1.3　物理化学的研究方法

物理化学是探求化学内在的、普遍规律性的一门学科，是自然学科中的一个分支，其研究方法和一般的科学研究方法有着共同之处。物理化学理论的发展完全符合辩证唯物主义的认识论，注重实践，按照实践-认识-再实践的形式，往复循环，以致无穷。科学的研究方法，首先是观察客观现象，在已有知识基础上，进行有计划地重现实验，这种重现实验可以人为地控制一些因素和条件，忽略次要因素抓住主要矛盾，从复杂的现象中找出规律性的东西。这是初步实践，然后根据实验数据，分析，归纳出若干经验定律。当然这种定律还只是客观事物规律性的描述，还不能了解这种规律性的本质和内在原因，这是初步认识或者叫感性认识。为了揭示这种定律的内在原因，就必须根据已知试验事实，通过归纳，演绎，提出假说或模型，根据假说作出逻辑性的推理，还可以预测客观事物新的现象和规律，如果这种预测能为多方面的实验所证实，则假说就成为理论，这可以看成是理性认识。但随着人们时间范围的扩大从及人们认识客观世界工具的改造（新的科学仪器）又会不断提出新的问题和观察到新的现象，这就是再实践。如果新的事实与旧的理论发生矛盾，不能为旧理论所解释时，则必须对旧理论加以修正，甚至抛弃旧理论，建立新的理论，这就是再认识。这样人们对客观世界的认识又深入一步。任何一门科学都是由感性认识，积累经验，总结归纳提高到理性认识，理性认识又反过来指导实践成了推求未知事物的根据。物理化学的定律、理论较多，可以充分体会到辩证唯物主义的认识论，体会科学的研究方法。这些递进的循环使物理化学学科不断深入发展。

物理化学的研究方法除一般的科学方法外，还有自己特有的研究方法，这就是热力学方法、量子力学方法、统计热力学方法、化学动力学方法。可把它们归纳如下。

（1）宏观方法　热力学方法属于宏观方法。热力学是以由大量粒子组成的宏观系统作为研究对象。从很多质点构成的客观系统为研究对象，以热力学第一定律和热力学第二定律为基础，经过严密的逻辑推理，建立了一些热力学函数，用来解决化学反应的方向和平衡，以及能量交换问题。在处理问题时采取宏观的办法，不需要知道系统的微观运动，不需要知道变化细节，只需知道起始和终了状态，通过宏观热力学量的改变就可以得到许多普遍性结论。采取热力学方法研究化学平衡、相平衡、反应热效应、电化学等都非常成功，结论可靠，是研究化学的最基本方法。

这一方法的特点是不涉及物质系统内部粒子的微观结构，只涉及物质系统变化前后状态的宏观性质。

（2）微观方法　量子力学方法属于微观方法。量子力学是以个别的电子、原子核组成的微观系统作为研究对象，考察的是个别微观粒子的运动状态。将量子力学方法应用于化学领域，得到了物质的宏观性质与其微观结构关系的清晰图象。量子力学与经典力学完全不同。构成分子的电子和原子核不遵从经典力学而服从量子力学规律。能量有一个很小单位。量子化物质具有波粒二象性，遵守薛定谔方程，用来研究分子内电子的运动规律。

（3）微观方法与宏观方法间的桥梁　统计热力学方法属于从微观到宏观的方法。统计热力学方法是在量子力学方法与热力学方法即微观方法与宏观方法之间架起的一座金桥，把二者有效地联系在一起。从单个或少数粒子的运动规律来推断大量粒子所组成的系统规律，把构成宏观系统的各个微粒的运动做出一定的模型进行统计处理，从而解释宏观现象，认识其微观性质。例如，气体压力是一个宏观可测量，从微观角度看，它是大量分子与器壁碰撞后动量改变的统计平均结果。统计力学的方法把大量粒子构成的系统的微观运动和宏观表现联系起来，根据分子的性质计算宏观热力学性质，使我们加深对热力学定律的认识。

（4）化学动力学方法　主要研究反应速率和机理。任何反应总是通过分子间的瞬时接触交换能量或传递电子而完成的，过去由于实验手段的限制，人们很难追踪分子反应的细节，只能从总体上了解反应速率，得到动力学方程式来解释一些反应的规律，这属于客观反应动力学。近年来，实验手段的提高，X射线、激光器和大型计算机的应用，能够检测到百万分之一秒，甚至10-12s的反应速率。许多快速反应，化学异构，光分解都可以进行测量；还可以设计成单个分子的碰撞，来检测产物，使研究水平达到了分子级，形成了分子反应动力学。