化學創新思維的歷史考察與特點分析

薛俊梅 吳俊明

摘要： 創新思維概說;化學科學形成期的思維創新例說;現代化學發展期的思維創新例說;化學創新思維的特點的初步分析討論。

關鍵詞： 化學教育; 創新思維; 化學的創新思維; 化學創新思維養育

文章編號： 10056629（2022）02000707

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 創新思維概說

創新思維是人在已有經驗基礎上發現、發明新事物、新概念或者創造新方法解決問題的思維過程，又稱創造性思維。創新思維是一切新發現、新發明和新創造的前提和條件;創新思維通常會打破慣常的解決問題的方式，用新的方式綜合過去的經驗、給問題以新的解決;創新思維是一種高級的思維活動過程，它決定和推動著人類的進步和昌盛。創新性、突破性、開拓性、綜合性以及有價值，是創新思維的特征。想象和靈感在創新思維中起著重要的作用，是創新思維的兩種重要表現形式。

創新思維跟發散思維有密切的關系： 發散思維又稱輻射思維、放射思維、擴散思維或求異思維，能沿著許多不同的方向擴展，使觀念發散到各個有關方面，最終產生多種可能的答案而不是唯一正確的答案，因而容易產生有創見的新穎觀念。不少心理學家認為，發散思維是創造性思維的最主要的特點，是測定創造力的主要標志之一[1]。創新思維不完全等同于發散思維： 創新思維是發散思維與集中思維（又稱為聚合思維、聚斂思維或求同思維）的統一，通常是先進行發散，產生大量的設想和構思，然后再聚斂，對眾多設想、構思進行比較、選擇、組合、調整、論證，最終篩選出現實條件下最優的方案[2]。

分析能力、綜合能力、批判能力、解決問題能力等都有利于創新，是創新能力構成的基礎要素。由此可以推論分析思維、綜合思維、批判思維、解決問題思維都跟創新思維有關，是創新思維的基礎性要素。

2 化學的創新思維

為了比較準確、深入地了解化學的創新思維，我們先來考察一些創新思維的例子。

2.1 化學科學形成期的思維創新

化學科學形成期的思維創新主要涉及化學科學的核心概念、基礎概念。研究前人是怎樣開展創新思維的，不但有助于了解化學的創新思維，對搞好基礎化學教育也應該是有益的。

例1 波義耳元素概念的提出——化學思維的第一次革命性創新

宇宙萬物是由什么組成的？中國古代的土、金、木、水、火“五行說”和亞里斯多德的火、土、水、氣“四元素說”，以及瑞士醫藥化學家的“萬物由鹽、硫、汞以不同比例構成”的“三元素說”都是唯心的、非理性的、缺乏實驗事實的臆測。

17世紀時，波義耳在總結一系列新的實驗基礎上意識到，世界上的物質是千差萬別的，不能用簡單的“四元素說”或“三元素說”來解釋。誰也不能把所有的物體都分解成鹽、硫和汞，也沒有任何方法能夠把數目繁多的物體變成只有水、氣、火、土四種物質。波義耳指出，黃金是不怕火的，它既不能被火分解，也不會在火的作用下變成鹽、硫、汞，但它可以和其他金屬生成合金，還可以溶解在王水里;這些產物經過適當處理，黃金可以被恢復，說明黃金的“顆?！苯涍^各種結合之后仍然不變。把砂子和灰堿一起加熱融化，生成的透明的玻璃再也不能被火分解;灰堿和油脂一起燒煮后生成肥皂，把肥皂加熱分解得到的產物卻是跟灰堿和油脂截然不同的渣塊;同一物質經過不同處理會轉變成千差萬別的東西……這些事實說明物質構成和性質是復雜的，不是“水、氣、火、土四素說”和“鹽、硫、汞三元素說”能夠解釋的，也不是能夠用幾種原性概括的。波義耳注意到，在冶金和金屬加工業中，金屬經煅燒以后所得到的灰渣往往比金屬本身還要重。他認為灰渣絕不是金屬分解后留下的“土”元素，而是比金屬本身復雜的物質。

