前 言


　　化学实验是化学科学赖以形成和发展的基础，是检验化学科学知识真理 性的标准；是化学教学中学生获取化学经验知识和检验化学知识的重要媒体 和手段，是提高学生科学素质的重要内容和途径。化学实验在化学科学发展 和化学教学中的极端重要性已被人们所共识。为了使我们在理论认识上把化 学实验放在适当的高度，在化学教学实践中更加自觉地运用化学实验进行教 学，我们认为从以下几个方面对化学实验进行系统探讨将是必要的。这些内 容共分为八章。
　　第一章运用历史唯物主义的观点，讨论了化学实验发展所经历的三个时 期，并明确指出化学实验是怎样成为一种独立的科学实践活动的，化学科学 又是怎样伴随着化学实验的发展而发展的。另外，特别强调指出化学实验将 随着实验工具和实验方法的进步和提高而不断地完善和取得长足的进步。还 指出了化学科学与化学实验、化学实验与化学实验手段（实验工作和实验方 法）之间存在着的辩证关系。
　　第二章在讨论了什么是化学实验、它有什么优点和特点的基础上，运用 了系统论的观点把化学实验看做是一个由实验者、实验对象和实验手段三要 素所构成的系统。我们着重从静态的角度，采用对比的方法，分别对构成化 学科学研究与化学教学中实验的三要素的形式、属性，以及它们在化学实验 系统中所处的地位与所起的作用，都作了较为具体的阐述。构成化学实验的 三要素彼此间不是孤立的，它们之间是相互联系、相互影响着的，只有每一 要素处于最佳状态，才能使化学实验的整体最佳。
第三章讨论化学实验感性认识的生理机制。化学实验的目的，在于实验
者（或实验观察者）通过化学实验从实验对象获得化学实验事实以形成经验 认识。要弄清这种认识产生的生理机制，就要了解人的神经系统和人脑的组 成、结构和功能，就要了解各种感受器官是怎样在外界刺激物作用下产生感 觉的。因此，在本章里对这些问题都作了较简要的探讨。由于感觉、知觉、 表象是相互联系、依次发展的三种感性认识形式，因此对知觉和表象的生理 和心理学问题也做了一些讨论。
第四章侧重于从化学实验在科学认识中的地位和科学认识功能方面进行
了阐述。这些内容能使我们了解化学实验在化学科学发展、人类对物质认识 方面所处的重要地位和起到的作用，它对我们从这一个侧面去理解化学实验 在教学中的地位和作用将会有一定的启示。
　　化学实验分类是从众多的实验中找出它们的联系和某些共同特征进行 的。通过分类揭示它们之间的联系，能为化学教学和化学科学研究提供可供 选用的、有效的探索途径和方法。
　　第五章是从动态角度，阐述了化学实验是按准备阶段的实验问题的确定 和实验方案的设计、实施阶段的测定和实验条件的控制以及实验结果的处 理，这样的步骤和程序做有序运行的过程。并对化学实验全过程涉及到的实 验方法论问题作了较为详细的讨论。
　　第六章是在第五章的基础上，以化学实验所取得化学事实做为探讨的中 心，对于什么是化学实验事实，它在科学认识中属于哪一个认识层次，它具 有哪些特征和功能等问题都作了必要的阐述。最后，对化学实验事实为什么 和怎样进行经验概括和理论解释也作了理论上的探讨。
　　
　　第七章是在前两章的基础上，着重于从对化学实验全过程的各个阶段的 分析中，来说明化学实验的每一步都离不开理论思维。化学实验不但是一种 感性的物质活动过程，而更重要的是一种理论思维的过程，它的本质是理论 思维的物化。
　　第八章是从化学教学的角度强调了化学实验在全面落实化学教学目的方 面具有举足轻重的作用。提出了“以实验为基础”的教学观所主要包括的三 个方面的内容，并认为自觉和有效地开展和实施实验探究式教学，是“以实 验为基础”教学观的核心内容。
　　尽管每章讨论的问题各有侧重，但它们都是构成本书不可缺少的、彼此 相互联系的部分。
　　本书前言、第二、三、四、七章，由梁慧姝撰写；第一、五、六、八章 由郑长龙撰写。
　　本书在编写过程中，曾参阅了相当数量的有关著述，吸取了国内外许多 学者的理论观点和研究成果，并得到广西教育出版社何醒同志的大力帮助， 特向他们表示衷心的谢忱和深切的敬意。
　　由于作者水平所限，加之时间仓促，不妥之处在所难免，恳请读者批评 指正。

作 者
1996 年 10 月于东北师范大学

序
刘知新


化学教育作为科学教育的一个分支，以其特有的功能在实现第一流人才
培育及普遍提高全体公民的文化科学素质这一使命中，起着重要作用。众所 周知，化学教育正是在化学科学、技术与社会，以及学校教育、社会教育等 这些大教育环境中，不断发展的。应当说，化学科学的进展与科技教育的发 展推动了化学教育的繁荣和更新；学校教育与社会教育的扩展、改革和不断 完善，为化学教育提供了培育良才的广阔天地。总之，社会的进步，科学技 术的发展，教育的普及与提高，为化学教育的产生、发展和繁荣并发挥其多 种教育功能提供了智能源泉与人才基础。应当强调指出：化学教育与其他学 科教育一样，在大教育系统中发挥着维系事业兴衰、人才延续等多种功能。 这些教育功能可概括为：简约有效地将人类的文明遗产传授给受教育者的传 输功能；按社会的需要培养人才的塑造功能；用最经济的人力、物力和时间 造就大批合格人才的高效功能；以及超前为社会的进步和革新培养适用人才 的变革功能。
　　中华人民共和国的化学教育，自 1949 年至今，从基础教育、职业技术教 育、高等教育到继续教育，不论在规模上还是质量上，都取得了令人瞩目的 成就。全国各级各类学校的广大化学教育工作者为此付出了辛勤的劳动，创 造并积累了丰富的教育教学经验，这是我国和世界教育科学的珍贵财富。但 毋庸讳言，由于受历史的制约和人所共知的原因，我国化学教育理论研究工 作起步较晚，人员较少，机构又不够健全，对于教育实践中提出的诸多重大 命题，以及国际上普遍关注的某些学术研究前沿课题，尚未从理论上给出回 答，或未从理论与实践结合的高度上进行深入探研。理论来源于实践，理论 一经群众掌握就会变成巨大的物质力量。化学教育理论也是如此。本人作为 一名老化学教育工作者，有幸从 50 年代中期就参加中国化学会组织的有关化 学与化学教育的学术研讨活动，从 1979 年至今一直亲身参与中国化学会化学 教育委员会及中国教育学会化学教学研究会（1983 年起始）计划和组织召开 的多次全国高、中等学校化学教育经验交流会、学术研讨会、课程和教材研 讨会、化学实验教学经验交流会等。每次会议的论文均有数十篇，甚至百多 篇，其中不少优秀论文已在国内期刊发表。从国际上看，IUPAC（国际纯粹化 学和应用化学联合会）从 1970 年开始，已加倍努力于谋求改进世界各国的化 学教育，并与 UNESCO（联合国教科文组织）协同召开过 13 次 ICCE（国际化 学教育会议），出版了若干部化学教育论文集和论著。另外，世界各国的化 学教育家在各自的研究领域，都笔耕不辍地为国际化学教育理论做奉献。1981 年据 64 个国家的不完全统计，各国创办的化学教育（教学）期刊就有 168 种。文苑书林，浩瀚得很！但是，由于各种原因，国际上大量论文、资料难 以为我国广大化学教育工作者检索、利用；国内的诸多专题研究论文和著述， 似多局限于就某些论题的研究或偏重于适应教材建设的需要，对于化学教育
学——化学教育理论体系的几大构成，尚未见到系统论述的著作面世。 为了建构具有中国特色的化学教育理论、反映国内外当前的研究水平，
以促进我国教育改革，面向现代化，面向世界，面向未来，广西教育出版社 组织出版了这套《学科现代教育理论书系》中的化学现代教育理论丛书。本 丛书各册的第一作者和统稿人都是在该领域学术有成的专家。全体作者均本

