吳俊明

摘要： 化學(xué)活性與化學(xué)活性思維的界定?；瘜W(xué)思維的發(fā)展歷程?；瘜W(xué)活性思維的主要問題。在化學(xué)活性思維教學(xué)中，要注意處理好7個問題，要特別注意培養(yǎng)和保護學(xué)生開展化學(xué)活性思維的興趣。在中學(xué)化學(xué)中只宜滲透活性思維，不宜對活性思維提出明確要求，更不能提出過高要求。為此，有關(guān)化學(xué)活性思維的內(nèi)容可以只學(xué)不考。寬松的學(xué)習(xí)要求可以維持、發(fā)展學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)思維; 化學(xué)活性; 化學(xué)活性思維; 化學(xué)教學(xué); 現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)

文章編號： 1005-6629（2019）8-0003-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 ?化學(xué)活性與化學(xué)活性思維

所謂化學(xué)活性是指一種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和容易程度。對于不同類型的化學(xué)反應(yīng)，一種物質(zhì)的活性可能是不同的，所以化學(xué)活性有時是對特定種類化學(xué)反應(yīng)而言的。一般地說，化學(xué)活性越強，物質(zhì)越不穩(wěn)定，更容易發(fā)生反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)活性較強，即容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)常被稱為化學(xué)活性物質(zhì)。

化學(xué)活性思維是人類關(guān)于化學(xué)活性和化學(xué)活性物質(zhì)的思維活動。物質(zhì)沒有化學(xué)活性就不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也就沒有化學(xué)科學(xué)?，F(xiàn)代化學(xué)中的分子反應(yīng)動力學(xué)、激發(fā)態(tài)化學(xué)、過渡態(tài)化學(xué)以及輻射化學(xué)、多相催化化學(xué)、光電磁活性高分子化學(xué)、表面化學(xué)、蛋白質(zhì)分子設(shè)計等等都是以分子的化學(xué)活性思維為基礎(chǔ)的。2017年，我國科學(xué)家利用化學(xué)物質(zhì)合成了4條人工設(shè)計的釀酒酵母染色體，標(biāo)志著人類向“再造生命”又邁進(jìn)一大步，這個重大成果也是以分子的化學(xué)活性思維為基礎(chǔ)的[1]。物質(zhì)的化學(xué)變化及其在化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)是化學(xué)科學(xué)研究的核心內(nèi)容。因此，化學(xué)活性思維對于化學(xué)科學(xué)來說，是十分重要的，它應(yīng)該是化學(xué)思維的重中之重?；瘜W(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維和物質(zhì)組成思維之所以重要，原因也在于它們跟化學(xué)的活性思維密切地關(guān)聯(lián)著。

2 ?化學(xué)活性概念的形成

化學(xué)活性概念的形成過程是近代化學(xué)活性思維起步、逐步深入和明晰的過程。

人類早就發(fā)現(xiàn)了不同物質(zhì)具有不同化學(xué)反應(yīng)活潑性的個別例子。例如，歐洲煉金家在13世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)了硫酸、硝酸和王水等無機酸以及醋酸[2]，對它們的酸性的強弱差異有所感知。到了醫(yī)藥化學(xué)時期，格勞伯（J.R. Glauber，德）通過實驗明了不同的酸具有不同的強度;西爾維斯（F. Sylvius，比）據(jù)此提出了酸度概念[3];范.海爾孟特（J.B. van Helmont，比）則發(fā)現(xiàn)火藥點著后放出使容器炸裂的氣體，可是木炭、硫磺和硝石分別加熱并不爆炸[4]……當(dāng)時，“熱質(zhì)說”正在流行，曾有人用是否含有“熱質(zhì)”以及“熱質(zhì)”含量多少來解釋物質(zhì)的活潑性。例如，性質(zhì)活潑的氧氣就被解釋為氧元素和“熱質(zhì)”的化合物[5]。17世紀(jì)牛頓力學(xué)的成功使英國乃至歐洲產(chǎn)生了力學(xué)崇拜，人們偏愛用“力”來解釋各種現(xiàn)象。受力學(xué)崇拜影響，格勞伯提出了“親和力說”，認(rèn)為各種物質(zhì)反應(yīng)活潑性有大有小的原因在于它們的親和力有大有小[6]，牛頓（I. Newton，英）本人也肯定親和力有力學(xué)性質(zhì)[7]。

