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化学反应与物质的温度
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化学反应与物质的温度 物质间发生的化学反应过程，采用化学的解释方法已经较为完善了。几乎可以解释所有的化学现象。但是，化学中对物质间发生的反应过程，都是采用微观物质原子间的分解与组合进行定性定量的解释。虽然在化学中引入量子论的方法，去解释化学分子结构,这仍然是化学的方法。但我们不能否认的化学反应过程是物质的运动变化过程，不论是化学反应的本身还是化学反应过程的运动变化形式，都应该遵守物质运动变化规律。力学是解释物质运动变化原因的非常有效的方法，如果不将化学反应的本身归于力学的形式，那么，对于化学本身的解释而言至少不是最基本的。 将化学反应过程归结为物质运动变化本身在几个世纪以前就已经存在这方面的思想。但是直到一个世纪以前，建立物质宏观的单位质量与微观个体间对应的关系——摩尔的量之后，才具有实际物质运动变化原理的意义。但是，由于化学是建立在大量的化学试验的基础上,并且在历史上长期采用 不同的质的描述方法，直至今天，在谈到化学元素的时候，大多数的人士会将它当作物质中不同质的东西。甚至有很明显的界限。在对存在于世界的物质种类的判断中。这和物质原子和分子构成多姿多彩的物质世界是分不开的，这就给我们的主观判断提供了最初的判断形式。 化学反应过程是物质分子间原子的解构与重组的过程，这已经得到了大家的公认。但是是什么原因使物质进行解构与结构呢？恐怕大多数的同志会依据核外电子的得失方案，根据原子间的键价结构进行判断。这样的解释方案并不能提供给我们原子在解构与结构中发生状态变化的最直接的原因。现行对此的解释都是建立在原子量子的基础上，我们只能得到化学反应前后的各个量间的变化关系。并采用原子结构模式对化学过程有个大概的了解。至于为什么，那就是根据化学试验和化学原理所得到的经验约定吧。现在对化学反应变化的主要依据依然是元素周期律。 我们所接触的化学反应在物理的客观条件上是很有限度的。把化学反应过程扩展到物理的领域（物质世界的原理），那么，我们将会发现采用化学中的元素周期律进行解释，有一部分领域是不能合理的解释的。可以通过实验进行检验的两个区域是低温区域和高温区域。 另一方面，将化学反应过程从力学的角度来看，会有一些结论和化学中传统的解释是不同的。并且数理的逻辑关系和采用力学的解释会存在分歧，这是可以通过实验进行检验的。归根结底，两种对化学物质看法的不同来源于两个系统的定义的不同。您将会逐渐看到两种方法的歧义。 形成两种定义体系对两种解释方法的原因 传统化学中采用的解释方法是基于物理学中能量定义方法。近一个世纪以来，科学一直是继承性的发展，物理学中的概念很自然的被化学家应用与化学的领域。在微观物质世界的状态判定上，物理中的分子运动论是首要的对微观物质运动变化的解释条件。在微观与宏观物质的对应关系中，其中摩尔质量单位就是一个很明显的例证。但是，微观物质世界不能提供给我们直观的物质运动模式，我们不能根据日常生活中对事物经验判定方法对微观物质进行处理。另一方面，在当时,能量守恒定律的建立提供给人们这样一种模式，建立物质运动变化的数理关系，就可以对物质前后两种运动变化状态进行求解。这样有利于通过建立某种关于物质运动变化的数理模式对微观物质运动变化求解，这也是化学中通过建立键能等化学的数理逻辑概念的可行性的原因之一。这样我们只要确立物质分子与能量相关的物质运动变化状态的数理逻辑关系，就可以找到相应的与微观物质等同的数理量的状态，就可以对微观物质个体间进行求解。 传统化学中这样的应用是很成功的，并且采用理论与实验相互对应的方法。我们几乎可以解释在我们所接触的化学环境中所有的化学反应。 对于化学物质运动变化形成的物质种类的变化以及元素属性的规律,元素周期律已经可以很成功的给与解释,甚至可以很成功的预言未知元素。我们不能否认，这样的解释是建立在化学的数理逻辑上的经验约定，更确切的说，是理论与实验的相互矫正。如：超重元素的发现我们进一步让我们知道元素周期律的正确性，同时根据元素周期律赋予元素的属性，让我们去发现未知的元素。 但是这对于我们研究微观物体的结构与微观个体的属性来说，采用这种方法去解释微观个体的运动变化和结构状态。我认为这对于解释微观物质运动变化来说，这种方法并不是很合适的。微观物质和宏观物质同样都是物质，也许在我们对他们进行描述的时候，空间的大小、物质的结构会存在差异，但是物质的本身的实体是相同的，我们不能因为空间大小和物质结构的不同，就将物质的不同划分到另类的解释中，我认为在力学的解释上，力使物质发生运动状态变化，不论在微观还是宏观上来说，其本质是一样的。 