着理论联系实际的原则，力求从化学教育规律来阐释和探研有关的理论与学 术前沿课题。当然，作为化学教育理论著述，本丛书也完全可以作为大学后 继续教育或化学教育高级学位研修用书。各册（《化学教育史》除外）论述 的重点虽侧重于基础教育阶段的化学教育理论问题，但是，从教育规律的普 遍适用性这一层面来看，这些结论对于大学或大学后教育，以及中专等化学 教育实践，可供借鉴之处当不是个别的。
本丛书共 6 册，简要介绍如下：
　　《化学实验论》以辩证唯物主义认识论、自然科学方法论、现代教学论 为指导，论述化学实验的构成、意义和作用，剖析各类化学实验及其功能， 探研化学实验与发展学生思维的关系，从宏观与微观的视角揭示化学实验及 其方法论的深刻涵义。
　　《化学课程论》从化学课程的设计与化学教材编制的现实出发，探研不 同课程论思想在化学课程开发的实践中运行与演变的规律及趋向，阐释、论 述我国化学课程、教材建设中的基本经验与理论问题。
　　《化学教学系统论》运用系统论的观点阐发、研讨化学教学的构成要素 及其相关领域的原理或范型，从多视角考察、概括化学教学系统的结构和功 能及其运作圭臬。
《化学学习论》从化学学习系统与学习原理的高度探研化学学习过程、
模式和方法，对化学学习能力与学习机制进行剖析，探索深入开展学科心理 研究的某些基本课题。
《化学教育测量和评价》基于化学教育目标论阐发和研讨化学教育测量
与评价的基本理论、方法和技术问题，对认知、情感和动作技能领域的化学 教育测评等作了新的探索。
《化学教育史》以历史唯物主义和辩证唯物主义为指导，对化学教育产
生的历史背景、化学史各时期的化学教育的演进，以及近、现代化学教育的 发展等进行了研究、概括。以史为鉴，明古鉴今。
本丛书写作注意了科学性，力求准确、完整、系统；新颖性，取材努力
反映时代气息，体现教育改革精神；实用性，各册在介绍有关理论和研究前 沿的同时，均力求结合实例给读者以解决实际问题的思路与方法。
本丛书在成书过程中得到不少同行的关心，并参阅、借鉴了不少国内外
学者的研究成果，在此一并表示诚挚的感谢！衷心希望本丛书面世以后能够 得到化学教育界的专家和广大读者的关注与指教，祈使这套丛书在加快、深 化化学教育的改革和发展，发展大学后继续教育和活跃化学教育学术研究等 方面，发挥它应有的作用。

1995 年 10 月于北京师范大学

总 序
顾明远


师范院校中有一门必修课，叫做教材教法。它是一门培养教师技能的专
业课程，但是历来不受人们所重视。在一些专业学科的教师、专家们的眼里， 似乎教材教法不过是剖析中小学的教学大纲和教科书，教会师范生如何去上 好一堂课，没有什么学术性。他们认为，上好一堂课，保证教学质量的关键 主要是有高的学术水平。这是一种误解。但是这种误解不是没有缘由的。原 因之一是，这些专家们不懂得，教育既是一门科学，又是一门艺术，只有高 深学问，不懂教育规律，没有掌握教育教学的艺术，课就上不好，或者事倍 功半。原因之二是，过去的教材教法课确实存在着不少问题，它只分析现有 的教材，不对学科、课程以及教育教学的规律进行研究。因此要解决这个问 题，除了改变专家们的误解以外，更重要的是研究这门学科的发展，提高学 科的理论水平。我认为，师范院校的教材教法不能只分析一门课如何讲授， 更重要的是要研究、分析一门科学的发展历史和现状，以及其发展的内在逻 辑，结合学生的认知特点，遵循教育规律，把它组织成一门学科。学科并不 等于科学。一门科学要变成学校里的学科，需要经过一番改造。改造的理论 就是一门学问，本身也应该是一门学科。这门学科是跨学科的，它既要研究 某门学科的科学规律，例如数学教材教学既要研究数学教学规律，又要研究 教育规律，要把两者有机地结合起来，从这个意义上来讲，教材教法的名称 显得落后了。因此把它改为学科教学论或学科教育学是适宜的。
讲到这门学科还有一段历史，不得不讲一讲。我国学位制度建立之初，
在教育学门类中就设有教材教法作为二级学科培养研究生，授予学位。但是 它的评议因为涉及文理各学科，因此分散在文理各学科评议组中。由于教材 教法主要是研究学科教学的理论，文理各学科评议组的专家们认为难以对他 们做出评议。这样这门学科的授权问题就处于无人评议状态。1983 年在国务 院学位委员会召开第二届博士、硕士授权点学科评议组会议期间，我向当时 教育学评议组召集人刘佛年教授提出，把教材教法的硕士授权点拿到教育学 组来评议，并把名称改为学科教学论，以提高对它的学术要求，从而提高它 的学术地位。这个提议得到刘佛年教授的支持和学位委员会的批准，并在以 后专业目录调整时把教材教法正式更名为学科教学论。从此学科教学论有了 较大的发展。至今全国已有硕士授权点 19 个，培养了硕士研究生数百名，出 版的专著也有几十部。这是十分可喜的现象。
　　学科名称的更改是十分容易的事，要把它发展成一门真正的学科并非易 事。当时有人提出改为学科教育学，我们认为时机还不成熟，首先要把学科 的教学理论研究好。教育学是一个更广泛的概念，它涉及到教育系统内部各 个领域，而学科教学论主要涉及教育系统中教学方面的理论，即使把这部分 研究透彻，成为一门学科也是不容易的。当然，有的学者愿意把它称为学科 教育学，如果确已研究成熟，这无疑是对教育科学发展的一个贡献。
　　把教材教法改造成为学科教学论是一次理论上的飞跃。教材教法过去只 是教育学中的一个部分。学科教学论则变成了教育科学中的一个重要分支学 科。这种飞跃有没有根据，具备不具备条件呢？1988 年我在为《语文教育学》 写序时就说，已经具备了必要的条件。这是因为：第一，近几十年来教学论、 课程论、心理学、教育测量学、教育评价学等学科有了新的发展，它为学科
　　
教学论的建立奠定了理论基础；第二，我国改革开放以来引进了国外的各种 教学理论，开拓了我们的视野，启迪了我们的思想；第三，我国有一批长期 从事教材教法研究的学者，他们在师范院校有长期的教育实践，积累了丰富 的经验，并且有较高的理论修养，这是建立学科教学论的组织基础。应该说，
1978—1988 年这门学科的建设是有成绩的，不仅培养了众多研究生和出版了 多部专著，而且学科体系基本上建立起来了。更为可喜的事是不少专家都在 关心这门学科的建设。得到各学科的专家的重视是至关重要的。因为学科教 学论这门学科毕竟是跨学科的，文理各专业学科是它的基础。
　　近些年来，许多学者把学科教学论又提高到学科教育学的高度来研究， 这又是一次飞跃。学科教育学不仅要研究学科的教学理论问题，而且要从教 育学的基本原理出发，从培养人的高度来讨论学科教育的问题。它不仅要揭 示学科教学的教学规律，还要揭示学科教学培养人的规律。学科教育学不仅 要讨论该门学科如何设置课程，如何编制教材，如何选择教学方法，如何组 织教学，更重要的是要分析本门学科在培养人的整体工作中的地位和作用， 并从这个角度出发研究课程、教材、教法，研究它与其他课程的关系，与学 校中其他教育活动的关系等等。
　　广西教育出版社组织全国学科教育理论工作者和实际工作者编写一套大 型丛书《学科现代教育理论书系》，我认为正是时候。这刚好是十多年来的 一次大总结、大检阅。证明学科教育学这门新兴学科已经在中国大地上成长 起来。我当然不可能通览这套丛书，但是从编辑出版计划中的书目可以看到， 它涉及语文、数学、物理、化学、外语等中学教学计划中的主要学科，每门 学科又分教学论、课程论、学习论、实验论、教育测量与评价等专著，有的 学科还著有教学艺术论及其他更细的内容，真是丰富多彩。作者群中有老一 代的学科教育学专家，也有年轻一代学者。我认为，这套丛书的意义，不仅 在于它总结了十多年来我国学科教育学研究的成果，而且在于它展示了学科 教育学发展的广阔前景，在于它培养了年轻一代学者。这是从教育理论战线 上来讲的。至于对我国教育的实际来讲，这套丛书的出版一定有利于我国广 大教师业务水平的提高，有利于教育质量的提高。我预祝出版的成功。