什么是“親和力”？“親和力（affinity）”最早由13世紀(jì)德國天主教主教馬格努斯（Albert Magnus，德）提出，具有擬人化色彩。貝格曼（T.O. Bergman，瑞典）認(rèn)為親和力是物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)能力的一種宏觀量度[8];波義耳（R. Boyle，英）則把親和力看作微粒間結(jié)合或分離的表現(xiàn)，揣測“物質(zhì)的親和力及由此而來的自然現(xiàn)象絕大部分似乎依賴于物體的微小組分的運動和機構(gòu)”[9]。1718年，日夫魯瓦（. F. Geoffroy，法）按照親和力由大到小順序編制了60多種物質(zhì)分別跟16種（或類）化學(xué)物質(zhì)的“親和力表”[10]。后來，施塔爾（G.S. Stahl，德）、貝格曼等人也提出了各自設(shè)計的親和力表。貝托雷（C.L. Berthollet，法）對化學(xué)親和力作了深入的探討，于1801年發(fā)表《親和力定律的研究》，1803年又發(fā)表《化學(xué)靜力學(xué)概論》。他指出，化學(xué)反應(yīng)一方面決定于親和力的大小，另一方面也決定于反應(yīng)物的質(zhì)量;外部條件，首先是溫度，對化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果也有較大影響。貝托雷已經(jīng)觸及化學(xué)反應(yīng)方向、反應(yīng)進(jìn)行程度以及內(nèi)、外因素的影響等，已經(jīng)接近后來確立的質(zhì)量作用定律了?？上?，貝托雷的觀點當(dāng)時沒有受到重視，其根源在于當(dāng)時對于化學(xué)反應(yīng)這個特殊運動形式的物質(zhì)基礎(chǔ)缺乏深入的了解。恩格斯（F. Engels，德）曾經(jīng)說過： 就認(rèn)識的一般次序來說，必須先研究事物，而后才能研究過程。必須先知道一個事物是什么，而后才能覺察這個事物所發(fā)生的變化。自然科學(xué)中的情形正是這樣。在沒有弄清楚化學(xué)物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)之前，對物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)活性的探索必然只能像“瞎子摸象”一樣，憑表面經(jīng)驗進(jìn)行臆測，使得當(dāng)時的活性概念始終模糊不清，距離本質(zhì)甚遠(yuǎn)。

從日夫魯瓦提出第一個“親和力表”到貝托雷發(fā)表《化學(xué)靜力學(xué)概論》差不多100年之后，即19世紀(jì)前半葉，化學(xué)家們的研究重點終于轉(zhuǎn)向了物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)： 1803年，道爾頓（J. Dalton，英）提出了化學(xué)原子論，統(tǒng)一解釋了許多已知的化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)經(jīng)驗定律。1812年，貝采尼烏斯（J. J. Berzelius，瑞典）基于電解現(xiàn)象提出了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的電化二元說。一些化學(xué)家注意到，一切化學(xué)元素生成化合物時跟它化合的原子的數(shù)目是一定的，表現(xiàn)出它具有一定的“化合力”。凱庫勒（F.A. Kekulé，德）認(rèn)為，元素原子的這種化合力，表示它具有一定的“親和力單位”，這導(dǎo)致了后來原子價（化合價）概念的形成。這樣，原子價就成了化學(xué)親和力的具體表現(xiàn)和度量值，由于此時對物質(zhì)微粒，特別是微粒運動的認(rèn)識比較粗淺，從物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)研究來認(rèn)識化學(xué)親和力還不能達(dá)到揭示其本質(zhì)的程度。這種情況直到19世紀(jì)中葉一些化學(xué)家開始注意對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行比較深入的研究才得到改變[11]。

