化学中的模型方法和化学模型
化学先生 / 2019-08-13
在自然科学研究中，对客观对象进行观察实验并对所获得的科学事实进行初步的概括之后，常常要利用想象、抽象、类比等方法，建立一个适当的模型来反映和代替客观对象，并通过研究这个模型来揭示客观对象的形态、特征和本质。这样的方法就是模型方法。被反映和代替的客观对象称为模型的原型。
然而，在不同的科学著作中，模型一词被赋予不同的含义。例如，有一些学者把模型当作概念、定律、假说、理论或一般的反映等的同义语。据俄罗斯学者统计，模型概念定义已有三十多种。
模型作为原型的反映需满足下列三个条件：（1）模型与原型具有相似的关系，这种相似关系应被明晰地表达和精确地规定在模型中；（2）模型在科学研究过程中是原型的代替者，是研究原型的间接手段；（3）对模型的研究能够得到关于原型的信息。
这三个条件也就是模型应具有的三个性质，三个性质表明了模型这种独特的知识形式和认识方法的主要特征，缺少其中任何一个就使该系统不成为模型。
模型常表现出一种二重性：一方面它是对原型的因素、联系、结构、功能等加以简化的结果，因而在一定程度上特别在细节上和原型不一致另一方面它又在本质上与原型的因素、联系、结构、功能保持一致或相似，因而能代表原型，从模型出发能够得到关于原型的信息，而不会引中出与原型不一致的结论来，一种有认识价值的模型应将上述两个对立的方面统一起来。没有价值的模型，常常破坏了这两方面的统一：或者是过分追求与原型在细节方面的一致，以致模型太复杂因而不能发挥共作为模型的认识功能；或者是过分简化、以致不能反映原型的本质，没有认识价值。
模型方法具有许多优越的认识功能。第一，模型方法能简化和理想化地再现原型与研究目的有关的各种基本因素和基本联系，略去次要的、非本质的细节。第二，模型方法能使研究者充分发挥想象、抽象和推理能力，将从原型获得的信息重新加以组合，形成新的图形的、符号的或概念的模式，构建一个理想认识工具。这样就能突破人们感官的界限和时空的局限性，帮助研究者在思维中把握原型的内在机制再现宏观水平上、甚至微观和宇观水平上的事物的联系和运动。例如，在微观领城域，人们对于原子的内部结构和运动规律的认识，就是在大量实验事实的基础上，通过先后建立汤姆逊“葡萄干布丁”式原子模型、卢瑟福行星式含核原子模型、玻尔旧量子论原子模型以及薛定谔波动力学原子模型等。对于其他微观客体认识的发展，也都离不开建立适当的模型并随认识的深化，更新这些模型。第三，模型方法能突破语言要素的限制并避免语言比较抽象，不能使人一下子获得整体映象的缺点。模型用符号和图式，从整体结构上再现原型各要素之间的种种联系，从而使创造性思维能具体发挥作用。例如，当代著名化学家鲍林在研究蛋白质分子结构时，就曾巧妙地利用折叠纸做的立体模型，充分发挥想象力，突破语言的限制，形象地表现出蛋白质分子的立体结构，从而取得了成功部像这样利用模型，抓住原型的基本结构问题，进行深入研究而成功的事例，在科学史上是屡见不鲜的。”
模型方法有一定的局限性。首先，模型毕竟不是现实的原型，它与原型间存在着差异。因此将由模型得来的信息处理后所得结果，外推到原型时，要充分注意原型的各种复杂条件和因素，不能机械地照搬。其次，任何模型的应用，都不能代替严格的逻辑推理，更不能代替科学实验的检验和判定。
容中随着科学模型种类的增多，需要对模型进行分类。根据模型的定义，显然可按以下两个标准之一对模型分类：（1）按照模型代表、反映原型的方式：（2）按照模型与原型相似的程度和特点。当然，根据需要还可按照其他标准对模型进行分类。