1996 年春节

出版说明


　　这套丛书，从 1991 年 3 月出版第一批第一本《数学学习论》算起，至今 已有 6 个年头了。如果从 1988 年年初开始数学教学理论丛书的组稿活动算 起，则有 9 年之长。如今，数学、物理、化学、语文、外语，五个主要学科 的教学理论丛书，已配套成龙，每个学科 6 本共 30 本，取名为《学科现代教 育理论书系》。洋洋洒洒几千万字，构成了基础学科的基本理论研究，也构 成了我社的基本骨干工程和基本的教育理论出版特色。
　　以近十年的时间建构一整套力求具有中国特色的教育理论丛书，其间的 曲折、甘苦，自然一言难尽。但从反映教学改革成果、服务教学改革来看， 又当义不容辞。从建构教育出版社的出版个性、出版文化来考虑，更有深刻 意义，有重大价值。在改革开放的新历史时期，出版社靠什么来支撑？靠什 么去竞争？靠什么求发展？用什么作奉献？答案可以有很多，对策可以开列 不少。但根本的应少不了这么两条：一靠骨干工程，二靠名牌精品。骨干工 程是出版社的战略布局，名牌精品是出版社的灵魂生命。两者的完善结合， 构成了出版社的质量、信誉、知名度和文化品位，它是出版社存在的基础， 竞争的手段，持续发展的后劲，文化积累的主体，向人民奉献优秀文化的根 本保证。
本着这样的认识，这样的追求，我们出版了这套丛书。当然，还有另外
几套别的系列。 我们期待着读者的鉴定。 我们迎接着市场的检验。
我们也渴望着教育界、理论界的支持。
　　我们将一如既往地努力，千方百计奉献更多的精品，给教育，给民族， 给将来。

广西教育出版社

本书内容提要


该书以辩证唯物主义认识论为理论基础，以自然科学方法论、现代教学论、心理 学、生理学等理论为指导，对化学实验以及它在化学教学中涉及到的一系列认识 论、方法论和教学实践等理论问题做了深入探讨，力求在内容选择和体系结构上 能体现出化学实验以及它在教学中的特点，能为化学教学起到实践指导作用。

第一章 化学实验发展史概述


　　化学实验是化学科学赖以产生和发展的基础，从其发展过程来看，大致 经过了早期化学实验、近代化学实验和现代化学实验等三个发展时期。
　　
第一节 早期化学实验


　　从远古时代开始到 17 世纪，化学实验在向科学道路迈进的过程中，经历 了一段漫长的发展时期。

一 化学实验的萌芽
　　人类最初对火的利用距今大概已有 100 多万年了。火是人类最早使用的 化学实验手段。人类最早从事的制陶、冶金、酿酒等化学工艺，都与火有直 接或间接的联系。在熊熊烈火中，烧制成型的粘土可获得陶器；烧炼矿石可 得到金属。陶器的发明使人类有了贮水器以及贮藏粮食和液体食物的器皿， 从而为酿酒工艺的形成和发展创造了条件。
　　制陶、冶金和酿酒等化学工艺，已孕育了化学实验的萌芽。例如，在烧 制灰、黑陶的化学工艺中，工匠们在焙烧后期便封闭窑顶和窑门，再从窑顶 徐徐喷水，致使陶土中的铁质生成四氧化三铁，又使表面覆上一层炭黑，因 此里外黑灰。这表明当时已初步懂得了焙烧气氛的控制和利用。

二 原始化学实验
　　古代的炼丹术，是早期化学实验的主要和典型的代表。炼丹的主要目的 一是希望得到能使人长生不死的“仙药”；二是想把一些廉价的金属借助于 “仙药”的点化，转变为贵重的黄金和白银。由于炼丹活动符合帝王、贵族 长生不死、永世霸业的愿望，因而受到他们的大力推崇，于是从古代到中古 时代，这种活动很快地得到开展并兴盛起来。
焙烧是炼丹术士经常采用的一种基本的化学实验操作方法。例如在空气
中焙烧方铅矿(即硫化铅)等贱金属矿石，把铅放在灰皿或骨灰造的盘子中加 热，铅烧掉之后，可以得到一点银；把黄铁矿(从外表看有点象黄金)与铅共 熔，铅用灰皿烧掉之后，可以获得微量的黄金。
除焙烧之外，炼丹术士还经常使用一些液体“试药”来对各种金属进行
加工。液体试药通常是一些能在金属表面涂上颜色的物质。例如，硫黄水(多 硫化合物的溶液)能把金属黄化成黄金；汞能在其他金属表面留下银色。在制 造液体试药的过程中，炼丹术士发明了蒸馏器、烧杯、冷凝器和过滤器等化 学实验仪器，以及溶解、过滤、结晶、升华，特别是蒸馏等化学实验操作方 法。蒸馏方法的广泛使用，促进了酒精、硝酸、硫酸和盐酸等溶剂和试剂的 发现，从而扩大了化学实验的范围，为后来许多物质的制取创造了条件。
　　蒸馏是早期化学实验中最完整的一种重要实验操作方法。到了 16 世纪， 出现了大批有关蒸馏方法方面的书籍，如希罗尼姆·布伦契威格(Hieronymus Brunschwygk，1450—1513 年)1500 年出版的《蒸馏术简明手段》及其增订版
《蒸馏术大全》(1512 年出版)等。这些著作对蒸馏方法作了较详细的叙述。 蒸馏在早期化学实验发展史上占有重要地位，它至今还在基础化学实验中被 经常运用。

三 向化学科学实验的过渡
　　到了十五六世纪，炼丹术由于缺乏科学基础，屡遭失败而变得声名狼藉。 化学实验则开始在医学和冶金等一些实用工艺中发挥作用，并不断得到发 展。
　　
　　在医药化学时期，最具代表性的人物是瑞士的医生、医药化学家帕拉塞 斯(P.A.Paracelsus，1493-1541)。他强调化学研究的目的不应在于点金，而 应该把化学知识应用于医疗实践，制取药物。他和他的弟子们通过对矿物药 剂的性质和疗效的研究，以及在制备新药剂的过程中，探讨了许多无机物的 分离、提纯方法，进行了一些合成实验，并总结出这些物质的性质。因此， 有人认为帕拉塞斯“从根本上改变了医疗和化学的发展道路”①。
　　安德雷·李巴乌(Andreas Libavius，约 1540-1616)是德国的医生、医 药化学家，他极力强调化学的实用意义，为推进化学成为一门独立科学做出 了重要贡献。他编著的《工艺化学大全》(1611—1613 年问世)，总结了他多 年的实验经验。书中叙述了硫酸和王水的制备方法；证明了焙烧硝石和硫黄 所得到的硫酸与干馏胆矾所得到的完全是同一种物质；首次提出将食盐与胆 矾一起在泥坩埚中焙烧制取盐酸的方法；讲解了用金属锡与氯化汞一起加 热、蒸馏获得四氯化锡(后来被称为“李巴乌发烟液”)的方法；描述了含铜 的溶液遇氨水变为翠蓝的现象，并建议用这种方法检验水中的氨。这部著作 的问世，使化学终于有了真正的教科书。他还设计过一所实验室的建筑详图， 但直到 1683 年，这所实验室才在阿尔特多夫(Altderf)修建起来。
　　继帕拉塞斯、李巴乌之后，对后世影响较大、对化学实验的发展贡献卓 著的医药化学家还有赫尔蒙特(J.B.van Helmont，1597-1644)。他工作的最 大特点是对化学进行定量研究，广泛使用了天平，并萌生了初始的物质不灭 的思想。他所做的“柳树实验”和“沙子实验”，是早期化学实验发展史上 著名的两个定量实验①。此外，他在无机物制备方面取得过空前的成果，曾对 燃烧现象提出过颇有独到之处的见解。因此，他常被尊为从炼丹术到化学的 过渡阶段的代表。
化学实验在冶金方面也曾发挥过重要作用。德国著名化验师埃尔克
(L.Ercker，约 1530—1594)在其编著的《主要矿石加工和采掘方法说明》 (1574 年出版)一书中较为系统地论述了当时对银、金、铜、锑、汞以及铋和 铅的合金的检验技术；制取和精炼这些金属的技艺；以及制取酸、盐和其他 化合物的技术。这部著作被认为是分析化学和冶金化学的第一部手册。

四 早期化学实验的特点
　　早期的化学实验还只能算做是化学“试验”，具有很大的盲目性；还没 有从生产、生活实践中分化出来，成为独立的科学实践。最早的制陶、冶金 和酿酒等活动，是低级的、缺乏理论指导的、不自觉的实践活动；作为化学 实验原始形式的炼丹术，其实验目的也只是追求长生不老药或点金之术，变 贱金属为贵金属。
尽管如此，还应该肯定从事早期化学实验的工匠和炼丹术士们是化学实 验的先驱和开拓者。他们发明了焙烧、溶解、结晶、蒸馏、过滤和冷凝等化 学实验操作方法；制造了风箱、坩埚、铁剪、烧杯、平底蒸发皿、沙浴、焙 烧炉等化学实验仪器和装置；发现和制取了铜、金、银、汞、铅等金属，酒 精、硝酸、硫酸、盐酸等化学溶剂和试剂，以及许多酸、碱、盐，甚至意识 到了一些粗浅的化学反应规律。后人正是从他们的经验教训中，才找到了化