1836年，蓋斯（G.H. Hess，瑞士）根據(jù)大量實驗事實總結(jié)出“在任何一個化學(xué)過程中，不論該化學(xué)過程是立刻完成，還是經(jīng)過幾個階段完成，它所產(chǎn)生的熱的總量是相同的”（蓋斯定律）。他曾經(jīng)明確地說：“我總是把放出的熱量看作對化學(xué)親和力的量度……如果我們希望發(fā)現(xiàn)親和力的規(guī)律，就不僅要能對它們進(jìn)行比較，而且應(yīng)該足夠準(zhǔn)確地測量它們的作用。”1847年，格羅夫（W.R. Grove，英）發(fā)現(xiàn)水的熱離解現(xiàn)象。自此，化學(xué)家們開始相信原子間的相互作用可以用一定量的熱或功來衡量。19世紀(jì)后半葉，通過對許多化學(xué)物質(zhì)（特別是有機物）的燃燒熱和生成熱測定，逐步形成了計算一些化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的方法。1854年，湯姆森（J. Thomson，丹麥）提出“每一個簡單的或復(fù)雜的純化學(xué)作用，都伴隨著熱量的產(chǎn)生”。1875年，貝特羅（P. E. M. Berthelot，法）斷言： 任何一個沒有外部能量影響的純化學(xué)變化，總是向著產(chǎn)生能釋放最大熱量的物質(zhì)或物系的方向進(jìn)行（“最大功原理”）。他們企圖從化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)來解釋化學(xué)過程的方向性，認(rèn)為反應(yīng)熱是反應(yīng)物化學(xué)親和力的量度。雖然人們后來發(fā)現(xiàn)一些吸熱反應(yīng)也能自發(fā)進(jìn)行，揭示了他們的這個認(rèn)識并不妥當(dāng)，但是他們使人們對親和力的認(rèn)識從簡單的機械力、電性力、“化合力（原子價）”等等轉(zhuǎn)向關(guān)注能量問題，從思維發(fā)展角度看，不能不說這是一個值得肯定的重要轉(zhuǎn)向，具有積極的意義。

19世紀(jì)60年代，由于化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，要求人們精確研究化學(xué)過程以及各種因素對化學(xué)過程的影響，以便有效地提高反應(yīng)速率和產(chǎn)率。同時，物理學(xué)中的熱力學(xué)以及分子運動論為化學(xué)提供了處理化學(xué)過程問題的理論工具。這雙重因素促成人們通過對化學(xué)過程的反復(fù)研究對化學(xué)親和力有了進(jìn)一步認(rèn)識： 開始用反應(yīng)熱（后來用自由能改變）等熱力學(xué)量來量度化學(xué)過程，或者用反應(yīng)速率來代替親和力這個含糊的概念。1867年，古德貝格（C.M. Guldberg，挪）和瓦格（P. Waage，挪）在他們的第二部親和力專著《關(guān)于化學(xué)親和力的研究》中以明確的形式陳述了質(zhì)量作用定律。1879年，古德貝格和瓦格指出：“關(guān)于物質(zhì)之間或它們的組成部分之間的吸引力的簡單概念是有缺陷的。必須考慮到原子和分子的運動?！备鶕?jù)這個思想，他們賦予“有效質(zhì)量”新的含義——單位體積中反應(yīng)物分子數(shù)（即濃度），并以“反應(yīng)速率”代替以前的“力”。他們還認(rèn)為，反應(yīng)速率決定于相互作用的粒子的碰撞幾率;指出分子碰撞只有一部分導(dǎo)致反應(yīng)，從而逐漸擺脫了形而上學(xué)機械論的影響[12]。

1850年以后，化學(xué)家們注意到溫度對反應(yīng)速率有強烈影響。1884年，范霍夫（J. H. Varrt Hoff，荷）提出了反應(yīng)速率常數(shù)k和溫度T的關(guān)系式dlnkdT=ART2。1887年，阿累尼烏斯（S. Arrhenius，瑞典）發(fā)現(xiàn)溫度對反應(yīng)物分子的運動速度、碰撞頻率、濃度和反應(yīng)體系的黏度等物理現(xiàn)象的影響遠(yuǎn)小于溫度對反應(yīng)速度的影響。為解釋這個現(xiàn)象，他在1889年發(fā)表的論文《關(guān)于蔗糖在酸的作用下反應(yīng)速率的研究》中，設(shè)想在蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系中存在著一種不同于一般的反應(yīng)物分子（M）的“活化分子”（M*），后者才是真正參加反應(yīng)的分子，其濃度隨溫度升高而顯著增加，反應(yīng)的速率取決于活化分子的濃度。他還認(rèn)為，活化分子M*是由非活化分子M吸收一定熱量（活化熱）轉(zhuǎn)化而成的;跟非活化分子相比，活化分子數(shù)量極少，但能量很高。他給出了一系列公式，把他的質(zhì)性的理論假說變成了可以用量來檢驗的科學(xué)原理。阿累尼烏斯提出活化分子和活化能活化能是指分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的最小能量，是活化分子的平均能量與反應(yīng)物分子平均能量的差值。阿累尼烏斯活化能是經(jīng)驗活化能，跟由動力學(xué)推導(dǎo)出來的活化能有所區(qū)別。阿累尼烏斯提出了活化能的概念，但對活化能的解釋不夠明確，特別是把活化能看作是與溫度無關(guān)的常數(shù)，這與許多實驗事實不符。概念，觸及了化學(xué)活性的本質(zhì)，不僅合理解釋了碰撞理論，解釋了化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系，揭示了化學(xué)反應(yīng)共同的活化機理，形成了以后各種化學(xué)動力學(xué)理論共同的基本概念，也使化學(xué)動力學(xué)的發(fā)展邁過了一道有決定意義的門檻，迅速地被化學(xué)家們廣為接受。至此，科學(xué)的化學(xué)活性概念終于形成。