按照模型反映和代表原型的方式，模型可分为物质模型和思想模型两大类。所有人工制造用作模型或直接利用天然物作为样本的物质系统，都是物质模型。例如，飞机、船舶、水坝等的工程模型；用于模拟实验用的各种实物模型；用于教学和展示的太阳系模型、分子和晶体结构彩色球模型等，都是物质模型。物质模型是原型的物质类似物，它们的性质、变化过程及其与原型的相似关系，都是不依赖于人的意识而独立地存在的。主体的作用只在于根据与原型的某种相似关系（物理的、数学的、功能的），设计、制造或选择适当的物质模型，并对物质模型进行模拟实验，以代替对原型的直接研究。物质模型最重要的作用是作为模拟实验的工具。
物质模型和思想模型有一定的联系。人们在制作任何一个物质模型之前，首先要在头脑中对它进行想象、论证并作出计算和设计，也就是先要构建一个相应的思想模型。
思想模型的特点在于，它是以思想映象的形式由研究者在思维中形成的，存在于研究者的头脑中，并由研究者进行着思想的操作、变革和思想实验。思想模型执行着作为思维表象的认识论功能。
自19世纪初到顿建立化学原子论和阿伏伽德罗提出的分子学以后嗯一样啊！逐步形成的关于物质构造的。那关于物质构造的原子一一分子一一宏观物体三个层次的观念。化学研究的主要对象是分子，以及分子的组成、结构、性质和相互转化。由于人们一般不能“直接”看到分子，必须利用一定的思想模型来把握分子的组成、结构、性质和变化规律。所以化学中最重要的思想模型是分子模型和反应过程模型。化学中的其他思想模型，如官能团模型、化学键模型、反应速率理论模型、溶液模型等，都属于两类基本化学模型，且是更专门化的模型。
化学中的理想模型也是一种思想模型，它们是以理想化的形态再现原型的某些本质特征的思想模型。
从认识论的角度来考虑，设计和建立思想模型就是要从事物复杂纷繁的联系中，提取出对解决所研究的问题有意义的内容。在科学认识中，建立和运用思想模型的必要性取决于许多实际原因。其中，首要的原因是现实客体的复杂性。为了在思想上使客体本质的、规律性的联系能充分摆脱掉非本质的、偶然的和次要的因素，以“纯粹”的形式呈现出来，要采用各种抽象化的方法，如简化和理想化，来建立各种思想模型。这些模型同时满足简化、理想化、反映和代替所研究的复杂客体的功能在形成概念、建立理论的过程中运用思想模型，其作用在于探索和预言，其探索和预言若被实验或观测证实，则证明思想模型的成功。
科学理论反映现实客体时，某些理论论断，仅在相应的思想模型中才得到严格精确的实现，只有模型的要素和属性才准确地与理论概念符合部例如，牛顿力学中的质点或惯性系的概念表征的是模型，而不是现实存在的物体；理想气体状态方程只能准确地适用于理想气体模型。化学的规律和理论一般也只有对于相应的思想模型才严格适用。但是，模型能够在某种近似的程度上反映现实的客体，与它们处于类似的关系中。因此，思想模型是理论论断与现实客体之间的必要的中间环节在沟通自然现象及其本质的认识过程中，起着重要的中介和桥梁作用。
有些科学概念（如电磁场、原子轨道等）与思想模型很接近，这些概念反映的客体不能直接在现实中观察到，但可以通过复杂的中介仪器和逻辑推理去把握它们。然而，思想模型与这些科学概念不同，模型是对实在客体的理论反映，是在某种程度上理想化了的准客体，在模型中相应的各种理论论断都能满足。
还有一类特殊的模型是数学模型，其在科学技术中的应用十分广泛。在科学研究中，常常要把客观事物的某些联系或性质转化成数学语言，客观事物的联系和性质的数学表示，就是数学模型。例如，牛顿第二定律的数学式F=ma，理想气体状态方程pV=nRT，分子或晶体结构的几何模型等；都是数学模型。由于数学模型具有高度抽象性，一般都将它归属于思想模型一类。但是，由于一切客观系统都可以从量的角度来考察，因此数学模型也可渗透到物质模型之中，反映原型的量的关系。
建立思想模型需要具备相互联系的三方面的条件：（1）必须以精确的实验和丰富的观测材料为依据；（2）需要充分发挥想象力的创造作用；（3）需要在明确的科学理论指导下，应用各种逻辑思维方法。