根據這些事實，波義耳認為，宇宙萬物不是由性質組成的，而是由化學元素組成的，所謂元素，就是不能用一般的化學方法再分解的最簡單的物質。他還認為，化學不是為了煉金，也不是為了治病，應當把它從煉金術和醫學中分離出來，讓它成為一門獨立的科學[3]。由此，波義耳的元素思維揭開了化學的第一次革命性創新的大幕。之后，種種化學元素陸續被人們發現和確定。

波義耳的元素思維建立在元素不能分解為其他簡單物質（單質）的事實基礎之上，既洋溢著唯物的精神，也洋溢著科學理性的精神。

例2 拉瓦錫用氧化學說推翻燃素說——化學思維的第二次革命性創新

1649年初夏，意大利佛羅倫薩科學院的幾位院士把一小粒金剛石放在花園中一張石桌上，用放大鏡觀察它的折光性。陽光明媚，放大鏡聚焦的光點正對著金剛石。突然，金剛石發出令人炫目的強光，待院士們定定眼神再看，金剛石竟然無蹤無影了！有一位院士說，他似乎看到一縷輕煙從石桌上騰空而起……這件怪事作為一宗離奇案件被記載下來。

1772年2月，拉瓦錫讀到這份記載后產生了探究興趣。他想，金剛石周圍是有空氣的，如果沒有空氣，情況會如何？當時還沒有真空技術，拉瓦錫就用調成糊狀的石墨粉包裹住金剛石，使它跟空氣隔離，然后放在強火中灼燒，結果金剛石沒有絲毫變化，由此斷定金剛石失蹤跟空氣有關。

當時，燃素說正在流行。按照燃素說，燃素充塞于天地之中、無所不在;生物含有燃素就富有生機，無生命物質含有燃素就會燃燒;一切跟燃燒有關的化學變化都可以歸結為物體吸收或釋放燃素的過程。金剛石化作輕煙而去，什么都沒剩下，難道金剛石就是燃素？如此說來，可燃物里含有燃素不就意味著可燃物里都含有金剛石？這怎么可能？……當時的化學家們實在感到困惑。

1774年8月，英國化學家普利斯特里用聚焦的日光加熱封閉在玻璃罩中的汞煅灰（氧化汞），得到銀色的液態小球和一種能使紅熱木炭產生耀眼火焰、能使呼吸輕快的神秘氣體。普利斯特里信奉燃素說，認為得到的氣體是“失燃素空氣”。錯誤的思維使他跟發現氧失之交臂。

當年10月，普利斯特里把他的發現告訴了拉瓦錫。拉瓦錫善于運用天平作為化學研究的工具，很注意量的研究。就在1774年，他已經用錫和鉛做了著名的金屬煅燒實驗。實驗事實使他懷疑： 金屬的煅灰會不會是金屬和空氣的化合物？那么多的“固定空氣”從哪兒來？……拉瓦錫馬上重復了普利斯特里的實驗，通過加熱汞煅灰得到了比普通空氣更加助燃、助呼吸的“上等純空氣”（1777年正式命名為氧氣），有力地證實了他否定燃素說的結論。

從1772到1777年，拉瓦錫做了大量的燃燒實驗，在對實驗結果進行創新思維的基礎上，于1777年正式提出燃燒的氧化學說。由于拉瓦錫的創新思維，一件“小事”促成了化學思維的第二次革命性創新。

拉瓦錫的創新源于他堅持了唯物主義觀點，尊重實驗，特別是重視并善于量的思維。他把對物質及其化學變化的研究從定性認識推進到定量分析階段。他曾說：“假如有‘燃素’這樣的東西，我們就要把它提取出來看看。假如的確有的話，在我的天平上就一定能察覺出來?！崩咤a運用天平做過許多出色的實驗，形成了自己的特色。也許他的實驗才能如一些人所說比不上卡文迪許、普利斯特里、舍勒，但他善于從別人的實驗成果中捕捉重要信息，鍥而不舍地進一步思考、研究直到解決問題。另一方面，他重視理論思維，能透過現象看到問題的本質，不停留在表面上，在科學上敢于反對舊的傳統觀念，勇于提出新的解釋和新的觀點，勇于進行創新，也善于進行創新，使他漂亮地摘到了“桃子”[4]。

例3 道爾頓提出原子論——化學思維的第三次革命性創新

所謂原子論就是關于原子的理論?；蛘哒f，原子論是指關于原子的學說。作為關于自然界物質結構的設想，它最早產生于公元前5世紀。2500多年來，關于原子理論的演變大體上可以分為古代、近代和現代3個階段。