活化分子和活化能概念的提出不是“證據(jù)”（事實）推理的結(jié)果，也不是運用已有模型的結(jié)果，而是發(fā)現(xiàn)問題（差異）后提出創(chuàng)造性假設(shè)并獲得證實、進(jìn)一步形成合理模型的結(jié)果，是創(chuàng)造性思維的一個范例。

3 ?化學(xué)活性認(rèn)識的深化與拓展

阿累尼烏斯的活化分子和活化能理論劃清了活性跟原子間作用力、原子價、反應(yīng)熱以及反應(yīng)速率等的界限，使化學(xué)活性這個概念有了明晰的內(nèi)涵，宣告了現(xiàn)代化學(xué)活性理論的誕生，啟動了現(xiàn)代的化學(xué)活性思維。從此，化學(xué)活性概念開始了深度和廣度的發(fā)展。

例如，催化理論的發(fā)展深化了人們對化學(xué)活性的認(rèn)識： 催化劑為什么能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而它在反應(yīng)后又沒減少呢？為了解釋這個問題，在19世紀(jì)初期有人提出中間化合物假說，認(rèn)為催化劑之所以有催化能力，是由于生成了中間化合物的結(jié)果。隨著研究不斷深入、新的實驗事實越來越多，人們發(fā)現(xiàn)催化作用不一定是在均相中進(jìn)行，更多的是在多相中進(jìn)行;在發(fā)生多相催化時，會因為吸附作用使反應(yīng)物分子相互接近而容易進(jìn)行反應(yīng)。受貝采尼烏斯電化學(xué)說影響，有人認(rèn)為吸附作用是由于正、負(fù)電性產(chǎn)生了分子吸引力。1834年，法拉第（M. Faraday，英）提出不同于此的吸附理論，認(rèn)為催化作用不是電力使然，而是靠物質(zhì)相互吸引產(chǎn)生的氣體張力。1916年，朗繆爾（I. Langmuir，美）發(fā)表了關(guān)于單分子表面膜的行為及性質(zhì)，以及關(guān)于固體表面吸附作用的研究成果之后，科學(xué)界在1920～1940年間大量的研究成果對催化理論有著重大的影響。在這一時期人們還發(fā)現(xiàn)： 少量的某些物質(zhì)能使催化劑“中毒”而失去催化活性。通過對吸附量和脫附速度的研究，以及催化過程中催化劑失去催化活性的研究，化學(xué)家們得出了對多相催化理論有根本意義的結(jié)論，即催化反應(yīng)是在催化劑表面直接相連的單分子層中進(jìn)行的。就此，泰勒（H.S. Taylor，美）于1925年率先提出活性中心理論，認(rèn)為催化劑的表面是不均勻的，位于催化劑表面微晶的棱和頂角處的原子具有不飽和的鍵，形成了活性中心，催化反應(yīng)只發(fā)生在這些活性中心，從而很好地解釋了催化劑制備工藝和毒物對活性的影響。1929年，巴蘭金（A.A. Баландин，蘇）提出多位催化理論，認(rèn)為在多相催化反應(yīng)中，反應(yīng)分子中需要斷裂的鍵位同催化劑活性中心應(yīng)該有一定的幾何對應(yīng)關(guān)系和能量對應(yīng)原則，催化劑的活性跟其電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。1939年，柯巴捷夫（H.И. Koбaзeв，蘇）提出了催化的活性集團理論，認(rèn)為催化劑的非晶相（原子相）是催化活性的承擔(dān)者，活性中心是由催化劑表面上非晶相的幾個催化劑原子組成的集團[13]。催化理論的發(fā)展不僅使人們對催化活性有所了解，還強化了人們的下列認(rèn)知： 化學(xué)活性跟有效碰撞聯(lián)系在一起，跟化學(xué)鍵的斷裂與生成聯(lián)系在一起;鍵能越小，化學(xué)鍵就越容易斷裂，也就容易形成新的化學(xué)鍵、形成新的化合物，從而表現(xiàn)出化學(xué)活性。總之，化學(xué)活性思維關(guān)注的重點呈現(xiàn)了由活性物質(zhì)到活性分子，由活性分子到活性中心，以及由活性分子到活性鍵，逐步轉(zhuǎn)移、聚焦、深化、接近本質(zhì)的走勢。