我们仍然可以找到和宏观力学中相类似的解释方法，必须采用合适的对微观物质本身的定义角度，并对物质进行定义。这和宏观对物理事件的解释应该是没有多大区别的。这样的处理结果是根据微观物质的实际情况进行相应的解释。 力学的可行性的结构模式 不论我们采用哪一种对微观物质的解释模式，但必须基于这样的前提下：就是必须在物质发生运动变化时正确的反映物质运动状态的变化。 传统对此方面的解释是采用数理的方法，可以说不去考虑物质运动状态的变化过程，而只去考虑两种运动状态间所反映出的的反应前后变化关系。这样处理的方法是没有物质的运动变化过程。 如果我们研究的主体是物质的运动变化，那么，物质间的运动变化过程是必须的。在物理科学中，一个世纪以前我们已经否决了超距作用，我想大家也不会反对这样一个结论，没有变化过程的物质运动变化是不存在的。这是以物质本体的角度对微观物质事件的处理结果。 如果我们要考虑物质运动的变化过程，那就必须从引起物质运动变化的原因着手，这样就必不可少的要涉及到力的形式。采用力的方法去处理。我们必须放弃掉传统化学中的采用数理的形式和物质的种类对化学反应过程进行解释的方法。而采用物质的本身实体进行描述的方法。 两种微观物质粒子间的结合状态，是采用力学的解释模式首先处理的问题。对于这个问题，通过可行性的约定去处理，如量子论中采用价键结构去处理和采用数理关系去描述是具有可行性的。我们不能想象没有没有运动过程的物质运动变化，（没有运动变化过程同时意味着没有运动变化的时间，或者说不需要时间，也就是类似的超距作用）如果我们设想物质在运动变化过程中存在运动变化过程，如果物质是实体，那么，物质运动变化过程的本身就一定是由力引起的。这样我们必须通过力的作用对物质运动变化过程进行处理。 我们即使采用价键的结构,去处理物质微观分子的存在状态。除了我们必须强调分子中的原子间的分解与组合在化学反应过程中需要时间之外，在物质运动变化的形式上，和传统物理学中的解释仍然可以是相似的。但这样处理的结果是将分子中原子之间的结合力归于原子的势能上。传统物理学中的解释对此已经有了较为详细的研究，势垒的概念通常也是解释分子中原子间相互结合力的一种有效的方法。但是，传统物理学中对原子间分解与组合的处理方法并不是很明确的，这得自于采用数理描述体系，即量子论的描述方法。依据这种规律，我们不能找到与物质运动变化过程相对应的描述，而只能描述化学反应前后两种物质的运动状态。 将分子中原子的分解与组合看作是分子中的原子间的相对势能在空间位置上的结构变化是能让人满意的。在这种意义上来说，传统物理学中对此的解释基本上是正确的，但是只是在计量方法上，由于传统物理学采用了量子的计量方法，因此对物质运动变化的本身的描述不是很确切的，或者说我们不能采用这种方法对物质运动变化的本身进行处理。在这样的结构模式上，我们应该采用什么样的模式呢？ 导致化学分子中的原子发生分解与组合的现象，采用力学的角度已经判定为解释物质运动过程的有效方法。分子间的结构在这里也已经假设为是由原子间的相对势能状态所确定，下一步我们必须确定是什么形式或方式的力使分子发生分解与组合。 采用力学的方法处理化学物质分解与组合的可行性 如果两种分子间发生化学反应,那么,发生反应的分子间必然发生原子的分解与组合。那么，两种分子发生化学反应以前，必然有两种分子间的相互作用。在化学反应的可以发生的前提上（两种分子必然可以发生化学反应，这一点可以根据化学分子的价键结构以及键能来判断。或者根据元素周期律），仍然存在特定的物理条件——温度。另一方面就是两种分子必须在可以相互接触下才有可能发生化学反应。 物质的温度是物质分子运动状态的一种标度。同种物质分子确定的温度对应着这种分子的特定运动状态。我们根据化学反应的发生必然存在的确定的温度可以判断，物质发生化学反应必然存在两种分子间存在特定的相对运动状态。这是经验事实，到目前为止，还没有哪一种物质发生化学反应不需要特定的温度，即便是在常温下可以发生剧烈反映的两种物质，比如钾和水的反应，在温度降低到一定程度，两种物质间可以并存，不会发生化学反应。关于这样一个经验事实我想应该对所有的物质都是成立的。 这说明物质间的化学反应在相互反应的两种分子之间必然存在确定的相对运动状态，或者换句话说存在相对动量。两种分子间存在的相会速度必然会有两种分子间存在的相对动量，从力学的角度，两种分子间发生的化学反应必然在两种相互反应的化学物质分子之间，存在确定的相对动量或冲量。这两种量在数值上是相等的，但是冲量描述的是总体的量，虽然对于微观物质分子描述来说，这两种量在对反应过程中的描述具有等效性，考虑到冲量与时间的关系，我认为采用相对动量的描述更为合理。