观察和实验在建立思想模型中有重要作用，这一点可以以1909年卢瑟福建立含核原子模型为例来说明。当时，新的观测事实与旧模型之间发生了尖锐的矛盾。在观察中，阴极射线和不同性质的放射线（a、β和γ射线）的发现，宣告旧的道尔顿原子模型的破产；1906年α粒子散射实验，表明原子中心聚集有巨大的质量，这又与旧的汤姆逊原子模型发生了尖锐的矛盾。所以新模型是以放射性、电子和a粒子的大量实验材料观测和收集为依据的。在充分的观测和实验的基础上，1909年卢瑟福、盖革（H. Geiger，1882~1945）和马斯登（E. Marsden，1889~1970）又设计了一系列实验，用α粒子流作用于金属箔片，产生大角度散射，这些实验成果，使卢瑟福得以最终建立并完善了他的原子模型。显然，任何思想模型的建立，都必须以对原型的实验和观测所得事实材料为依据。模型必须接受实践的反复检验。对于同一原型，人们可以采取不同的方法，制造各种不同的模型，然后通过实验进行筛选、修改和确定一个较好的模型 。
在模型的设计与构思上，丰富的想象有重要作用。模型是客观实际中并不存在的事物，人们能够想象出从未感知或实际不存在的事物的形象。模型能帮助我们舍去原型的大量次要的细节，而想象就包含着一种筛选的过程。模型是对原型的重建或重组，而想象就是在感性知觉的基础上，将记忆中的信息重新加工组合，创造出新映象的心理过程。控制论的创始人维纳（N. Wiener，1894~-1964）说过：“有了强烈的创造欲，你就可用自己手里拥有的材料进行创造。我发觉对我特别有用的好条件是广泛和持久的记忆力，是一系列奔放流畅、万花筒似的想象力；这种想象力的本身，使我或多或少在遇到相当复杂而费脑子的情况下，能看出其中一系列的各种可能的组合关系。”这说明，想象能使我们在拥有丰富的实验材料的基础上，设想这些材料的各种可能的组合关系。因此，想象力的发挥在思想模型的建立和运用中起着十分重要的作用。有些心理学家，按照想象内容的创造性的高低，把想象分为再造性想象和创造性想象两种。再造性想象是根据语言的描述或非语言的示意在大脑中再创出新映象；创造性想象则不依靠现成的描述和形象，而根据一定的目的将自己的表象重新结合，在大脑中构成新映象后者在建立思想模型中所起的作用更大1865年凯库勒提出苯分子单双键交的环状结构模型，就是运用创造性想象建立思想模型的实例。当然，在建立思想模型时，想象必须以精确的实验和观测为基础，必须建立在经验材料和记忆的表象的基础上，否则它将成为空洞的幻想，科学最重求实，完全脱离现实实验的幻听、幻视幻想、冥思都无助于科学模型的建立。离开科学实验和科学精神的想象，会成为人说梦的胡思乱想，其思维效益等于或小于零。
设计和建立思想模型，不仅要有大量精的实验材料和事富年放的想象力作为前提，而且也需要用已知的科学原理和明确的理论观点为指导，同时，离不开乏怎维方法的应用。卢瑟福提出他的原子结构模型，就是在“原子有内部结构”这个明确的科学观念指导下进行的，面这个观念的产生是以已知的关于元素周期律，放射性电子的背景知识和电磁理论为依据的，思想模型在理论与客观原型之间充当中介因此，一方面可以从原型出发，将原型简化为模型，从面为假说，理论提供一定程度的证明另一方面，可以从理论出发，把理论概念整合为模型，从而为型提供解模型方法的逻特征是设法在假说、理论与模型之间以及模型与原型之倒尽可能建立起完备的逻辆联系。为此，需要在分析和综合的基磁上近当地运用比牧和至比归纳与猜测，演与阴因等各种逻辑方法。例如，为了从观察材料出发深索其内在机制，可以首先对材料进行归纳，提出一定的假设，然后从假没出发须华出某些论，以这些推论为基础通过因，来探索现象的内在机制，并发挥想象力，提出相应的思想模型，所得模型再与实验事实反复比较，从而发现模型的错，进一步修改调整，充实模型。经这样反复多次，就可以建立起一个台理的模型。