現(xiàn)代化學(xué)還衍生了表面活性、電化學(xué)活性，甚至于生物化學(xué)活性、光學(xué)活性等拓展性活性概念。

所謂表面活性指的是溶質(zhì)使溶劑表面張力降低的性質(zhì)，具有表面活性的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)或表面活性劑。在膠體化學(xué)中把能降低溶劑表面張力并使溶液在表面上濃度比內(nèi)部濃度大的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。

納米態(tài)物質(zhì)由于具有較大的表面能會表現(xiàn)出一些非?；钚裕ɡ纭凹{米銅”在空氣中可以自燃）。所謂表面能是創(chuàng)造物質(zhì)表面時對其內(nèi)部化學(xué)鍵破壞的度量，或者說，是材料表面相對于材料內(nèi)部所多出的能量。新形成的表面穩(wěn)定性差，會通過表面原子重組和相互間的反應(yīng)，或者跟周圍的其他分子或原子作用，來使表面能量降低。

電化學(xué)活性是指物質(zhì)在電化學(xué)過程中表現(xiàn)出的化學(xué)活性，例如某些離子（或基團等）在特定電極發(fā)生氧化（或還原）的化學(xué)活性，常常表現(xiàn)為過電位高低（激發(fā)能高低），在某一電位下特定電極響應(yīng)電流的大小，等等。特定電化學(xué)裝置（例如修飾電極）可以影響離子（或基團等）得失電子的過程，電化學(xué)活性對電化學(xué)裝置的性能或效率起著關(guān)鍵作用。

生物化學(xué)活性物質(zhì)是指來自生物體內(nèi)的對生命現(xiàn)象具有影響的微量或少量物質(zhì)，例如大豆中的異黃酮、皂苷，植酸鹽，酚酸和胰蛋白酶抑制劑等可預(yù)防心臟病和癌癥等退行性病變，它們都屬于生物活性物質(zhì)。光學(xué)活性則是指一種物質(zhì)旋轉(zhuǎn)偏振光振動平面的能力，這是由于物質(zhì)折射或吸收左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的程度不同而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。具有對映異構(gòu)體的分子才有光學(xué)活性，可能包含手性碳原子，也可能不包含，包含手性碳原子的分子不一定具有光學(xué)活性，如內(nèi)消旋體。

4 ?現(xiàn)代化學(xué)活性思維的幾個問題

解決了“什么是化學(xué)活性”問題之后，“化學(xué)活性是怎樣產(chǎn)生、形成的”、“怎樣增大或減小物質(zhì)的化學(xué)活性”以及“怎樣度量物質(zhì)的化學(xué)活性”等問題就成為現(xiàn)代化學(xué)活性思維的主要問題。

現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論從根本上回答了“化學(xué)活性是怎樣產(chǎn)生、形成的”這個問題： 現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論證實，在正常狀態(tài)（基態(tài)）時，原子的核外電子排布遵循能量最低原理，整個原子的能量處于最低狀態(tài)（最低能級）。這時，電子在離核最近的軌道上運動，處于穩(wěn)定狀態(tài);原子及其電子在空間各處出現(xiàn)的幾率不隨時間變化，而且具有確定的能量，即處于定態(tài)。在絕對零度時，全部粒子都處于能量可能的最低狀態(tài)，也就是全部粒子都處于基態(tài)。