① 赵匡华编著：化学通史，高等教育出版社 1990 年版，第 56 页。
① [美]亨利·M.莱斯特著，吴忠译：化学的历史背景，商务印书馆 1982 年版，第 115—116 页。

学实验的真历史使命，建立了化学实验科学。

第二节 近代化学实验


　　17—19 世纪，是近代化学实验时期。在这一时期，随着欧洲资本主义生 产方式的诞生和工业革命的进行，以及天文学、物理学等学科的重大突破， 化学实验终于冲破了炼丹术的桎梏，走上了科学的康庄大道。为此做出巨大 贡献的化学实验家当推波义耳 (R.Boyle ， 1627 — 1691) 和拉瓦锡 (A.L.Lavoisier，1743—1794)。

一 化学科学实验的奠基人——波义耳
　　“波义耳把化学确立为科学”。作为近代化学科学的确立者，波义耳也 是化学科学实验的重要奠基人。他认为，只有运用严密的和科学的实验方法 才能够把化学确立为科学。他明确指出：“化学，为了完成其光荣而庄严的 使命，就不能认为到目前为止的研究方法是正确的。而必须抛弃古代传统的 思辩方法”，只有这样，化学才能象“已经觉醒了的天文学和物理学那样， 立足于严密的实验基础之上”①；“不应该把理性放在高于一切的位置，知识 应该从实验中来，实验是最好的老师”②，“没有实验，任何新的东西都不能 深知”，“空谈无济于事，实验决定一切”③，“人之所以能效力于世界者， 莫过于勤在实验上做功夫”①。他的这些观点和主张，奠定了化学实验方法论 的基础。
不仅如此，波义耳还是一位技术精湛的出色的化学实验家。他一生做过
大量的化学实验，获得了许多重要的发现。他是第一个发明指示剂的化学家， 他把各种天然植物的汁液或配成溶液，或做成试纸(“石蕊试纸”就是波义耳 发明的)，并根据指示剂颜色的变化来检验酸和碱；他还发现了铜盐和银盐、 盐酸和硫酸的化学检验方法，并在 1685 年发表的“矿泉水的实验研究史的简 单回顾”一文中，描述了一套鉴定物质的方法。因此，他还常被尊为定性分 析化学的奠基者。

二 定量化学实验方法论的创立者——拉瓦锡
　　拉瓦锡“是明确提出把量做为衡量尺度对化学现象进行实验证明的第一 位化学家”②，他把近代化学实验推进到定量研究的水平。
拉瓦锡从一开始从事化学科学研究，就非常善于发挥天平在化学研究中
的作用，重视对物质及其变化进行定量测定。他 21 岁时所做的第一个化学实 验，就是定量地测定石膏在加热和冷却过程中水分的变化。他一生做过很多 定量化学实验，并依据实验事实揭示了“水变成土”以及“火粒子”学说、 “燃素说”的谬误。
“水变成土”是赫尔蒙特根据他著名的“柳树实验”提出来的，后来又 得到波义耳和牛顿(J.Newton，1642—1727)的赞同。为了检验这一观点的科 学性，拉瓦锡进行了如下实验：将收集到的被认为是最纯净的雨水连续蒸馏



① [日]山冈望：化学史传，日本内田老鹤圃新社 1979 年版，第 19 页。
② 袁翰青、应礼文编著：化学重要史实，人民教育出版社 1989 年版，第 23 页。
③ 赵匡华编著：化学通史，高等教育出版社 1990 年版，第 64 页。
① 丁绪贤：化学史通考，商务印书馆 1935 年版，第 79 页。
② 化学思想史编写组编：化学思想史，湖南教育出版社 1986 年版，第 66 页。

了 8 次；然后将这些水倒入一个特制的玻璃蒸馏器中，加热驱去其中的空气， 并加以密封；用沙浴在 60—70℃之间加热 101 天。结果发现其中确有悬浮的 小片固体物出现。这似乎是水变成了土的证据。然而，拉瓦锡仔细称量了加 热前后水的重量、容器的重量、以及水和容器的总重量，终于查明，水和容 器的总重量在加热前后并没有变化，而且密封在瓶中的水的重量也没起变 化，只是玻璃容器本身变轻了，而减轻的重量又恰好与固体悬浮物的重量相 当。这样，拉瓦锡查明了那些悬浮物来自玻璃容器，从而以坚实的实验数据 否定了“水变成土”的错误观点。
　　“火粒子”学说，是波义耳为解释金属煅烧后重量增加的原因而提出来 的。为了检验这一假说，拉瓦锡重复了波义耳在密闭的烧瓶中煅烧金属锡的 实验。他与波义耳不同之处在于，在打开烧瓶之前对整个密闭体系进行了称 量，结果发现整个体系在加热前后重量没有变化。这就证明波义耳曾经设想 的在加热过程中火的微粒透过玻璃壁进入烧瓶内与金属锡结合而增重的观点 是错误的。
　　拉瓦锡还通过对硫和磷等一些物质燃烧现象的定量实验研究，否定了统 治化学长达百年之久的“燃素说”，建立了氧化学说，并确立了“质量守恒 定律”。
拉瓦锡的定量实验研究，极大地丰富和发展了化学实验方法论。对物质
及其变化，不仅要用定性分析方法，而且还必须运用定量分析方法，只有二 者的有机结合，才能正确认识物质及其变化在质和量两个方面的性质和规 律；化学实验是建立化学理论的基础和检验化学理论的标准。他曾明确指出： “在任何情况下，都应该使我们的推理受到实验的检验，除了通过实验和观 察的自然道路去寻求真理以外，别无它途。”①
拉瓦锡的化学实验方法论思想，对化学实验从定性向定量的发展，产生
了积极和深远的影响，成为近代化学实验发展史上的重要里程碑。正是在此 基础上，近代化学实验才得以蓬勃发展，从而拓展了化学科学研究的领域， 导致了许多重要化学理论的建立和发展。

三 化学实验是化学科学理论建立和发展的基础
　　道尔顿(J.Dalton，1766—1844)原子论就是在化学科学实验的基础上建 立起来的。他通过化学实验，研究了许多地区的空气组成，发现各地的空气 都是由氧、氮、二氧化碳和水蒸气四种重要物质的无数个微小颗粒(道尔顿称 之为“原子”)混合起来的。他进一步分析一氧化碳和二氧化碳、沼气(CH4)
和油气(C2H4)的组成，发现前两种气体中氧的重量比为 1：2，后两种气体中
与同量碳化合的氢的重量比为 2：1。这使道尔顿发现了倍比定律。这个实验 定律成为他确立化学原子论的重要基石。
1805 年，法国化学家盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac，1778—1850)在研究 氢气和氧气的化合时发现，100 个体积的氧气总是和 200 个体积的氢气相化 合；在进一步研究氨与氯化氢、一氧化碳与氧气、氮气与氢气的化合时，居 然发现都具有简单整数比的关系。于是，他于 1808 年发现了气体化合体积定 律。为了对这个实验定律进行理论解释，意大利化学家阿佛加德罗(A.Avo- gadro，1776—1856)引入了“分子”的概念，提出了著名的分子假说。


