寻找化学研究课题的途径
化学先生 / 2019-08-08
寻找科研课题的具体方式很多,如查阅文献、请教名家、同行讨论、到有关部门进行调查、深入生产实际了解情况等。一般从方法论上看,寻找化学研究课题有如下一些参考途径。
1.探究原因。
人们在各种实践中可以获取感性化学经验材料。这些经验材料所反映的是化学变化的现象。如果对这些现象之间的联系或背后原因进行思考,往往可能找到有意义的研究课题。
18~19世纪的化学实验,使绝大部分化学元素被发现,同时·这些元素的性质得到了较系统的研究。德贝莱纳、培顿科弗、格拉斯顿、库克、欧德林、尚古多、迈耶尔、门捷列夫等人,从不同角度探索这些元素间是否存在某种联系的问题,最后由门捷列夫和迈耶尔找到了元素间的联系,发现了化学元素周期律。
又如,化学实验发现乙酰氯中的氯和乙基氯中的氯存在着很大差别。马可夫尼可夫发现传统的结构理论没有注意这个问题,便把它作为重要课题进行研究,经过一系列研究工作,提出了马可夫尼可夫规则。
近现代的实验结果表明甲烷(CH)为正四面体结构,但基态的C原子只有两个未成对的p电子。何以理解C原子与H原子形成CH4的原因呢?为了回答这个问题,饱林和斯勒特提出了杂化轨道理论,促进了现代化学键理论的发展。
对实验结果进行分析整理,有时候可以获得一些新的化学认识,从而找到这些实验结果遵从的经验规律。如果再进一步寻找这些经验规律背后隐藏的更深刻的原因,也可能提出一些重要的研究课题。
例如,18世纪末、19世纪初,道尔顿在对气体进行研究中发现了气体分压定律之后,他又寻求这个定律的解释,这种研究就导致他的原因论思想的产生。他不仅用原子论解释了分压定律,还解释了定比定律,并且得出了倍比定律,从而使他成了“近代化学之父”(恩格斯:《自然辩证法》)。
又如,玛丽·居里(M. Curie,1867~1934)和居里(P. Curie,1859~1906)发现钋和,就是选择了著名的贝克勒尔现象作为研究课题,贝克勒尔现象实际上是物质的天然放射性,当时不知其原因,贝克勒尔(A.H. Becquerel,1852~1908)曾征求专家解决和解释其机理。玛丽·居里勇敢地选择了此课题,经四年努力,终于在沥青矿中提炼出新元素钋和镭。此课题使居里夫人两次荣获诺贝尔奖。
2.寻找不足。
人们对于事物规律的认识,一般不是一次完成的。研究初期提出的理论往往有待发展,早期进行的实验大多需要改进。如果对较早的工作进行分析,找到了其中的不足之处,也就找到了改进、拓展或者发展这些工作的研究课题。
氢分子是最简单的电中性分子,研究它的结构具有基础性的意义。1927年,海特勒和伦敦用变分法求解氢分子的薛定调方程,得到了氢分子的结合能De=3.14eV,与实验值4.72eV相差较大。后来,化学家们就是从这个差别中找到了改进计算方法的课题。围绕这个课题,不少人都做了工作。193年,詹姆斯( James)和库立奇( Coolidge)得到了与实验值几乎完全一致(De=4.70eV)的结果,但所用变分函数中含有的参数多达13个。此后,简化计算又成为一个重要的课题。到20世纪50年代,徐光宪等人采用分子轨道构型叠加法,用3个参数得到了与实验值较接近
的计算值(4.08eV)。
又如,用 Kishner- Wolff还原法将类或開类还原为次甲基时,要用封管和难以制备且价格昂贵的无水合肼。采用此法时,极少量的水还会引起副反应。化学家们也是从这个不足之中找到了改进的方法。黄鸣龙改进法正是对这个课题进行研究的结果。
3.揭露矛盾。
科学研究中,问题就是矛盾,矛盾也就是问题。由于化学研究对象的复杂性和人的认识的曲折性,化学发展过程中,不可避免地会出现一些错误的学说和错判的实验现象。在研究中,揭露这些问题和矛盾,可以提出新的研究课题18世纪,拉瓦锡把大量精确的实验材料,尤其是氧的发现和金属般烧实验联系起来,系统分析了燃素说与这些实际实验材料之间的矛盾,给自己提出了重建燃烧
学说的重大课题,经过努力,建立了氧化燃烧说,完成了化学上的一场革命。
1799年,普卢斯明确提出定比定律,贝托雷以溶液、合金、玻璃及一些金属氧化物和盐基性盐类的组成比例作为论据,认为这个定律不成立。普卢斯分析了贝托雷见解中的矛盾,首次把化合物与混合物的概念明确区别开来,进一步论证了定比定律的正确性。