原子或分子吸收一定的能量后，電子可以被激發(fā)到較高能級但尚未電離的狀態(tài)（激發(fā)態(tài)）。激發(fā)態(tài)一般是指電子激發(fā)態(tài)。氣體受熱時分子平動能增加，液體和固體受熱時分子振動能增加，但沒有電子被激發(fā)，這些狀態(tài)都不是激發(fā)態(tài)。當(dāng)原子或分子處在激發(fā)態(tài)時，電子云的分布會發(fā)生某些變化，分子的平衡核間距離略有增加，化學(xué)反應(yīng)活性增大。原子或電子從基態(tài)變成激發(fā)態(tài)需要從外界吸收的能量稱為激發(fā)能。

現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論也回答了“怎樣增大或減小物質(zhì)的化學(xué)活性”這個問題： 要增大物質(zhì)的化學(xué)活性，可以通過（1）熱激發(fā)（加熱時分子平動能可以經(jīng)分子碰撞轉(zhuǎn)化為電子激發(fā)能）;（2）光激發(fā)（處于基態(tài)的原子或分子吸收一定能量的光子后可躍遷至激發(fā)態(tài)）;（3）電激發(fā)（通過放電、電離輻射或電磁輻射提供激發(fā)能）來增加活化分子。此外，還可以通過形成自由基（帶有不成對電子的分子碎片，是物質(zhì)的一種活性形式）、增大比表面積、吸附致活（降低激發(fā)能閾值）等途徑來增大物質(zhì)的化學(xué)活性。激發(fā)態(tài)分子具有大于化學(xué)鍵離解能的激發(fā)能時便解離成分子碎片，其中超過化學(xué)鍵離解能的部分變?yōu)榉肿铀槠膭幽?。通過激發(fā)能在分子間的轉(zhuǎn)移，會形成激發(fā)態(tài)復(fù)合物，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)反應(yīng)（如加成、脫氫反應(yīng)）等。

減小物質(zhì)的化學(xué)活性主要通過激發(fā)態(tài)去活、減少活化分子來實現(xiàn)。由于處于激發(fā)態(tài)的分子是不穩(wěn)定的，很容易返回到基態(tài)，同時放出多余的能量。激發(fā)態(tài)能量耗散去活的途徑有： （1）輻射躍遷（熒光或磷光）;（2）無輻射躍遷（系間竄越，內(nèi)部轉(zhuǎn)變）;（3）傳能和猝滅（激發(fā)態(tài)分子將能量傳遞給另一基態(tài)分子并使其激發(fā)）等。

實際上，除了電子發(fā)生軌道躍遷產(chǎn)生活性以外，誘導(dǎo)效應(yīng)、表面效應(yīng)和空間效應(yīng)等可以使電子的軌道能級發(fā)生變化而導(dǎo)致活性的變化。

怎樣度量和估算物質(zhì)的化學(xué)活性？由于（獲得）活化能是分子具有化學(xué)活性的本質(zhì)原因，因而它是度量物質(zhì)化學(xué)活性的恰當(dāng)標(biāo)度。反應(yīng)物分子獲得活化能而活化后形成了活化體，在活化體中，即將斷裂的鍵被削弱、即將形成的鍵初具端倪。活化體的壽命非常短促，它一經(jīng)生成，就會很快地向生成物分子轉(zhuǎn)化。這時，形成生成物分子并不需要反應(yīng)物分子中的鍵先完全斷裂，這意味著反應(yīng)的活化能因而可以大大減小。以基元反應(yīng)2HIH2+2I·為例，反應(yīng)的活化能只有180千焦/摩，遠(yuǎn)小于斷裂兩個H—I鍵所需要的能量（594.4千焦/摩）。一般情況下，可以由反應(yīng)涉及的化學(xué)鍵的鍵能實測值來估計基元反應(yīng)的活化能：

對于分子裂解成自由基的基元反應(yīng)來說，所需的活化能即為被解裂的化學(xué)鍵的鍵能;

對于A·+B—C→A…B…C→A—B+C·型的基元反應(yīng)，在放熱方向上，由于有一個反應(yīng)物分子是活性很大的原子或自由基，所需的活化能一般約為B—C鍵能的5%，即Ea≈0.05EB—C;在吸熱方向上，反應(yīng)的活化能為E′a=Ea+ΔH;

對于H—I+H—I→H2+2I·型的基元反應(yīng)，所需的活化能一般約為H—I鍵能的30%，但其應(yīng)用有所限制;