① 拉瓦锡：化学纲要序言，自然科学哲学问题丛刊，1984 年第 4 期，第 24 页。

　　1824 年，年仅 24 岁的德国化学家维勒(F.W?hler，1800—1882)做了一 个在化学实验发展史上非常著名的实验，即用氯化铵(NH4Cl)水溶液同氰酸银 (AgCNO)作用来制取氰酸铵(NH4CNO)。然而，当他滤去氯化银(AgCl)沉淀，并 对溶液进行蒸发时，并没有得到所期望的氰酸铵，而得到了一种白色结晶状
的物质。为了确定这种白色结晶物，维勒又用了 4 年的时间，采用不同的无 机物和不同的方法，对其进行了一系列的定性和定量实验研究，最后终于完 全确认实验中所得到的这种白色结晶状物质，正是动物机体内的代谢产物尿 素。1828 年，他发表了“论尿素的人工合成”的论文，以雄辩的实验事实公 布了这一重大成果。这一实验成果，意义重大，动摇了传统的“生命力论” 的基础，开辟了用无机物合成有机化合物的新天地。1845 年，德国化学家柯 尔柏(H.Kolbe，1818—1884)用木炭、硫黄、氯水等无机物合成了酒精、蚁酸、 葡萄酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸等一系列有机酸，进而还合成了油脂类和 糖类物质；到了 19 世纪后期，有机合成更加蓬勃发展，先后用人工方法合成 了染料、香料、药物和炸药等。
　　维勒不但用氰酸铵人工合成了尿素，而且还分析了氰酸银的化学组成， 结果竟与李比希(J.von Liebig，1803—1873)对雷酸银的化学组成的分析结 果相当地吻合。而氰酸银和雷酸银确是两种性质不同的化合物。为此，维勒 与李比希又共同研究了氰酸、雷酸和三聚氰酸，发现他们的化学组成完全相 同，而性质却不相同。化学大师瑞典的贝采里乌斯(J.J.Berzelius，1779—
1848)在这些实验事实的基础上，提出了“同分异构”的概念，认为之所以性
质不同，是由于它们的化学结构不同。这导致了有机化合物经典结构理论的 建立和发展。
1800 年，历史上第一个电池——提供稳定、持续电流的电源装置，即伏
打(A.Volta，1745—1827)电堆诞生了。它是近代化学实验发展史上非常重要 的实验手段之一。应用这种实验手段来引发化学反应，推动了电化学的诞生 和发展。1800 年 3 月，英国化学家尼科尔森(W.Nicholson，1753—1815)和 卡里斯尔(A.Carlisle，1768—1840)就用电堆电解了水；1807 年，英国化学 家戴维(H.Davy，1778—1829)又用电解熔融盐的方法制出了金属钠、钾、镁、 钙、锶、钡和非金属元素硼和硅。至此，电解法成了一种经常被采用的重要 的化学实验方法。戴维的助手法拉第(M.Faraday，1791—1867)对电解过程进 行了深入的研究，在他 1834 年发表的《关于电的实验研究》这篇论文中，提 出了著名的“法拉第电解定律”。他的工作，使电化学的研究从定性走向了 定量，对电化学的发展作出了重要贡献。
　　此外，近代化学实验还开辟了化学热力学和化学动力学两大研究领域， 推动了物理化学的完善和发展。

四 近代化学实验方法
　　近代化学实验的蓬勃发展与近代化学实验方法论的发展有着十分密切的 关系。在这一时期，人们创立或发展了诸如系统定性分析法、重量分析法、 滴定分析法、光谱分析法、电解法等很多经典的化学实验方法。
1．系统定性分析法 系统定性分析法是为了检验矿物质中的微量甚至痕量元素，克服传统的
湿法定性检验法和吹管检验法的局限性而被创立的。德国化学家浦法夫 (C.H.Pfaff，1773—1852)在他 1821 年出版的《分析化学教程》中提出了“初

步试验”和“分组”的思想。1829 年德国化学家罗斯(H.Rose，1795—1864) 在他编著的《分析化学教程》中，首次明确地提出和制订了系统定性分析法， 但该书内容过繁，条理不够清楚。1841 年，德国化学家富里西尼乌斯 (C.R.Fre-senius，1818—1897)在他出版的教科书《定性化学分析导论》中 对罗斯的系统定性分析法提出了修订方案。这本书内容清晰，颇受欢迎，再
版 16 次，被译成中文、英文出版。他提出的分组法与目前通用的定性分析教 科书中所采用的方法基本相同。
　　2．重量分析法重量分析法在 19 世纪得到了很大的完善和发展，主要表 现在分离和测定方法以及操作技术方面。罗斯在其编著的《分析化学实验综 论》一书中提出了很多有效的新的分离方法，尤其是应用了缓冲溶液和配合 掩蔽剂，这在分析化学发展中是一项重要的进步。贝采里乌斯是当时最享盛 誉的分析化学家，他曾测定了 2000 多种化合物的化合量，使用了很多新的测 定方法、试剂和仪器设备，使定量分析的精确度达到了空前的高度，对定量 分析法的完善和发展做出了重大贡献。富里西尼乌斯在其 1846 年编著的《定 量分析教程》中，介绍了灵敏度已达 0.1 毫克的天平；介绍了各种元素的重 量测定方法；解决了一系列复杂的分离问题。他们所运用的分离和测定方法 以及操作技术，至今大都仍被采用。
运用这些分析方法，在 19 世纪人们发现了锆和钛、铍、铀和钍、硒和碲、
钼、钨、铬、镉、锗、铌、钽、钒、钌、铑、钯、锇、铱等元素及一些稀土 元素。
3．滴定分析法
　　滴定分析法是在 18 世纪中叶从法国诞生和发展起来的。它最初的含义只 是一种对化工原料及产品的纯度进行简易、快速测定的方法。1729 年，法国 化学家日夫鲁瓦(C.J.Geoffroy，1685—1752)第一次利用滴定分析的原则， 以碳酸钾为基准物，测定了醋酸的相对浓度；1750 年，法国化学家文耐尔 (G.F.Venel，1723—1775)在滴定实验中运用了指示剂，1767 年，英国化学
家 W.路易斯(W.Lewis，1708—1781)在滴定实验中不仅采用了指示剂，而且
还提供了分析的绝对结果，但他测量滴定溶液消耗量的方法采用的则是称重 法；法国化学家德克劳西(F.A.H.Descroizilles，1751—1825)较早地在酸碱 滴定中采用体积量度，他发明了“碱量计”可以说是最原始的滴定管。随着 人工合成指示剂的出现，到了 19 世纪 30—50 年代，滴定分析法的发展达到 极盛时期，其应用范围显著扩大，准确度大为提高，接近了重量分析法所能 达到的程度。在这一时期，盖 -吕萨克发明的银量法，大大提高了滴定分析法 的信誉；滴定分析法的种类更加繁多，除酸碱中和滴定法外，人们还发明和 发展了沉淀滴定法、氧化还原滴定法、络合滴定法等一些具体的滴定方法。 到了 19 世纪 50 年代，又出现了带有玻璃磨口塞和用剪式夹控制流速的滴定 管，使这种方法更趋完善。
4．光谱分析法 光谱分析法是利用光谱线来分析某种元素存在与否的一种方法。它是由
德国化学家本生(R.W.Bunsen，1811—1899)和基尔霍夫(G.R.Krichhoff，1824
—1887)共同创立的。1855 年，本生为克服当时的煤气灯的缺点，发明了著 名的“本生灯”。金属及其盐在本生灯火焰中能产生特殊的带有颜色的火焰， 据此可以鉴别这些金属。为了使产生的光谱具有更好的观察效果，他们两人 合作研制成了分光镜，并用这种新的实验仪器发现了铯、铷等元素。随后人

们又用这种方法发现了铊、铟、镓、钪、锗等。

五 近代化学实验的特点
　　随着欧洲资本主义生产方式的建立和发展，近代化学实验作为一种相对 独立的科学实践活动，从生产实践中分化出来，历经两百多年，取得了突飞 猛进的发展。
1．明确了化学科学实验的性质、目的和作用 化学实验不再是服务于炼丹术等封建迷信和宗教神学的婢女，不再是从
属于观察的附带的东西，而是一种独立的化学科学实践、重要的化学科学认 识方法。只有通过化学科学实验，才能达到对物质的本质及其变化规律的正 确认识。同古代化学实验相比，近代化学实验已不仅仅是获得化学实验事实 的重要途径、手段和方法，而且还具有验证化学假说和检验化学理论、发现 和合成新的化学物质、推动化学分支学科建立和发展的作用。
2．建立和发展了化学实验方法论 波义耳和拉瓦锡有关化学实验的思想和主张，对化学实验方法论的建立
起到了重要的奠基作用。此后，许多化学家又创立了一系列化学实验方法， 丰富和发展了化学实验方法论。正是这些先进的方法论思想，提供了近代化 学科学发展的思想条件。
3．发明和研制了较先进的实验仪器和装置
　　如精密天平、伏打电堆、光谱分析仪、“弹式”量热计、磨口滴定管等 等。这些先进的实验仪器和装置把化学科学研究带入了一个又一个崭新的领 域，为近代化学科学的发展奠定了先决的物质基础。
　　
第三节现代化学实验


　　19 世纪末 20 世纪初，以震惊整个自然科学的电子、X 射线与放射性等三 大发现为标志，化学实验进入了现代发展阶段。同近代化学实验相比，现代 化学实验具有如下特点。