（关于相对动量的定义以及实际的应用，您可以参见机械运动中的能量体系中的一维弹性碰撞的求解方法。求解过程中我所采用的方法和相对动量具有等效性。） 如果采用相对动量的方法去处理化学反应问题，分子中原子间的结合能就可以化归到原子间的结合状态上。分子间的碰撞在发生相互反应的过程中，是解释化学分子发生分解与组合的最为可能的原因。可以这么说，在化学反应过程中，除了分子间的碰撞之外，我们找不到其它的原因使化学反应发生。 如果我们将分子中原子间的结合状态看成类似于某种势能如电势能或者引力势能类似的存在状态，（虽然这两者在势能的状态上或者相互作用的模式存在不同，但是原子势能和其它势能在力的性质上来说，或者不同能量发生转化的原因上，两者的性质是相同的）采用力的解释模式对分子结合状态进行描述，那么可以建立和传统化学中对化学反应过程不同的解释方法。同时，对于解释微观物质本身属性的一些问题也有一定的启发。 通过如上，您可以看到，采用力学的方法解决化学的实际问题是可行的。但是，这需要改变能量的定义。就如我在本站其它的文章中所说的这需要将能量的定义改称动量的形式。并且这对于解释物质分子发生的化学反应,采用的常规的理解方式是存在可行性的。 关于采用力学的方法处理化学反应的一些实际的问题 1、化学反应的必要条件 化学物质发生化学反应除了必需的化学条件之外（两种物质是否可以发生化学反应），还必须存在特定的物理条件。前面我们已经考虑过这个问题，即：温度的限制 关于这样一个条件，我们是可以进行试验验证的。根据传统化学中物质反应的规律，（元素周期律以及价键结构）化学反应的发生只和核外电子的分布规律或者说和海外最外层电子数目有关，它们直接决定了两种化学物质能否发生化学反应的最直接的原因。但是，化学反应还必须具备特定的物理条件，这个特定的物理条件就是发生相互反应的两种物质分子，必须存在特定的相对运动状态。在上面，我把这一化学反应必需的特定条件用一个较为精确的词汇来描述，把它叫做分子间的相对动量。 这一条件是必需的，两种化学物质的反应可以发生，那么两种物质分子的相对运动状态必须大于这一基本的相对运动状态————即：相对动量 我们可以进行如下的检验：将任意两种可以发生相互反应的化学物质，降低到特定的温度，如接近绝对零度，而后使将两种物质放在一起，并使两种物质的温度回升。那么，当物质的温度回升到确定的数值时，两种物质即可发生化学反应。 在进行如上的检验过程中，两种物质发生化学反应的确定的温度也许会存在微小的变化，因为根据分子运动论，两种化学物质在运动过程中某一瞬时碰撞的相对动量虽然存在确定的关系，但是也存在一定的偶然性，下面我们就要讨论这个问题。 2、分子运动速度的统计规律。 一百年前，近代物理的开端就是将物理的描述范围开拓到分子领域，对微观分子的描述早已经趋近于完善，对微观物质分子运动状态的描述，比较有名的是玻尔兹曼分布率和麦克斯韦速度分布率。这里就不再针对微观物质分子的运动状态分布规律作讨论了，只是根据化学反应的条件提一点不同的看法。或者从物质运动变化的角度提一点形成微观物质分子确定存在状态的原因。也许和传统的看法会存在不同。（这一部分内容可以说是机械运动能量体系中关于温度和物质分子运动关系的延续） 物质分子在不停的运动已经是一个不可否认的事实，确定空间内的气体分子的存在状态，热力学中采用熵的概念来对此进行描述，这只能描述宏观统计上物质分子的某种统计状态，（更确切的说是描述的与气体分子的某种宏观状态相关的数理关系，将它应用与微观物质分子的存在状态是不对的，当然更不可能对微观分子的存在状态进行描述了。统计物理学中采用微观分子可行性的可能性的描述模式如自由度的概念，作为对微观物质运动状态进行统计描述的方法，这对微观的描述仍然是存在问题的。 我们知道，一个分子沿空间自旋转动。在旋转方向上会存在两种可能，顺时针和逆时针。沿空间三个方向（三个维度）会存在六中可能。我们采用统计的方法是将于物质某种存在状态所拥有的物质运动的描述状态平均到这六种可能性上。对于描述大量的分子，这是一种比较好的方法。但是在分子某一时刻相对于一确定的参照系，只会存在一种可能。它拥有的能量标度与我们采用均分的方法所得出的数值是不相符的。 另一方面，物质世界的化学反应给与我们另一个经验事实，物质间化学反应的发生存在确定的温度。我们可以采用化学反应来判定化学物质运动变化的行为规范，或者间接检验微观物质宏观统计描述与微观物质实际的存在状态存在的可能性的行为规范。 [ Last edited by huyuchem on 2005-12-21 at 22:56 ] |
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