對于自由基的復(fù)合反應(yīng)，活化能一般等于零（無需活化能）[14]。

5 ?化學(xué)活性思維的教學(xué)

在涉及活性思維的化學(xué)教學(xué)中，建議注意處理好下列幾個問題：

（1） 引導(dǎo)學(xué)生正確理解化學(xué)活性概念。

在討論化學(xué)活性時，中學(xué)生可能會聯(lián)想到金屬的活動性/活潑性，聯(lián)想到金屬性和非金屬性，以及氧化性和還原性。這些概念的涵義有所不同，要注意區(qū)分“大小”和“能不能”，注意到金屬性、非金屬性是對元素而言的，是指元素原子在化學(xué)反應(yīng)中失去或獲得電子的能力，通常依據(jù)金屬的最高氧化物的水化物酸堿性如何以及氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性如何等作出強弱判斷;金屬活動性/活潑性是對單質(zhì)而言的，是指金屬單質(zhì)在水溶液中失去電子生成（水合）金屬陽離子的傾向，排序依據(jù)是金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，它不但與金屬失電子能力有關(guān)，還跟金屬離子的水化能以及有關(guān)的晶格能有關(guān)。金屬的活動性/活潑性是其單質(zhì)整體性質(zhì)的表現(xiàn)，一般不涉及活性中心（金屬晶體是可能存在活性中心的，例如新剪切的鋁片邊緣由于應(yīng)力集中使晶格畸變能夠明顯地跟冷水反應(yīng)，金屬與雜質(zhì)界面往往也會出現(xiàn)活性中心）。至于氧化性和還原性，也是物質(zhì)整體表現(xiàn)的性質(zhì)，微觀的分析不過是對整體性質(zhì)的解釋而已?；瘜W(xué)活性一定跟化學(xué)鍵的變化聯(lián)系在一起，常常也跟活化能聯(lián)系在一起。一個變化如果跟化學(xué)鍵變化（斷裂與生成等）無關(guān)，也就跟化學(xué)活性無關(guān)（例如水溶液中的離子沉淀“反應(yīng)”）。

（2） 注意引導(dǎo)學(xué)生逐步深入關(guān)注活性物質(zhì)、活性分子、活性中心、活性鍵，養(yǎng)成活性思維意識，逐步學(xué)會準(zhǔn)確地找到物質(zhì)分子的活性中心。

（3） 引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)活性的表現(xiàn)、變化規(guī)律、應(yīng)用和比較。

例如： 同周期內(nèi)各元素（單質(zhì)）化學(xué)活性的變化;同族內(nèi)金屬單質(zhì)（晶體）的活性大小順序以及非金屬單質(zhì)（分子、晶體）的活性大小順序;有機物同系列內(nèi)或者各衍生物中不同化合物的活性順序;乙烯和乙炔化學(xué)活性的比較，等等。

（4） 電負(fù)性、電子云等概念有助于學(xué)生理解和尋找分子的活性中心，在教學(xué)中可注意運用。

（5） 有機化學(xué)中的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性規(guī)律、共軛效應(yīng)、立體化學(xué)影響、誘導(dǎo)效應(yīng)、取代基定位歷程及規(guī)律、加成反應(yīng)歷程及規(guī)律等等，常?？梢宰鳛閷W(xué)生滲透活性思維的有效載體。

（6） 現(xiàn)代化學(xué)的前沿研究常常涉及活性原子、活性中心等，精心選擇的一些內(nèi)容可以作為活性思維訓(xùn)練的生動案例，利于培養(yǎng)學(xué)生對活性思維的興趣，不妨注意尋找、利用。

