医用化学教学中科学家的介绍
中图分类号：G642.4 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）08-0069-03
Introduction of Scientists in Class of Medical Chemistry//LIU Yongdong， ZHANG Shufen， ZHONG Rugang
Abstract The introduction of scientist’s achievements and hard studying process is an important material to expand and enrich the teaching content. In this paper， combined with the whole content of medical chemistry course， the fruitful research work from Arrhenius S.A. and Nernst W. was duly introduced to the students in the class. The introduction of scientists not only riches the teaching content and stimulates the students’ interest in learning， but also gives students more spiritual guide.
Key words medical chemistry； Svante August Arrhenius； Walther Nernst
医用化学是面向医学、药学和生物学等专业的学生讲授现代化学基本概念、基本原理及其应用知识的一门重要基础课程[1]，它将为学生日后相关领域的深入学习打下较坚实的基础。尤其现代生物医学进入了分子生物学时代，而化学在这一时代中体现出与现代医学之间越来越密切的联系。因此，医用化学的学习对于生命医学等相关专业学生的发展起到至关重要的作用。然而，由于医用化学课程内容本身较庞杂和枯燥，所以如何扩充课堂教学内容，调整教学方式，进而激发学生兴趣，一直是个具有挑战性的课题。
科学家的光辉成就及其艰辛研究历程的介绍是扩充和丰富教学内容的重要素材[1-2]。阿伦尼乌斯[2-3]和能斯
特[2，4-5]分别是1903年和1920年的诺贝尔化学奖得主，他们两人的工作都涉及多个领域，在医用化学课程的电解质溶液、化学反应热及反应方向和限度、化学反应速率、氧化还原反应与电极电位等章节中都有其相关工作。因此，笔者从教学内容体系安排和教学方式两方面考虑，将两位化学家的研究工作历程及成果编排到课堂的教学中，以期实现对教学内容的扩充、对学生学习兴趣的激发及对学生自信心的培养。
1 科学家阿伦尼乌斯
阿伦尼乌斯（Svante August Arrhenius）是瑞典著名的物理化学家，创立电离学说，提出酸、碱的定义，为化学特别是物理化学的开创作出极大的贡献；提出阿伦尼乌斯公式，为现代化学动力学奠定基础，构成物理化学学科的重要组成部分。由于阿伦尼乌斯在化学领域的卓越成就，因而被授予1903年诺贝尔化学奖。
医用化学教材中的电解质溶液和化学反应速率章节中都涉及阿伦尼乌斯的工作。结合几年来的教学经验，笔者认为可以在电解质溶液章节中重点介绍阿伦尼乌斯的电离理论发现和提出的科研历程及其被普遍公认所经历的曲折和波澜，从中让学生体会到科学问题的提出、解决和被认可不是想象中的一帆风顺，而有着艰辛的历程。从阿伦尼乌斯的电离理论还可以让学生感受到科学问题并不那么神秘莫测，科学家也不是那么遥不可及，所以大家要相信自己，每个人都是可以有所作为的。这部分内容可以主要以故事论述的形式开展。而对于阿伦尼乌斯在化学动力学方面的介绍，可以更侧重于介绍他的博学和兴趣广泛，可以在课堂上引入一些视频，或是通过布置课外兴趣阅读的形式，让学生更多地了解科学家阿伦尼乌斯的科学贡献和成就。
电解质溶液中酸碱电离理论的介绍 电解质在溶液中以何种形式存在，这种存在形式又是如何产生的，这是19世纪科学工作者关注的课题之一。尽管已经有人提出电解质在溶液中可能是以离子形式存在，但就其产生过程，科学界一直普遍认同法拉第（M.Faraday）的观点，即溶液中的离子是在电流的作用下产生的。
阿伦尼乌斯在研究电解质溶液的导电性时发现，气态的氨是根本不导电的，但氨的水溶液却能导电，而且溶液越稀导电性越好；氢卤酸溶液也是有此特点。对于其他的电解质体系，他也做了大量的实验，都发现浓度影响着许多稀溶液的导电性。那么如何揭开这些实验现象和数据背后的秘密呢？阿伦尼乌斯开始了实验之后的思考，他首先想到的是浓溶液和稀溶液本身的差别在哪呢？应该是可以通过加水将浓溶液稀释为稀溶液，可水起到什么作用呢？阿伦尼乌斯顺着这个思路深入思考：纯净的水不导电，纯净的固体食盐也不导电，把食盐溶解到水里，盐水就导电了，这是为什么呢？水到底起了什么作用？他觉得这是决定问题的关键。