古代原子論以德謨克利特的原子論為代表，他認為萬物的本原是原子和虛空，原子具有“不可分割”的性質，虛空是原子運動的前提條件;不同種類的原子具有不同的大小和形狀，它們的不同運動狀態和結合方式決定著各種物質的不同特性[5]。思辨和臆測是古代原子論的特點。

到了近代，原子論者感興趣的問題已經不是設想世界是如何組成的，而是如何在原子論的基礎上建立起物理學和化學的基本理論。近代原子論要回答3個不同類型的基本問題： 物質，特別是氣體的物理結構是什么樣的？熱的本質是什么？化學現象的基礎是什么？這3個問題看似各不相干，但構建適當的原子形象，從氣體、熱和化學反應的本性中找到對原子特質的共同認識——最小粒子、微小、不可分割……能夠使這些問題都得到解答[6]。不難看出： 前兩個問題屬于物理學范疇，后一個問題屬于化學范疇。由此，近代原子論有物理原子論和化學原子論之說。

1808年，道爾頓的《化學哲學新體系》一書出版，他在書中系統地闡述了自己的原子論。道爾頓的原子論是化學發展中的第一次辯證綜合，是一種確定的科學理論，它不僅合理地解釋了當時幾乎所有的化學現象和經驗定律，更重要的是提供了一種從微觀的物質結構的角度去揭示宏觀化學現象本質的認識模式，促進了近代化學的迅速發展，開創了化學的新時代。隨后的無機化學、有機化學、物理化學等分支所取得的一系列重大發現，都是沿著這個認識模式開辟的思路，在這個理論的基礎上實現的。恩格斯對此給予了很高的評價：“化學中的新時代是隨著原子論開始的（所以，近代化學之父不是拉瓦錫，而是道爾頓）。[7]”

研究道爾頓在建立原子論過程中的思維可以發現，道爾頓在這個過程中把原子形象化、圖式化、符號化了，從具體的形象到抽象、到貌似抽象的圖式，都生動、形象地刻畫了原子的存在及其相互聯系狀況（例如用帶“熱氛”的原子圖式表現原子的實際狀況），顯示了他有很強的想象力（見圖1）。而且，他的想象不是憑空亂想，是有足夠根據的： 他長期進行氣象觀測，后來開始研究空氣的組成、混合氣體的分壓和擴散，總結出氣體分壓定律，推論出空氣由大小、重量不同的原子混合而成;他總結出各種元素的原子都以其原子量為基本特征，并指出，雖然原子的絕對重量難以測定，但可以通過實驗測算其相對重量，并進一步確定組成復合質點時簡單質點的數目……真是發聾振聵、“智”壓群“芳”！道爾頓創立原子論是以氣象測量為基礎，由物理學思維轉入化學思維，體現了不同學科間的聯系;他分析比較了牛頓的原子相互排斥理論和貝托雷的大氣化學結合假說，豐富、深化了自己對原子的想象;他注意了原子間的吸引力也注意了原子間的排斥力，把原子的結合與分離跟化學的化合與分解聯系起來;他認為在化學作用范圍內物質既不能創造也不能消滅……表明他自發地應用了辯證唯物觀和唯物辯證法來指導自己的研究，使他成為被贊譽為具有“建設性想象”的人，這是他取得成功的重要保證，對后人、對化學教育應該有深刻的啟發。

2.2 現代化學發展期的思維創新

現代化學已經發展成為研究泛分子的科學，在研究方法和手段上更加重視尺度效應，復雜化學體系的研究、結合功能的結構多樣性研究、化學過程的精細研究與模擬、新方法的使用、理論與實驗的結合、多學科的交叉融合、重視適應國家和社會發展需要……這些都是現代化學的特點?，F代化學有著很強的創新特點，學習和研究現代化學強烈地需要思維創新?，F代化學的思維創新非常豐富，限于篇幅，下面只能通過幾個具體實例來考察，掛一漏萬，尚祈讀者諒解。

例4 二氧化碳捕集、固定與利用的創新思維[8]