例如，氫氣是高效的清潔能源。如何以水為原料大量地生產(chǎn)廉價氫氣，一直是許多化學(xué)家不懈探索的重要課題。但是，水分子非常穩(wěn)定、在尋常條件下很難分解，實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵在于找到能夠使水分子活化的催化劑。以銥為代表的鉑基催化劑是目前最好的水分解催化劑，最常見的方法是通過水裂解產(chǎn)生氧氣，進(jìn)而形成氫氣。這一電/光電催化析氧反應(yīng)（OER）過程中，涉及四電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜反應(yīng)過程，具有反應(yīng)動力學(xué)緩慢和較大的過電位，限制了整體的能量轉(zhuǎn)換效率，而且鉑基催化劑昂貴，難以大規(guī)模地實際使用。最近有媒體報道： 加州大學(xué)伯克利分校研究人員開發(fā)的廉價的新催化劑可以和鉑一樣有效地由水生成氫燃料，該催化劑是由特殊工藝制成的金屬碳化物納米薄片，碳化鉬能最有效地分裂水，其次是碳化鎢，然后是碳化鈷，鉬離子與少量鈷混合可以進(jìn)一步提高性能[15]。我國浙江大學(xué)侯陽研究員用仿生學(xué)方法將高度分散的鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳基底上，設(shè)計并開發(fā)出一種單原子OER催化劑，用于高效電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)。由于分散的鎳單原子與周圍3個氮原子及1個硫原子形成配位結(jié)構(gòu)摻雜到納米碳骨架作為催化活性位點，而硫原子的引入優(yōu)化了鎳-氮摻雜納米碳表面的電荷分布，大幅度降低了OER反應(yīng)勢壘，進(jìn)而極大地加速了OER反應(yīng)動力學(xué)，跟市場上廣泛應(yīng)用的商業(yè)銥基催化劑比，其過電位降低了大約5%，成本降低了約80%以上，并且穩(wěn)定性大幅度提高，展現(xiàn)出工業(yè)級電解水制氫的潛能。該研究也為如何設(shè)計低成本、高活性人工固氮合成氨、二氧化碳高值化利用和氧還原催化材料的設(shè)計提供了新的思路[16]。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院李越研究員課題組則研究如何同時降低陽極析氧反應(yīng)（OER）和陰極析氫反應(yīng)（HER）的過電位，實現(xiàn)在低電位下的大電流產(chǎn)氫，進(jìn)而降低電能消耗與制氫成本。他們將具有析氫性能的Ni3Se4納米片和析氧性能的NiFe組裝成具有分級結(jié)構(gòu)的異質(zhì)全解水催化劑。由于穩(wěn)定的分級結(jié)構(gòu)以及催化劑之間的電子相互作用，這種納米催化劑具有優(yōu)異的全解水活性，全解水電流密度為10mA/cm2時，所需電壓僅為1.54V，并且在電流密度為10mA/cm2時持續(xù)工作100小時，沒有明顯的衰減，證明其穩(wěn)定性非常好，從而為開發(fā)低成本、高活性的雙功能電解水催化劑提供了一種有效的設(shè)計思路[17]。

再如，20世紀(jì)70年代以來，化學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)在許多金屬酶或蛋白的多核活性中心中，過渡金屬原子間存在明顯的電子相互作用，正是這種相互作用使各金屬中心得以作為生物功能的組成單元參與酶或蛋白的整個生化過程，從而使這種酶或蛋白能在許多極重要的生化過程中表現(xiàn)出單金屬酶或蛋白所沒有的生物活性，諸如N2、 O2和水這樣的惰性或自然界存量豐富的物質(zhì)一旦受到這種酶或蛋白活性中心的絡(luò)合活化，即變成極易反應(yīng)的活性分子，其底物分子的催化轉(zhuǎn)化速度在室溫、常壓且中性水介質(zhì)的溫和反應(yīng)條件下，可以超過1摩爾底物/（摩爾酶·秒）。目前，有不少化學(xué)家正就此進(jìn)行仿生模擬，尋找高效、溫和的人工固氮和植物光解水等等方法[18]。

（7） 要注意培養(yǎng)和保護學(xué)生開展化學(xué)活性思維的興趣。在中學(xué)化學(xué)中只宜滲透活性思維，不宜對活性思維提出明確要求，更不能提出過高要求。為此，有關(guān)化學(xué)活性思維的內(nèi)容可以只學(xué)不考?，F(xiàn)在，“重要內(nèi)容必考”、“重要內(nèi)容考題必難”似乎已成了命題與應(yīng)考的思維定勢。其實，過度、失當(dāng)?shù)目荚嚳赡苡绊憣W(xué)生的學(xué)習(xí)意愿，寬松的學(xué)習(xí)要求倒常?？梢跃S持、發(fā)展學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！安豢肌庇衅浞e極的內(nèi)容，因而可說是一種策略，絕不意味著活性思維不重要。在化學(xué)活性思維的教學(xué)中，我們一定要注意這一點。