一 实验内容以结构测定和化学合成实验为主
1．结构测定实验 结构测定实验源于人们对阴极放电现象微观本质的探讨。早在 1836 年，
法拉第就曾研究过低压气体中的放电现象。1869 年，德国化学家希托夫 (J.W.Hittorf，1824—1914)发现真空放电于阴极，并以直线传播。1876 年， 戈尔茨坦(E.Coldstein，1850—1930)将这种射线命名为“阴极射线”。1878 年，英国化学家克鲁克斯(Sir W.Crookes，1832—1919)发现阴极射线能推动 小风车，被磁场推斥或牵引，是带电的粒子流。1897 年，克鲁克斯的学生英 国物理学家 J.J.汤姆生(J.J.Thomson，1856—1940)对阴极射线作了定性和 定量的研究，测定了阴极射线中粒子的荷质比。这种比原子还小的粒子被命 名为“电子”。电子的发现，动摇了“原子不可分”的传统化学观。
1895 年，德国物理学家伦琴(W.C.R?nt-gen，1845—1923)在研究阴极射
线时发现了 X 射线。1896 年，法国物理学家贝克勒(A.H.Becquerel，1852—
1908)发现了“铀射线”。次年，法国著名化学家玛丽·居里(M.Curie，1867
—1934)又发现了钍也能产生射线，于是她把这种现象称为“放射性”，把具 有这种性质的元素称为放射性元素。居里夫妇经过极其艰苦的努力，于 1898 年先后发现了具有更强放射性的新元素钋和镭。随后，又花费了几年时间， 从两吨铀的废矿渣中分离出 0.1 克光谱纯的氯化镭，并测定了镭的原子量。 镭曾被称为“伟大的革命家”，克鲁克斯尖锐地评论说：“十分之几克的镭 就破坏了化学中的原子论”。可见这一成果意义的重大。为此，居里夫人获 得了 1911 年的诺贝尔化学奖。
1898 年，J.J.汤姆生的学生 E.卢瑟福(F.Rutherford，1871—1937)发现
铀和铀的化合物发出的射线有两种不同的类型，一种是α射线，一种是β射 线；2 年后，法国化学家维拉尔(P.Villard，1860—1934)又发现了第三种射 线γ射线。1901 年卢瑟福和英国年青的化学家索迪(F.Soddy，1877—1956) 进行了一系列合作实验研究，发现镭和钍等放射性元素都具有蜕变现象。据 此，他们提出了著名的元素蜕变假说，认为放射性的产生是由于一种元素蜕 变成另一种元素所引起的。这一成果具有革命意义，打破了“元素不能变” 的传统化学观。卢瑟福也因此荣获 1908 年的诺贝尔化学奖。
电子、放射性和元素蜕变理论奠定了化学结构测定实验的理论基础。
　　1912 年，德国物理学家劳埃(M.von Laue，1879—1960)发现 X 射线通过 硫酸铜、硫化锌、铜、氯化钠、铁和萤石等晶体时可以产生衍射现象。这一 发现提供了一种在原子-分子水平上对无机物和有机物结构进行测定的重要 实验方法，即 X 射线衍射法。
　　无机物的结构测定的真正开始是 X 射线衍射线发现以后。在此之前，象 氯化钠这样简单的离子化合物的结构问题，对化学家来说都是一个难题，但 运用这种方法之后，化学家才恍然大悟，原来其结构是如此简单。本世纪 20
—30 年代，人们运用 X 射线衍射法分析测定了数以百计的无机盐、金属配合

物和一系列硅酸盐的晶体结构。
　　有机物的晶体结构测定始于 20 年代。在此期间，人们测定了六次甲基四 胺、简单的聚苯环系、己链烃、尿素、一些甾族化合物、镍钛菁、纤维素以 及一系列天然高分子和人工聚合物的结构。40—50 年代，有机物晶体结构分 析工作更加蓬勃发展，最突出的是 1949 年青霉素晶体结构、1952年二茂铁(金
属有机化合物)结构和 1957 年维生素 B12 结构的测定。另外，人们应用 X 射
线衍射法还对一系列复杂蛋白质的结构进行了测定，取得了许多重大突破， 为分子生物学理论的建立奠定了坚实的实验基础。
2．化学合成实验 化学合成实验是现代化学实验的一个非常活跃的领域。随着现代化学实
验仪器、设备和方法的飞速发展，人们创造了很多过去根本无法创设的实验 条件，合成了大量结构复杂的化学物质。
　　制备硼的氢化物，一直是久未攻克的化学难题。1912 年，德国化学家斯 托克(A.Stock，1876—1946)对硼烷进行了开创性的工作，发明了一种专门的
真空设备，采取低温方法合成了一系列硼的氢化物(从 B2H6 到 B10H14)，并研
究了它们的分子量和化学性质。1940 年，斯托克的学生 E.威伯格用氨与硼烷 作用制成了结构与苯相似的“无机苯”B3N3H6。1962 年，英国化学家巴特利 特(N.Bartlett，1932— )合成了第一种稀有气体化合物六氟铂酸氙，打破 了统治化学达 80 年之久的稀有气体“不能参加化学反应”的传统化学观，开 辟了新的化学合成领域。
　　有机合成在本世纪取得了突飞猛进的发展，合成了许多高分子化合物， 如酚醛树脂(1907 年)、丁钠橡胶(1910 年)、尼龙纤维(1934 年)。对有机天 然产物合成贡献较大的化学家，应首推美国化学家伍德沃德(R.B.Woodward，
1917—1979)。他先后合成了奎宁(1944 年)、包括胆甾醇(胆固醇)和皮质酮
(可的松)在内的甾族化合物(1951 年)、利血平(1956 年)、叶绿素(1960 年) 以及维生素 B12(1972 年)等。为表彰他的杰出贡献，他获得了 1965 年的诺贝
尔化学奖，被誉为“当代的有机化学大师”。
　　1965 年，我国科学家第一次实现了具有生物活性的结晶牛胰岛素蛋白质 的人工合成，这对揭示生命奥秘具有重要意义；1972 年美国化学家科勒拉 (H.G.Khorana，1922— )等人使用模板技艺合成了具有 77 个核苷酸片断的 DNA，其后又合成了含有 207 个碱基对的具有生物活性的大肠杆菌 DNA；1981 年我国科学家又实现了具有生物活性的酵母丙氨酸 tRNA 的首次全合成，取得 了又一突破。
　　现代化学实验除上述两方面以外，还在溶液理论的发展和化学反应动力 学的建立等方面发挥了重要作用。

二 化学实验手段的现代化
　　化学实验手段是制约化学科学研究的非常重要的方面。虽然在 19 世纪化 学实验手段已经有了相当的水平，形成了一套相对比较完整的化学常规仪器 (包括各种玻璃仪器在内)和设备，但这些仪器和设备的质量还不高，种类还 不够齐全，精度也不够灵敏和准确。为克服这些不足，人们在对原有的化学 实验手段加以改进的同时，积极吸收现代各种科学技术的新成果，创造和发 明了一大批现代化的实验仪器和设备。
　　
　　在 18—19 世纪，天平曾是使化学实验定量化的重要实验手段，借助于天 平，人们取得了一系列重要实验成果。但当时的天平还比较粗糙，灵敏度一 般只能达到 0.1 克—0.01 克左右。为了满足现代化学科学研究的需要，人们 对天平进行了改进和完善，制造了一些灵敏度更高、操作更方便的天平。如 现代的分析天平，从称量范围来看，有常量分析天平(范围：0.1 毫克—100 克)、微量分析天平(范围：0.001 毫克—20 克)和介于二者之间的半微量分析 天平；从种类来看，有等臂式天平和悬臂式超微量天平(灵敏度可达 0.01 微 克，最大载重为 1 毫克)。这些天平具有灵敏、准确和操作方便(如应用光学、 电学原理制造的电光天平)等特点。
　　现代化学的许多重大突破都与化学实验手段的改进、发明和创造紧密相 关。1919 年 J.J.汤姆生的助手阿斯顿(F.W.Aston，1877—1945)改进了磁分 离器，制成了第一台质谱仪，从而把人类研究微观粒子的手段向前大大推进 了一步。阿斯顿利用质谱仪发现了氖、氩、氪、氙、氯等元素都有同位素存 在；在 71 种元素中，他发现了天然存在的 287 种核素中的 212 种。为表彰阿 斯顿在研制质谱仪和发现众多核素方面的卓越贡献，他于 1922 年获得了诺贝 尔化学奖。
　　现代化学实验使用了很多灵敏、精确和快速的实验手段，表现出仪器化 的特点，红外光谱、核磁共振、顺磁共振和质谱等实验手段已被广泛使用。 在微量分析和痕量杂质分析方面，出现了原子吸收光谱、极谱分析、库仑分 析以及萃取、离子交换分离、色谱、电泳层析等新的分析、分离技术和手段； 在化学元素或组分的分析测定、微观分子结构、晶体结构、表面化学结构等 的分析测定方面，出现了 X 射线、荧光光谱、光电子能谱、扫描电镜、电子 探针、拉曼激光光谱、分子束、四圆衍射仪、低能电子衍射、中子衍射、皮 秒激光光谱等现代化的实验技术和手段。运用这些实验手段，能够更精确地 进行化学定量检测，达到微(10-6)米、纳(10-9)米、甚至皮(10-12)米数量级， 从而大大促进了化学实验手段的精密化。
近 30 年来，计算机在化学实验中得到了卓有成效的应用，正逐步成为重
要的化学实验手段。目前出现的各种仪器的联机使用和自动化，不仅用于电 分析化学、谱学、微观反应动力学、平衡常数的测定、分析仪器的控制、数 据的存贮与处理、以及化学文献检索等，而且还能使经典化学操作达到控制 的自动化。

