物理化学中的辩证法，本文主要内容关键词为：辩证法论文,物理化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
提要 初级物理化学包括化学热力学、化学动力学和物质结构三个方面的内容。它们之间是相互联系、相互制约而不是孤立无关的。本文论述了物理化学中反应速率的内因和外因以及化学平衡与反应速率等方面的对立统一关系。把握住这种辩证关系，有助于教师把哲学原理运用于教学过程中，使学生能加深对课程内容的理解和掌握，树立辩证唯物主义世界观。
关键词 辩证法 内因 外因 化学热力学 化学动力学 平衡常数 反应速率常数
早在十九世纪，德国化学家肖莱马就说过：“化学的发展是按辩证法的规律进行的”。物质为什么会发生化学变化？它的内在原因即内部矛盾性是什么？对这个问题的分析，构成了化学变化辩证法内容的核心。因此，在化学教学过程中，揭示化学变化基本概念、重要原理及基本规律之间的唯物辩证关系，无疑是十分重要的。
一、决定化学反应速率的内因和外因
化学运动是千变万化的，影响化学反应速率的因素也是多种多样的。在相同条件下各种化学反应的快慢不一，速率不同；同一反应在不同条件下，反应速率也有很大差异。通常情况下，烈性炸药的爆炸反应瞬间完成；不发生氧化作用的离子间反应（如Ag[+]与Cl[-]、Br[-]或I[-]等相混合），也能立刻结束；某些有机物分子间的反应一般需几十分钟、几小时或几天反应才会达到平衡；常温常压下氧气和氢气的缓慢氧化反应几乎无法察觉出来，但在点燃的条件下，氢气会很快燃烧，甚至会发生爆炸。
各种化学反应的速率为什么会不同呢？这正是化学动力学要研究的内容即反应速率和历程问题。一般说来，化学反应的速率是由内因和外因相互作用的结果，而内因是根据，外因是条件，外因则要通过内因起作用。
1.决定反应速率的内在原因。反应物质的本性是决定反应速率的内在原因。这可以从反应物的静态性质和动态性质两个方面来阐明。
首先，反应物的静态性质取决于它的组成和结构。一般来说，反应物分子为离子型的无机物反应通常很快，如
；若是共价键构成的分子间反应，或者涉及到有机物分子的反应，一般来说反应速率相当缓慢，例如
由此可见，反应物的静态性质直接影响着反应的速率。这种影响对于一步完成的反应即简单反应（只包含一个基元步骤）来说，往往是具有决定性的。这是由于在这类反应中化学键的破坏和形成是同时进行的。
但是，有许多化学反应的速率单靠反应物的静态性质是决定不了的，因为它们不是一步完成的（即反应包括了几个基元步骤），反应要分几步才能形成最终产物。这时，必须从动态过程去考察反应的本性即反应物的动态性质对反应速率的影响，这种影响具体反映在反应历程和反应机理上。对于多步才能完成的反应来说，在大多情况下是由快反应和慢反应步骤组合而成，并且总的反应速率在很大程度上取决于反应最慢的一步。例如，反应
实验测定，反应(1)最慢，因此总反应速率取决于此步。可见，反应经多步进行时，了解生成什么中间产物是很重要的。上述反应中，I和Br就是这样的反应中间产物。反应中间物往往是一旦生成又立即解体，它们是化学活泼性很强的一类物质。中间产物可能是原子、游离基、离子或反应性强的分子等。
由此可知，在多步反应中，考察反应历程和机理对反应速率的影响，实质上就是考察反应中间物的性质及其变化对反应速率的决定作用，因中间产物的性质就是反应物的动态性质。
2.影响反应速率的外部条件。外部条件即外因对反应速度的影响也十分重要。温度、浓度和催化剂就是三大主要条件。那么这些条件又是如何影响化学反应速率的呢？在这里，运用外因通过内因而起作用的思想是具有指导意义的。
以一步完成的反映为例：在此类反应中，反应物化学键的破坏与产物化学键的形成是同时进行的。但要实现，还必须具备一个先决条件，那就是反应物分子必须进行有效碰撞，以克服分子间排斥和促使旧键发生松弛、新键趋向形成。由于化学键及分子间排斥力均有一定强度，因此要实现这种有效碰撞，反应物分子必须具备一定能量。使分子发生有效碰撞所必须具备的能量称为反应活化能。
可见，反应活化能是反应物质组成、结构对反应速率影响在能量上的表现，也是反应物的一种本性。当具有这种活化能的分子即活化分子进行有效碰撞时，反应物分子的旧键松弛、产物分子的新键趋向形成，这时反应物分子形成某种复合体处于“活化状态”。反应物分子一旦达到活化状态，即可迅速实现向产物分子转化。