基于法拉第的观点，阿伦尼乌斯想是不是食盐溶解在水里就电离成为氯离子和钠离子了呢？这个想法在当时是相当超前和相当大胆的，毕竟当时的学术界一致认同法拉第的观点。阿伦尼乌斯随后提出假定电解质在溶液中具有分子形态和离子形态两种存在形式，当溶液被稀释时，电解质的部分分子就分解为活性的离子，而另一部分仍是以非活性的分子形态存在。因此，溶液稀释时，活性的离子数量增加，导电性也就增强了。就此，阿伦尼乌斯提出全新的电解质中离子的产生原因，即电解质自动电离的新观点。 然而，当阿伦尼乌斯带着全新的观点向他的博士导师克莱夫（P.T.Cleve）教授详细地解释电离理论时，这位作为化学元素钬和铥的发现者的著名实验化学家对此理论并不感兴趣，只说了一句：“这个理论纯粹是空想，我无法相信。”这无疑给满怀信心的阿伦尼乌斯巨大打击，而且他也意识到博士论文能否通过出现问题，虽然他认为自己的观点和实验数据并没有错，但要得到当时观念保守的教授们的认可谈何容易？答辩过程相当艰难，尽管阿伦尼乌斯精心准备，材料和数据都无可挑剔，但经过四个小时的答辩，答辩委员会的教授们仍然认为论文不是很好。但考虑到阿伦尼乌斯大学读书时所有的成绩都很好，尤其是生物学、物理学和数学的考试成绩非常优异，答辩委员会最终以及格的成绩，让阿伦尼乌斯勉强获得博士学位。
著名的化学反应速率的指数定律――阿伦尼乌斯公式 阿伦尼乌斯不但提出了在化学发展史上占据重要地位的电离学说，他还深入研究了温度对化学反应速率的影响。他发现对于大多数反应而言，温度对反应速率的影响要比浓度更为显著。阿伦尼乌斯注意到化学反应体系的温度每升高1度，反应速率约增加12%～13%。若从传统的观点来看，对反应速率的影响无外乎是对反应物分子的运动速率、碰撞频率、浓度及反应体系的黏度等物理性质产生影响，然而温度的这种巨大的影响不能从这些传统的认识中得到圆满的解释。因此，阿伦尼乌斯设想，在反应体系中是一些高能量的活化分子直接参与到化学反应中，非活性分子吸收一定能量后可转化为活化分子，而反应进行的速率取决于活化分子的数量及活化分子之间相互碰撞的次数；当反应体系的温度升高时，活化分子的数量会随温度升高而上升，而且活化分子间的碰撞次数也随温度升高而增加，因此导致化学反应的速率也随温度的上升而增大。
1889年，阿伦尼乌斯在上述观念的基础上提出著名的阿伦尼乌斯公式，也就是著名的化学反应速率的指数定律：
其中，k为速率常数，A为指前因子（也称频率因子），Ea称为化学反应的活化能，也就是非活化分子转化为活化分子所需要的能量，R为摩尔气体常量，T为热力学温度。阿伦尼乌斯公式的提出为现代化学动力学奠定了基础，是物理化学学科的重要组成部分。
此外，阿伦尼乌斯还从事天体物理学、气象学和生物学等方面的研究，曾较早提出大气中的二氧化碳对地球温度影响的论点，还著有《天体物理学教科书》《免疫化学》《生物化学中的定量定律》等著作。
2 科学家能斯特
能斯特（Walther Hermann Nernst）是德国卓越的物理学家、物理化学家和化学史家，在化学热力学和电化学方面作出了开创性的工作，特别是因为其在热力学第三定律方面的杰出贡献而被授予1920年的诺贝尔化学奖。
热力学第三定律的介绍 19世纪末，化学热力学的研究也已取得相当进展，其中的热力学第一定律和热力学第二定律已趋于完善，但不足的是化学平衡常数仍未有任何热力学参数进行推算，还只能借助实验进行测定。19世纪末至20世纪初，研究发现已推断出，体系在低温状态时，反应自由能改变值（?G）与焓的改变值（?H）趋于相等。
能斯特对低温下的化学反应体系进行了研究，通过测定比热和反应热来预测化学反应过程，研究发现当反应是吸热的，那么所吸热量将随温度下降而下降，而达到绝对零度时吸热量将变为零。随后，他在论文中指出，当体系温度趋近于零时，不仅反应自由能改变值（?G）与焓的改变值（?H）趋于相等，反应熵的改变值（?S）也趋近于零。这就是化学史上所称的“能斯特热定理”。他推断，所有固体的熵值在接近绝对零度时都是相等的。
能斯特热定理是一个大胆的实验假说。此后，德国物理学家普朗克（M.Planck）依据统计力学原理指出，能斯特热定理只有对于纯物质的完美晶体才成立。后来的实验事实和统计热力学对熵的讨论表明，有些纯物质（如过冷液体和有些固态化合物）在趋近绝对零度时能存在一个正的熵值。因此，1923年，美国物理化学家路易斯等人对普朗克的表述进行了修改，提出具有完美晶体的各种物质在绝对零度时，体系的熵等于零。至此，完善的热力学第三定律最终被提出。
电化学中的电极电位的计算――能斯特方程 除了在化学热力学方面的开创性工作外，能斯特还提出了描述电池可逆电动势的能斯特公式。他将化学热力学中的自由能变化与电池电动势联系起来，从而将化学热力学规律成功地应用于电化学体系。
1889年，能斯特根据范特霍夫的渗透压理论和阿伦尼乌斯的电离理论提出，在溶解压力的作用下，原电池中的金属进入了溶液，并以离子形式存在；与此同时，溶液中的金属离子又在渗透压的作用下，使金属离子回到金属表面。这是两种方向相反的力，当其达到平衡时，便产生了原电池中的电极电位。在此基础上，能斯特导出电极电位与溶液浓度的关系式，即电化学中著名的能斯特方程：
其中，E为电池的电动势，ε为标准电极电位，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，c1和c2分别为溶液中氧化态和还原态的浓度。能斯特方程表明，电极电位的大小不仅取决于电极本身的性质，还与电池的反应温度、物质氧化态与还原态的浓度、压力等因素有关。能斯特方程为热力学函数值测定提供了一种全新的方法，而且此电化学方法不但为热化学数据提供了最精确的测量方法，还是化学热力学规律的最精确的验证手段。电化学方法将化学反应转变成可控的可逆电池反应，进而获得可控调节下极为精确的测定结果。
3 小结
本文将科学家的成就和科研历程与医学化学教学中的相关章节相联系，适时编排到课堂教学中，不但使教学内容丰富鲜活起来，还原出科学问题的平实发展历程，可以让学生体会科学家及科学问题不是遥不可及的，更可以引领学生树立信心，勇敢坚韧地做事情。