三 化学实验方法的现代化
　　随着现代化学科学研究领域的不断扩展和深入，以及现代科学技术和现 代工业的迅速发展，化学实验方法日趋现代化。
1．对传统化学实验方法的改进和完善 虽然现代化学实验手段具有快速、灵敏、准确的特点，但由于一些实验
仪器和设备的价格比较昂贵、结构比较复杂、调试维修的任务较重，因此使 它们的普及受到相当大的限制，从而使一些传统的化学实验方法仍有普遍利 用和进一步改进、完善的必要和可能。
　　例如 EDTA 滴定法就是对传统的滴定法的改进和发展。在 30 年代，人们 已经知道乙二胺四乙酸(简称 EDTA)等氨基多羧酸在碱性介质中能跟钙、镁离 子生成极稳定的配合物。对这类化合物，瑞士化学家施瓦岑巴赫 (G.Schwarzenbach，1904—)进行了广泛的研究，并成功地以紫尿酸铵为指示
　　
剂，用 EDTA 滴定了水的硬度。1946 年他又提出以铬黑 T 作为络合滴定的指 示剂，从而奠定了 EDTA 滴定法的基础。运用这种方法，人们对近 50 种元素 进行了直接滴定(包括返滴法)，对 16 种元素进行了间接滴定。由于这种方法 应用范围较广，因此受到普遍欢迎，至今仍是一种常规的化学实验方法。
2．现代化学实验方法 现代化学实验方法，是在满足现代化工业生产和化学科学技术对化学试
样中微量乃至痕量组分如何进行快速、灵敏、准确检测的要求基础上建立和 发展起来的。这些方法从原理上看，都超越了经典方法的局限性，几乎都不 再是通过定量化学反应的化学计量，而是根据被检测组分的某种物理的或物 理化学的特性(如光学、电学和放射性等方面的特性)，因而具有很高的灵敏 度和准确性。
(1)光学分析法。 光学分析法是利用光谱学的研究成果而建立起来的一类方法，它包括光
度法和光谱法等。
　　光度法 光度法的前身是比色法，这种方法在 19 世纪中期开始盛行， 所采用的实验手段主要是一些目视比色计，如“Nessler 比色管”、“目视 分光光度计”等。但使用这些仪器容易引起观测上的主观误差，并易使测试 人员眼睛疲劳，分辨能力降低。为此，在 19 世纪末，人们将光电测量器利用 到比色计上，设计和发明了光电比色计。本世纪 30 年代以后，人们利用棱镜 和能发射紫外与可见连续光谱的汞灯、氢灯制造了可见光紫外光分光光度 计。由于这种分光光度计扩展了测定组分吸收光谱的利用范围，因此到 60 年代，它已基本上取代了光电比色计。
40 年代红外技术开始在化学实验研究中加以运用并得到较快的发展，人
们可以根据红外光谱来推断分子中某些基团的存在。50 年代初又发展出了原 子吸收光度法，由于它具有灵敏、快速、简便、准确、经济和适用广泛等诸 多优点，所以发展极快，十几年内就得到了普及。
光谱法 光谱法产生于 19 世纪 50 年代，但只是利用光谱来进行一些定
性检验。利用光谱广泛进行半定量、定量检测则开始于本世纪 20 年代。本世
纪 60 年代，利用光电倍增管为接受器的多道光谱仪问世，使光谱定量分析的 速度和自动化程度大为提高。在此期间，人们又进行了利用 ICP(电感耦合等 离子距)作为光谱分析光源的尝试，极大地提高了光谱分析的灵敏度、准确度 和工作效率。
(2)极谱法。
　　极谱法是电化学分析法中最重要和最成功的一种方法。其创始人是捷克 斯洛伐克的化学家海洛夫斯基(J.Heyrovsky，1890—1967)，他于本世纪 20 年代开始研究极谱分析法。1925 年，他与日本化学家志方益三合作，发明了 世界上第一台能自动记录电流、电压曲线的极谱仪。1946 年，他又在极谱仪 上配置了示波器，从而发明了示波极谱法。极谱法在痕量分析中发挥了极为 重要的作用，海洛夫斯基因此于 1959 年获得了诺贝尔化学奖。
(3)色谱法。 色谱法也叫色层法、层析法，其创始人是俄国化学家米哈依尔·茨卫特
(M.Tsvett，1872—1920)。这种方法最初是作为一种分离手段而在实验中被 加以研究和运用的。德籍奥地利化学家 R.库恩(R.Kuhn，1900—1967)就曾运 用层析法在维生素和胡萝卜素的离析与结构分析中取得了重大研究成果，并

于 1938 年获得了诺贝尔化学奖。英国化学家 A.马丁(A.Martin，1910—)对 层析法的发展贡献卓著，他因此于 1952 年获得了诺贝尔化学奖。
　　本世纪 50 年代以后，人们将这种分离手段与检测系统连接起来，从而使 其成为一种独特的分析方法，它包括气相色谱和液相色谱等。目前这种方法 是应用最广泛、最具特色的分析方法之一，而且表现出广阔的发展前景。
4．质谱法 质谱法的基本原理是使化学试样中的各种组分在离子源中发生电离，生
成不同荷质比的带正电荷的离子，经过加速电场的作用，形成了离子束，进 入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场，使其发生相反的速度 色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。这种方法在同位素 质量的测定中被广泛应用。
　　最早的质谱仪的雏型，是 1910 年 J.J.汤姆生设计的一种没有聚焦的抛 物线质谱装置，他利用这台仪器第一次发现了稳定同位素；1918 年美国科学 家丹普斯特(A.J.Dempster，1886—1950)研制了第一台单聚焦质谱仪，并利 用该仪器发现了锂、钙、锌和镁的同位素。此后，人们又相继发明了速度聚 焦质谱仪、双聚焦质谱仪和离子源质谱仪，使这种方法的适用性更加广阔。
60 年代出现的二次离子质谱法，显示了更巨大的魅力。 此外，放射化学分析法也是现代化学实验方法中的一种比较重要的方
法。

四 化学实验规模和研究方式的变化
　　现代化学实验在实验规模和研究方式上发生了很大变化。最早的化学实 验室大概要算炼丹术士的实验室，实验室中的实验设备和条件极其粗糙和简 陋，实验者的实验目的也只是为了寻求“长生不老”和“点石化金”的“仙 药”。到了 17 世纪至 19 世纪初期，当化学成为一门独立的科学以后，化学 实验室才逐渐多了起来，出现了一大批从事化学科学实验研究的化学家。但 这些实验室都属于私人所有，如波义耳在他姐姐家建立的实验室，化学大师 贝采里乌斯的实验室是他的厨房，在那里化学实验和烹调一起进行。私人实 验室的规模比较小，除实验室的主人外，最多只能容纳 1—2 个助手或 1—2 名学生。李比希就曾在盖·吕萨克的私人实验室里当过助手。这个时期的化 学实验基本上属于个体式研究，个别的科学家独居楼阁，摆弄着烧瓶、量筒、 天平等仪器，其规模和形式近似于手工业作坊。
第一个公共化学实验室是 1817 年英国化学家T.汤姆生(T.Thomson，1773
—1852)在格拉斯哥大学建立的供教学用的实验室。自此之后，欧洲各大学都 纷纷仿效，建立了自己的化学实验室。这些实验室的建立，不仅改变了化学 教育的面貌，使实验成为培养和提高学生素质的重要内容，而且使大学不再 是单纯传授化学知识的场所，还是进行化学科学研究的重要基地。在 19 世纪 的公共实验室中，最著名的是 1824 年李比希在吉森大学建立的化学实验室， 它可以同时容纳 22 名学生进行化学实验。在那里，李比希培养了许多优秀的 化学家，以他为核心的“吉森学派”是近代化学史上公认的一大学派。他们 这种集体式的合作研究，取得了惊人的成就。在 1901—1910 年最早的 10 位 诺贝尔化学奖获得者当中，李比希的学生竟然占了 7 位。这一成就在化学史 上首屈一指。
从本世纪 30 年代起，出现了国家规模的大型化学科学研究机构和庞大的