由此分析：若反应活化能越大、活化分子所占比例就越小，单位时间内的有效碰撞次数就越少，因此反应进行得越慢，反之，若反应活化能越小，在相同条件下，活化分子就越多，反应进得就越快。
温度、浓度和催化剂之所以能影响反应速率，其实质都是通过活化能这个内因在起作用。升高温度和增加反应物浓度，都不同程度地提高了活化分子的比例，从而使有效碰撞次数增多，反应速率加大。而催化剂的加入具有改变反应历程，从而改变活化能的作用。若新的反应历程所要求的活化能降低了，反应速率就会加快。
这就是内因是变化的根据，外因是变化的条件，外因通过内因而起作用的哲学原理在化学反应速率上的具体表现。
二、利用反应体系中矛盾的主要方面提高反应产量
绝大多数化学反应并非一经发生就往一个方向进行到底，也就是说反应只能进行到一定程度为止。氧化铁在熔炉中还原的过程为：
而出口气体中总是含有很多CO，很早以前人们认为还原不完全，可能是由于一氧化碳与矿石接触的时间不够。为此，曾化费了大量资金修改高炉，但结果CO的含量并未减少。后来根据热力学的计算才知道，在高炉中这个反应是不能进行到底的，含有很多CO无法避免。这是为什么呢？这是化学热力学研究的另一个内容即化学平衡问题。
化学热力学表明：化学反应能够同时向正反两个相反方向进行，是个普遍现象，这种现象称为反应的可逆性，即
在一定条件下，反应开始时，正反应速率大于逆反应速率。随着反应的进行，反应物的量越来越少，正反应速率随着减少；同时产物越来越多，逆反应速率随着增大。当正反应速率(V[,1])和逆反应速率(V[,2])相等时，反应物和产物的浓度不再随时间而变。这时反应体系处于相对静止状态，称为“化学平衡”。因此，可逆反应只能进行到某种程度为止，该程度可用平衡常数K来衡量。K值越大，则表示在平衡混合物中产物越多，达到平衡时反应进行得越完全，也就是反应物的转化率越高。
K的数值与正反应速率常数k[,1]成正比，而与逆反应速率常数k[,2]成反比，即
这样就将化学平衡与反应速率联系了起来。不仅如此，化学平衡常数k和反应速率常数k又都是温度的函数，这是它们的共性。它们之间也有区别，由化学动力学得知：
这样就出现了，应当怎样选择可逆反应的反应温度，才能既保证反应物转化率不致太低又使总反应速度较快的问题。这个问题可以分为两种情况来分析。
1.对于正向反应是吸热的可逆反应来说，因为温度升高将使平衡常数增大，即使转化率提高；从动力学上来看，温度升高总是使反应速度增大。所以不论从热力学还是从动力学角度来说，升高温度对反应均是有利的。这时平衡常数和反应速率常数对转化率和产量的影响都是一致的，统一的，即升高温度都可以提高反映的转化率和产量。
2.对于正向反应是放热的可逆反应来说，从热力学角度考虑，升高温度将使平衡常数降低，即使转化率减小；而从动力学角度考虑，温度升高有利于缩短到达平衡的时间，二者是矛盾的。怎样才能既保证转化率不致降得太多而又能使到达平稳的时间不致太长呢？这就需要选择一最适宜的反应温度。一般说来，反应速率常数这一因素总是这对矛盾的主要方面。在温度较低阶段，升高温度时平衡常数降低得不多，温度对平衡常数的影响不起主要作用，而总反应速率却随温度升高而加快，有利正反应进行；在温度较高阶段，虽然升高温度平衡常数下降，转化率减少，产量也减少，但正反应的速率常数总是随温度升高而很快增大，单位时间内产物增多，也有利正反应的进行，反应速率仍起主要作用。并且，实际生产在绝大部分反应都不可能达到平衡，实际转化率总比平衡转化率低。在平衡与速率二者之间，从提高产量的角度来看，我们总希望它的速率快一些。不过，尽管正、逆向反应速率随温度升高而增快，但总的反应速率却受到反应所能达到的程度的限制，在高温阶段，总反应速率反而将随温度的升高而下降。
因此，我们可以通过实验测定温度对反应总速率的影响来确定这类反应的最适宜的反应温度。
总之，只要我们对化学平衡这一静态性质与反应速率这一动态性质之间的辩证关系深入研究，深刻认识，就能掌握化学反应的本质和规律，从中抓住主要矛盾，就可以达到提高产品产量的目的。
三、结束语
在这里，笔者试图运用辩证唯物主义观点，就化学反应速率的内因和外因以及平衡与速率的对立统一等问题作一初浅的深讨。实际上，化学科学中的辩证法内容十分丰富。例如，化学运动中的量变和质变、物质结构和性能等之间的辩证关系，都有待有意者深入研究。把握住这些关系有助于将哲学原理、自然辩证法应用于化学课程的教学中，有助于化学专业的学生掌握化学反应过程的本质和规律，也有助于他们树立辩证唯物主义世界观，这无疑是十分有益的。