三 化学实验手段

化学实验手段是构成化学科学认识活动的不可少的要素。化学科学认识活动是否能达到预期的目的，在很大程度上取决于化学实验手段，为了深入理解化学科学认识中实验手段的作用，有必要对它做进一步的分析和探讨。

1. 化学实验手段

化学实验手段是指由化学实验仪器、装置、工具和设备等所组成的，为使化学实验者变革和控制化学实验对象，而使用的实在物体的总和。

在化学实验过程中，化学实验者一方面要把自己变革和控制实验对象的主观意图，通过化学实验手段以物化形式作用于实验对象，另一方面化学实验对象受到变革和控制之后，所显现出来的各种具体的化学现象和性质，通过化学实验手段反作用于化学实验者，使化学实验者能够获得有关化学实验对象的信息。没有化学实验手段，化学实验者和化学实验对象之间的联系就不可能发生，实验对象的各种性质和规律性的变化也就不能通过实验的变革而表现出来，化学实验者也就不能获得对实验对象各种属性的认识。可见， 化学实验手段是化学实验者用来认识化学实验对象，建立认识主体和认识客体间信息联系不可缺少的“桥梁”和“中介”。

1. 化学实验手段的类型和属性(1)化学实验手段的类型。

化学实验手段可按不同标准进行不同的分类。如果把化学实验手段看作人躯体外的认识工具，则按它是人肢体、感觉器官和思维器官的延伸则可划分为：延长感觉器官(如电子显微镜是人眼向微观方向的延长)、延长肢体(如化学实验的各种玻璃仪器)和延长思维器官(如带有电脑的各种大型现代化实验仪器)等三种类型的实验手段。

根据化学实验的目的和实验认识层次上的不同要求，又可把化学实验手段划分为：化学实验的基本科学手段和化学实验的现代化科学手段两大类型。前者通常是在化学实验室中，进行物质组成、性质、变化规律、物质的制备与合成的实验研究时所必不可少的最常用的实验仪器、工具和设备。其中的化学实验仪器主要指玻璃仪器(如试管、烧杯、烧瓶、量筒、试剂瓶、漏斗、干燥器、冷凝器、温度计、酒精灯等等)、陶瓷器皿(如坩埚、蒸发皿、研钵等)；常用的工具有：锉刀、剪刀、螺丝刀、手钳、小锤、镊子、电烙铁和验电笔等；实验设备主要指电动离心机、电炉、烘箱、电热吹风机、电源等基本电器设备。这些都是化学教学实验和化学科学研究实验中最常使用的化学实验手段，它们在实现科学认识中具有重要作用。化学实验中的现代化实验手段是在本世纪 20、30 年代以来随着工业生产和科学技术的高度发展而得到迅速发展的。如现代科学技术对许多新材料提出了达到超纯度的要求，

有的要求杂质分析的灵敏度要达到 10-6—10-8%，有的则要求对微量甚至痕量组分能够进行分析。于是，吸收光度法、发射光谱法、荧光法、各种类型的极谱法、放射化学分析法、质谱法等等一些新的实验手段和分析技术，在这种要求和推动下，相继创建和发展起来。由于这些新的实验手段普遍采用了电学、电子学和光学仪器以及一些较复杂的机械装置，因而使之具有简便、快速、准确，以至达到检验程序自动化等优点。在本世纪 40 年代以来，还兴起了一系列新的测定技术，比如 X 射线衍射法(如在晶体结构分析中用于测定分子中原子间距、共价半径、离子半径、范德华半径等)、电子光谱(如用于有机结构分析、配合物的电子结构和性质的解释等等)、振动光谱(如用于对有机化合物的鉴定、官能团的分析和结构的判断等)、质谱法(如用于测定分子量、原子量、同位素的丰度和分子结构等)等等。与这些新实验手段对应的仪器装置都是由复杂的几个部分构成的。例如，质谱法的质谱仪，虽然有多种形式，但是其基本构造都是由下述四个部分组成的。它们是：离子源(产生离子)、分析器(分析离子)、检测器和显示系统(记录谱图)。又如振动光谱的仪器装置是由光源、吸收池、单色器、检测器和电子记录器五个部件组成的。这些新的测定技术，使物质结构的研究从宏观深入到微观、从化学组成扩展到各物质的物理化学性质，从而使人们对物质的认识不断向深层次和向广阔领域发展成为可能。

化学实验中常用的工具和电器设备尽管也是化学实验中所不可少的手段，但它们还常被使用于其他场合。在化学实验手段中最能体现化学实验特点的是化学实验仪器，包括由化学实验仪器组装成的化学实验装置以及由电学、光学、电子学仪器等组成的用于进行化学分析、结构分析和测定的现代化大型科学仪器与设备。因此，对化学实验仪器的属性有一定了解，将有助于提高使用与控制仪器的自觉性，发挥改造与创制化学实验仪器的积极性。