爱因斯组曾提出，人与其他高等动物“最显著的差别在于，人的括动中起着重多作用的是比较强的想象力和思维的能力，以及助这些能力的语和其他符号工具”。科学工作者以丰富的经验材料为基础，凭借想象力和思维能力的发挥，利用言和其他符号工具，能建立起各种有重要科研作用的思想模型。
思想模型作为人类认识成果的一部分，必须在实践中经受检验，并在实酸中发展。科学理论是伴随着相应的思想模型的发腰面发的。思想模型的发展大体有以下三种形式（1）原有的模型与新的实验事实发生矛盾，旧模型新模型所代装这些新模型既能解释原有的观材料，又能解释日模型不能解释的事实，还能解释和预测新的实验事实，所以是更完善更合理的模型。（2）使过于筒化的模型详化。例如，由主要反分子无序运动的理想气体模型，过渡到同时也考虑分子之间相互作用力的范德瓦尔斯气体模型等，就是通过更加详细的模型而使知识具体化的。（3）建立补充模型。当一个模型不能详尽地说明原型的结构、性质和行为时，就需要建立补充模型，例如，在量子力学中，电子的波模型和粒子模型是互补模型在原子核物理中，原子核结构有液滴模型、壳层模型和其他核模型等，都是互相补充的模型。
按照思想模型与原型相似的程度和直观性的大小、还可把思想模型分为以下四类：形象模型、符号模型、形象符号混合模型、数学模型等。
形象模型的特点是以一定的形象或图像反映原型的结构、性质和机制。反映原型结构的形象模型不仅从整体上看与原型有一定的相似关系，而且构成模型这一观念系统的元素与构成原型这一物质系统的相应的元素也有某种相似关系，模型好像是原型的简化的图画。例如，物理学中的气体模型（把气体分子想象为弹性球），原子的行星式结构模型等；化学中的氢原子轨道角度分布图，各种化学键模型，反映品晶体结构的粒子空间分布模型，液体和溶液的结构模型等。反映原型的性质和机制的形象模型也常常可通过一定的图像间接地加以反映，如用几何图形或解析几何中的坐标系和曲线、曲面来表示。这些图像可称为图像模型，它们实际上是用几何形式表示的数学模型。
符号模型的特点是用专门的符号来表示原型的元素及其相互关系。如果说人是符号动物、科学家则是符号动物中最杰出的代表，他们可以用符号表达原型，操作原型。因此，符号模型的元素与原型的元素不具有相似性，符号的选择不是以相似性为前提，而取决于使用的方便，而且是约定俗成的。只有对于了解符号含义的人，符号模型才有用处。例如，以化学符号系统表示的各种模型（如分子式、结构式、化学方程式等）就是符号模型的典型例子。虽然符号模型的元素与原型的元素没有相似性，但符号模型与原型之间仍存在相似性，这是由于建立符号模型时要以符号在一维、二维或三维空间的有序分布反映、再现原型的相应元素的有序分布。所以符号模型与原型之间仍存在着相似性，否则它们就不成其为模型了。
在形象符号混合模型中，原型的有些元素用直观的形象表示，而另一些元素则用专门的符号表示。在结构化学中有时要应用这一类模型。在理论化学中，数学模型有着特别重大的意义。
化学中的思想模型根据其思想内容还可分为化学静态模型和化学动态模型两类。此外，由于化学反应系统既涉及微观客体，又涉及由大量原子、分子组成的宏观客体，相应地化学模型可以分为微观模型和宏观模型，以及反映宏观系统微观结构的宏观一微观模型。化学模型的以上分类，并不能完全包括一切重要的化学方面，因为在化学的其他分支学科中还有其他种类的模型。例如，在有机化学中还有各种官能团模型和效应模型，如诱导效成、空间效应的模型等。
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