实验基地；到了 70 年代，实验的规模则扩大到国际间相互合作的新阶段。许 多尖端实验决不是任何个人、一般科研组织所能胜任的，而必须由国家统一 规划、组织协调各学科科学家来共同攻关。实验用人广、花费多、规模大、 组织周密和协调，已成为现代化学实验的又一重要特点。

第二章 化学实验的要素


　　毛泽东曾指出：“阶级斗争、生产斗争和科学实验是建设社会主义强大 国家的三项伟大革命运动”。那么什么是科学实验？什么是化学实验？化学 实验是由哪些要素构成的？各要素在化学科学认识过程中的地位和作用是怎 样的？各要素之间的关系又是怎样的？这是本章将要探讨的几个问题。
　　
第一节 化学实验


　　人们在社会生活中，总是根据一定的目的，运用某些工具和手段去改造 客观对象，以便达到预期的结果。人们能动地探索和改造现实世界的社会活 动就是实践，即社会实践。科学实验是在生产发展的基础上分化和发展起来 的一种社会实践形式，也就是在科学认识活动中运用实践方法的一种科学实 践活动。实验方法是科学认识的主观手段，它与科学实验是不同的两个概念。
①作为科学认识主观手段的实验方法在科学认识发展中所起的作用日益受到 人们的重视。

一 化学实验
　　化学是在原子、分子水平上，研究物质的组成、结构、性质和变化规律 的一门基础自然科学。化学的产生和发展，以至被确立为一门真正的科学， 不仅与人类的生产活动密切相关，而且始终与化学实验紧密联系着。化学科 学和技术上的重大发现和突破，一般都不是直接来源于生产实践，而是首先 在化学实验中取得成果，然后再应用到化学生产实践中去。如 1919 年英国科 学家 E.卢瑟福利用α粒子散射实验研究各种元素的原子核时，用镭作为α射 线源对氮进行轰击时，发现产生一种新的、射程长、质量小的粒子，经研究 得知这种微粒的质量与氢原子相等，带一个正电荷，卢瑟福把它叫质子，这 是在实验室里实现的第一个人工核反应实验。后来他又发现用α粒子轰击 硼、氟、钠、铝、磷等也会发生类似的核反应，这些实验进一步证明了原子 核中都存在着质子这种微粒。这一重大发现为原子核模型的建立提供了可靠 的依据。又如，1878 年德国化学家拜耳(A.V.Baeyer，1835—1917)在实验室 里人工合成了靛蓝，这是科学史上出现的一项巨大成就，这项研究成果为靛 蓝的工业生产奠定了科学基础。化学史的大量事实有力地证明了化学实验是 化学科学和化学工业发展的重要基础。可以说，没有化学实验，就不可能有 近代和现代的化学科学，没有实验就不可能有化学科学的长足进步和发展。 化学实验在化学教学中占有重要地位，化学教学质量的高低，在很大程度上 决定于是否能充分发挥化学实验的作用。因此，对什么是化学实验、它有什 么优点和特点等进行分析和探讨，提高认识，以便自觉地运用化学实验进行 科学研究和化学教学，这对加速化学科学的迅速发展，促进化学生产的进步 以及提高化学教学质量都具有重要意义。
所谓的化学实验就是根据化学实验目的，实验者运用实验仪器、设备及
装置等物质手段，在人为特定的实验条件下，变革化学实验对象的状态或性 质，通过实验观察获得各种化学科学事实(即化学实验事实)的一种科学研究 方法。
化学实验与化学观察是既有联系，又有区别的两种化学科学研究方法(或 化学教学方法)。化学观察与化学实验二者是相互依存的，化学观察是化学实 验的前提，化学观察依赖于化学实验，化学观察需要化学实验的证实；化学 实验必须进行观察，实验离不开观察。特别是在现代化学科学技术中，化学 实验是同化学观察紧密结合在一起的，它们都是对研究对象进行有目的、有 计划的特殊实践活动。但是化学实验克服了纯粹观察(自然观察)的局限性，



① 舒炜光等编：自然辩证法原理，吉林人民出版社 1984 年版，第 120 页。

它有许多自然观察所不具有的优点。

二 化学实验的优点
它的优点主要表现在以下几个方面。
1．化学实验能最大限度地发挥人的主观能动性 通常的自然观察是在自然发生的条件下进行的，观察者对观察对象及其
所产生的现象不给以任何干预。例如，自然界中金属的锈蚀、某些物质的自 燃等现象，便是人们不给以干预就能产生的化学变化，并能被观察者所观察 到的化学现象。在科学技术较为发达的今天，人们在日常生活中已经能接触 到越来越多的新物质、新材料，对它们的一些属性通过观察已有了一些认识。 在自然条件下，有些化学现象是瞬间完成的，有些化学变化又是经过较长时 间才能完成的，还有些化学变化在自然条件下是不会发生的。所以，从一定 意义上讲，这种观察是处于一种被动状态的，限制了人的主观能动性，是很 难达到揭示研究对象本质属性的一种研究方法。为了深入地研究和认识物质 的本质或规律性，就必须充分发挥人的主观能动性，采取人为干预研究对象 的办法，自觉地、主动地变革它们，使那些直接观察不到的化学现象，通过 化学实验使其展现出来，使那些自然界不存在的新物质、新元素通过化学实 验人为地创造出来，使那些自然界存在的，但又满足不了人们需要的物质， 被人工合成出来。所以说，化学实验中人的主观能动性不仅表现在能够主动 地揭示研究对象的本质属性及其变化的规律性，使人的认识不断深化，而且 还表现在能改造、变革研究对象，创造出新物质、新材料，以满足人类在各 方面的需要。
2．化学实验能实现对研究对象的认识目的
　　化学实验总是先在实验者头脑中有了明确的实验目的之后才进行的。不 同的化学实验可能有不同的实验目的。有的化学实验是为了寻找某一化学现 象产生的原因，例如，人类对火及燃烧现象的实践经验，虽说已有 50 万年以 上的历史，但是关于物质燃烧现象的本质说明，在欧洲流传着的“燃素说” 大约统治了一百年之久。法国化学家拉瓦锡从 1772 年至 1777 年的 5 年中， 用天平做了大量的燃烧实验，于 1777 年提出了燃烧的氧化学说，使燃烧现象 得到了科学的解释。有的化学实验是为了认识某物质具有的属性，如在 1772 年英国化学家 D.卢瑟福利用燃烧磷的方法除去密闭器皿里的氧气，对得到的 剩余气体(即氮气)的性质进行了实验研究，了解到该气体具有灭火性，不能 维持动物的生命，也不能溶于苛性钾溶液，因此，他给它命名为“浊气”。 同年，英国化学家普利斯特里(J．Priestley，1733—1804)做了使木炭在密 闭于水上的空气里燃烧的实验，并用石灰水吸收剩余的气体，继续实验发
现剩下的 4 的空气不能支持燃烧，也不能维持生命。瑞典化学家舍勒
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(C. W. Scheele，1742—1786)和英国化学家卡文迪许(H. Cavendish，1731
—1810)在这时也做过木炭在密闭空气中燃烧的类似实验，经过对剩余气体的 实验研究，发现这种气体较空气轻，能灭火，其性质颇似“固定空气”(二氧 化碳)，不过其灭火性不如“固定空气”显著。后来拉瓦锡给“浊气”命名为 Nitrogen，即氮，至此，人们对空气中含有的氮及其性质才有了初步认识。 有的化学实验则是为了验证某一假说是否成立，例如，1904 年 J. J.汤姆生 根据电子的发现，提出了原子模型，他认为原子是一个平均分布着正电荷的