(2)化学实验仪器的属性。

化学实验仪器的属性主要表现在如下几个方面。

化学实验仪器是为实现化学科学认识目的而创制和使用的人工制造物 从简单的试管、烧杯到复杂的、大型的现代化的实验仪器(如极谱仪等)，做为物质实体的每一件仪器，都不是天然存在物，而是一种人工制造出来的物件。而每一种化学实验仪器被创造无不体现着为了达到一定的认识目的和满足某项实践上的需要。如奥地利化学家普雷格尔(F.Pregl，1896—1930)为了进行有机物的微量分析，他利用玻璃管吹制了全套的微量有机分析的仪器和装置，并用他自己设计制造的燃烧炉分析了已知成分的某些有机化合物。

化学实验仪器是人的肢体、感觉器官和思维器官的延伸物 由于人体生理条件的限制，单纯依靠人体器官本身具有的功能，无法达到对物质化学运动规律的认识和改造的目的，为了加强和扩大人对物质微观粒子运动规律的认识能力，除了充分发挥人体各器官的作用外，还要利用各种手段达到认识和改造物质的作用。化学实验仪器属于人体外的认识手段，它可以延伸人的肢体、感觉器官和思维器官，强化和提高实验者的认识能力，可以扩大认识主体和认识客体之间的联系范围和联系方式。例如，1919 年英国剑桥大学的物理学家阿斯顿制成了速度聚焦型质谱仪，他用这台质谱仪发现了多种元素的同位素，研究了 53 个非放射性元素，发现了天然存在的 287 种核素中

的 212 种，第一次证明了原子质量亏损。这一系列成就，使他于 1922 年荣获

诺贝尔化学奖。如果没有这台装置，他的这一系列发现将是不可能的。由此可见，化学实验仪器能帮助人们克服自身生理上的缺陷，延伸人的肢体、感觉器官和思维器官，使人的认识不断向更深层次发展。

化学实验仪器是科学理论的物化 化学实验仪器是人们根据化学实验的需要，利用物质的性质，经过人为加工制造出来的。化学实验仪器的功能既取决于人们对制造它的原材料性质的认识以及有关科学理论和科学技术水平，也取决于人们制造它和使用它时所采用的实验技术和操作方法。如普通试管和硬质试管就是如此，它们是化学工作者根据化学实验的需要，利用玻璃做为原料，经过人的加工制造出来的最常用于加热的玻璃仪器。由于了解到普通玻璃和硬质玻璃在化学成分上的不同，使得他们在加工制作试管时所需要的火焰温度也就不同，在实验中使用时它们对受热的适应温度也就不同。化学实验中那些现代化实验方法的产生和现代化实验仪器的创制，都是基于广泛吸取了化学及其他学科所取得的科学认识成果和科学技术等各方面的新成就。例如，各种类型的极谱仪就大量利用了电子学原理和电子技术； 光学分析法要利用各种新型的光源、激发器、多种类型的光栅和多种材料的棱镜、光电池和光电倍增管。这些都充分说明化学实验仪器是科学理论的物化。因此，为了更好地使用科学仪器，就必须对科学仪器的基本原理有所了解。

1. 化学实验手段在科学认识过程中的地位和作用(1)化学实验手段在科学认识中的地位。

化学实验手段中的化学实验仪器和实验设备在化学科学认识中占有十分重要的地位。

化学实验仪器和设备是感性认识器官的延长，是人类理性认识成果 的物化 作为认识主体的化学实验者运用化学实验仪器设备的过程，就是从感性和理性两个方面来开发和深化认识实验对象这个客体的过程，在此同时，实现了化学实验者(认识主体)和实验对象(认识客体)的真正相互作用。而实验对象则通过化学实验仪器设备被转化成为可供实验主体进行感性认识的对象。尤其是在现代化学科学认识活动中，要想从实验对象获得大量的新的感性材料，就得创造和使用一系列的现代化的科学仪器和设备，因为，认识客体的许多新的自然信息，只有当认识主体通过科学仪器设备变革它时， 才能够显露出来而为认识主体所获得。如果没有化学科学仪器和设备作为认识手段，认识主体的认识活动就无法进行，认识主体就会跟认识客体分离， 从而使科学中断。

化学实验仪器是科学认识能力的指示物 马克思说：“劳动手段不仅是人类劳动力发展程度的测量器，而且是劳动所在社会关系的指示物。”① 同样，作为化学科学认识的手段，化学实验仪器设备也是化学科学认识能力和活动水平的指示物。一定水平的化学科学认识活动总是与一定水平的化学实验仪器设备的创造与使用相适应的。化学实验仪器设备是以物化的形式凝结着人的经验、智慧及其理论研究成果的物质实体。随着化学及有关科学理论和科学技术的不断发展与进步，化学实验仪器设备也经历着由简单到复杂、由低级向高级，以及向不断更新和现代化的方向发展。因此，化学实验仪器、设备的演化发展过程的本身便成了化学科学认识能力发展水平的物化

