素演化那樣有一個像“核穩(wěn)定島”那樣的極限？……疑問不少，需要進(jìn)一步關(guān)注和思考。

7 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用的思維

化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用大體上有下列幾種動因：

（1） 利用化學(xué)反應(yīng)獲得需要的物質(zhì)（生成物）;

（2） 利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變或者去除特定的物質(zhì)（反應(yīng)物）;

（3） 利用化學(xué)反應(yīng)獲得（或吸收）熱能以及獲得光能、電能、膨脹功（例如疊氮化鈉汽車安全氣囊）等;

（4） 利用化學(xué)反應(yīng)改變特定的環(huán)境（例如用石灰石粉治理酸性土壤;用臭氧凈化空氣;吸收排氣中溫室氣體的某些措施），等等。

化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用涉及技術(shù)思維。

應(yīng)用的規(guī)模有大有小，大規(guī)模的社會性應(yīng)用會涉及成本思維、社會性思維等。

8 化學(xué)反應(yīng)思維的教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)思維的教學(xué)應(yīng)該是教學(xué)一線的化學(xué)教師發(fā)揮聰明才智和教書育人功夫的生動舞臺和創(chuàng)新天地。在這里，筆者提幾點(diǎn)建議供參考：

（1） 為啟動學(xué)生的思維設(shè)計好問題或問題鏈，設(shè)計好學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù);

（2） 注意抓好以化學(xué)反應(yīng)判斷為核心的化學(xué)反應(yīng)思維發(fā)生環(huán)節(jié)和化學(xué)反應(yīng)邏輯思維環(huán)節(jié);

（3） 最好能以淺顯易懂的方式適當(dāng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)分析和動力學(xué)要素分析的滲透;

（4） 可以結(jié)合適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容滲透化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的思維;

（5） 注意引導(dǎo)學(xué)生開展化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用思維;

（6） 相機(jī)介紹化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)化與化學(xué)退化，介紹化學(xué)在“理—化—生”學(xué)科鏈中承前啟后的戰(zhàn)略地位，以拓寬學(xué)生眼界，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科興趣。

參考文獻(xiàn)：

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