4.检验成果
学说的真理性不仅反映在它的“解释能力”上,还反映在它的“预见能力”上:实验结果的可靠性,不仅取决于完成实验的方法和仪器,还取决于它能否被他人所重复。对理论解释能力和预见能力的研究,对实验的重新检验和重复,也可成为重要的研究课题
拉姆塞从细节的牙盾人手,发现了和氯之后,认为周期表应补充新的一列,并据此预言了其他情性元素的存在。为检验拉姆塞的补充是否正确,寻找新的情性元素的课题就被提出来了。经过化学家的努力,氮、氖、缸陆续被发现,证实了拉姆塞的看法1925年,诺达克(W. Noddack)和塔科( I. Tacke)通过分析事威产的铌铁矿石,宣称他们发现了第43号和第75号元素,并将它们分别命名为" Masurium”"(Ma,)和“ Rhenium"(Re,)。他们因此获得了李比希奖章。这个发现的成果是否可靠?重复检验就成了新的研究课题。后来经一些科学家研究,肯定了他们对于铼的发现,而否定了所谓钙的存在,显然,通过检验,无论对他们的结果是肯定还是否定,对于化学的发展都是有意义的。
5.逻辑途径。
化学发展过程中,少不了逻辑自治的追求。逻辑自治要求不仅可以使化学趋向形式上的完美,而且还能引起一些实质性的进展。逻辑自治要求是寻找研究课题的重要途径。
20世纪60年代以前,配位场理论的研究取得了许多重要成果,但是从逻辑严整性要求上看,这个理论方法还不够完善,20世纪60年代,唐数庆及其研究集体在这方面开展了一系列工作,通过引进一类新的偶合系数,沟通了连续群与点群、高对称点群与低对称点群之间的联系,使配位场理论的计算标准化,并建立了分子亮模图2-4英比乌斯所带型,从而统一了计算方案,使配位场理论方法在逻辑上更为完备严整。
1858年,拓扑学家莫比乌斯(A.F. Mobius)构想出一个单侧曲面。这个曲面系指将一条纸带的一端扭转180后粘到另一端上所形成的一种几何形状,此模型被称为“莫比乌斯带”。它有两个重要的特性:如果一只蚂蚁在上面爬,不必翻越带子的边缘,里外都可以爬到;如果沿与带边平行的中线将带剪开,得到的不是相等的两个环,而是环径比原来大一倍的一个环。化学家们从逻辑可能性设想,人们能否在化学上合成出具有这种拓扑结构的分子来呢?1982年6月,美国科罗拉多大学的化
学家们用与制作莫比鸟斯带相似的两头接的办法,合成了具有这样的拓扑结构的分子,而且,如果将这样的分子中间的双键制开,也可以得到环径大一倍而相对分子质量不变的大环、这是从预设的逻辑结构出发,进而解决研究课题合成新物质的典型例子
6.学科透。
化学与其相部学利的互相渗透,相关相近的学科与化学学科间会相互提出一些研究课题,也可以相互启发,用彼之长克己之短,从而形成一系列新课题。
我们前面提到的合成分子整流器的课题就是化学应其他学科发展需要而产生的,20世纪末出现的化学伤生学方面的课题则是化学家们主动向大自然学习,自觉接受生物学家的启示而提出来的。例如,人类能否通过弄清生物固氮酶的催化机理,并根据其中的某些原理,能动地设计并合成常温常压下也能固氮的催化剂这一课题,就是这样提出来的,中国化学家卢嘉锡、蔡启瑞等分别提出的福州模型和厦门模型,正是以人们对固氮酶的生物化学研究为基础,模拟设计出温和条件下能够化学固氮的模型化合物。
7.面向社会。
促进化学发展的根本动力是社会需要,人类社会的需要是多方面的。如果化学家们能面向社会,注意倾听社会实践的呼声,就可以从社会的实际需要中找到许多重大的课题,经过研究取得的成果也就具有直接的社会意义19世纪后半叶,德国化学工业进入世界领先地位的一个重要原因,就是李比希学派深入化工生产,注意发现并解决生产中遇到的实际问题。我国化学家黄文魁在有机合成上取得了许多成果,他选择的课题大多是在社会需要中寻找的。1927年,当他在一次抗癌工作会议上听说三尖杉酯类生物碱具有抗癌作用后,马上把人工合成这类化合物作为重要的课题进行研究,并取得了杰出成果。
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