① 马克思恩格斯全集，第 23 卷，第 194—195 页。

指示物。如质谱仪的创制与演化发展过程就能较好地说明这一点。早在 1897 年汤姆生测定带电离子荷质比的工作以及有关电磁学实验和理论方面的成就就孕育了质谱仪的产生，到了 191O 年汤姆生设计了一种没有聚焦的抛物线质谱装置，这算是质谱仪的雏型，这项创造为质谱仪的发展开辟了道路，其后于 1918 年美国物理学家丹普斯特(A.J.Dempster，1886—195O)研制成了第一台单聚焦质谱仪，1919 年阿斯顿制成了速度聚焦质谱仪，到了 1934 年德国物理学家马陶赫(J.Mattauch，1895—1976)和赫佐格(K.Herzog)首先阐述了双聚焦理论，1935 年便按照这一理论制成了双聚焦质谱仪。50 年代后，质谱技术纵横发展，产生了许多新的分支。①

(2)化学实验手段在科学认识中的作用。

化学实验手段的作用主要表现在以下两个方面。

化学实验仪器、装置、设备具有延伸人的认识器官的作用 人的感觉器官是接收信息的器官，神经系统是信息的传递系统，大脑是倍息处理加工和存储的器官。从信息控制的角度看，人类的认识器官具有接收、传递、加工和验证信息的作用。因此，作为人类器官的延伸，化学实验手段起着加强和完善人类器官的这些作用。具体表现在：

首先，人类原有的感觉器官在接收和传递自然信息上有很大的局限性， 但是，化学实验仪器、装置、设备，能够帮助人超越肉体感官的局限性，扩大接收和传递信息的能力，并随着化学实验仪器、设备、装置等的发明和使用，这种生理上的局限性一再被冲破，帮助人们接收和传递更多的自然信息， 从而在广度和深度上极大地增强了人类认识器官的认识能力。

其次，化学实验仪器和设备等能够弥补人类器官接收和传递信息精确度上的不足。化学实验仪器能够引进客观的计量标准，克服人类感觉上的主观模糊性和粗糙不准确性，将感官上不可量度的运动变成可以精确量度的运动。从而能够使人获得更多、更精确的科学信息。

再次，化学实验仪器和大型实验设备能够帮助人们处理加工各种信息， 部分代替人的脑力劳动，从而提高思维效率。目前，电子计算机不仅可以部分地代替人脑的信息储存、数据处理、逻辑判断等方面的功能，而且还可以帮助人进行量子化学、化学动力学计算和有机合成路线设计，从而极大地提高了研究工作效率。

最后，化学实验手段在检验假说，在化学理论确立的过程中起着重要作用。化学史表明假说必须通过化学实验的检验才能转化成确实可靠的化学理论，在假说向理论的发展过程中，化学实验仪器往往起着十分关键的作用， 正如我们所知的，没有精密天平，也就不可能有真正的定量分析化学。

化学实验仪器和实验设备是提出和实现化学实验研究目的的现实条 件 化学实验研究目的的提出绝对不能单纯地由人的意志和愿望所决定。化学实验研究目的的提出受制于化学实验仪器和设备条件，如果没有必要的化学实验仪器和设备，或不具备创造和使用这些化学实验仪器设备的可能性时，要提出现实性的化学实验研究目的根本是不可能的。换言之，要保障化学认识活动的顺利进行，就必须充分估计到所具备的化学实验手段，以及制造与使用化学实验手段的现实可能性。因此，化学实验手段对化学实验研究目的的提出有着深刻的影响。化学实验研究目的的实现总是要依赖于一定的

① 赵匡华编著：化学通史，高等教育出版社 199O 版，第 41O—412 页。

化学实验手段。化学实验仪器、装置和设备的重要性，就在于它是认识主体作用于认识客体、化学实验研究目的向化学实验研究成果的过渡中必不可少的桥梁、媒介和工具。

构成化学实验的三个要素是一切类型化学实验共同具备的。化学实验中的三个要素彼此通过一定的结构，结合成相互联系、相互作用的有机整体， 才能形成现实的化学实验活动。各要素间的相互联系、相互作用是沿着两个方面进行的(如下图所示)。一方面，化学实验者通过化学实验手段，以控制和变革化学实验对象，促使化学实验对象发生变化显示出其特有属性，给出各种自然信息；另一方面，化学实验对象所表现出的各种属性、信息又作用于化学实验仪器，并通过化学实验仪器为化学实验者所接受。