實現二氧化碳減排已成為國際共識，加強對全球二氧化碳濃度的控制，降低全球溫度的上升速度已成為一項迫在眉睫的任務。

自上世紀末以來，國際上已多次開展CO2節能減排會議，提出了利用分離和捕獲、運輸、儲存以及利用化學產品和生物固定等方法進行二氧化碳封存;提出了共享運營CCS（Carbon Capture and Storage，碳的捕獲和儲存）概念。圖2[9]包括了CO2捕獲、儲存、利用（直接使用）和轉化為化學品或燃料，凝聚了關心CO2減排問題的專家系統的創新思維、智慧和心血，凸顯了各具體問題的背景和相互聯系，明確了各具體問題的類屬，對有關實踐具有指導意義。

二氧化碳的資源化利用是一個世界性難題。二氧化碳加氫制甲醇[11]、中國留學生在美國普林斯頓大學成功實現由二氧化碳合成乙二醇[12]，以及中國化學家用二氧化碳合成淀粉，都是利用二氧化碳的實際例子。目前，淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成。在玉米等農作物中，將二氧化碳轉變為淀粉涉及60余步的代謝反應和復雜的生理調控，太陽能的理論利用效率低于2%。農作物的種植周期長達數月，還需要使用大量的土地、淡水、肥料等資源。中科院天津工業生物所研究人員從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑： 他們聯合中科院大連化學物理研究所，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，然后通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通過生物途徑優化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）。在實驗室中首次實現了從二氧化碳到淀粉分子的全合成，其淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線[13]。

例5 新型制氫催化劑的尋找

氫氣是一種清潔、高能量的物質?，F在大部分氫氣都由化石燃料制造出來，這會增加大氣中的二氧化碳水平，因而迫切需要找到一種具有成本效益的方法，用清潔能源生產氫。多年來，為了清潔、廉價、方便、安全和大規模地制造氫氣，人們通過創新思維提出了多種思路。主要是尋找貴金屬催化劑的替代品。

例如，曾有媒體報道： 加州大學伯克利分校研究人員開發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一步提高性能[14]。

我國浙江大學侯陽研究員課題組用仿生學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制成OER催化劑，跟市場上廣泛應用的商業銥基催化劑比，其過電位降低了大約5%，成本降低了約80%以上，并且穩定性大幅度提高，展現出工業級電解水制氫的潛能。該研究也為如何設計低成本、高活性人工固氮合成氨、二氧化碳高值化利用和氧化還原催化材料的設計提供了新的思路[15]。

中國科學技術大學宋禮教授和江俊教授合作，創新思路設計將之前扁平形的催化劑做成一顆顆球形的“松果”，使鉑原子位于“松果”的表面，在產氫量相同的情況下，所需要的鉑金屬減少到原先的約1/75，大大降低制氫成本[16]。

再如，美國能源部SLAC國家加速器實驗室（Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory）和斯坦福大學（Stanford University）研究人員制造了一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑。該催化劑是一種黑色粉末，Nel Hydrogen小組利用該催化劑替代產氫側電解質上的鉑催化劑。與其他催化劑一樣，此種催化劑可以將其他化學物質聚集在一起，并促進它們發生反應。該磷化鈷催化劑在整個測試過程中（超過1700小時）都表現得非常好，表明其可以用于日常化學反應，能夠在溫度、壓力和電流密度升高的極酸性條件下，連續數小時分解水，并產生氫氣。該電解技術基于質子交換膜（PEM），具備利用可再生能源大規模生產氫氣的潛力[17]。

了解電解水制氫中非貴金屬催化劑的大致情況以及它們催化作用的微觀機制，有利于開展創新思維、提高尋找高效催化劑的效率。

常用于構建電催化劑的元素大致上可以分為3組： （1）鉑（Pt）;（2）過渡金屬元素，主要包括鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉬（Mo）、鎢（W）;（3）非金屬元素，主要包括硼（B）、碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、硒（Se）。目前，化學家們已經用12種非金屬元素合成了幾乎所有有效的非貴金屬HER催化劑。

1972年，日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授首次報告發現TiO2單晶電極光催化分解水從而產生氫氣這一現象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解水制氫的研究道路。隨著電極電解水向半導體光催化分解水制氫的多相光催化（heterogeneous photocatalysis）的演變和TiO2以外的光催化劑的相繼發現，興起了以光催化方法分解水制氫（簡稱光解水）的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進展[18]。

光解水的原理為： 光輻射在半導體上，當輻射的能量大于或相當于半導體的禁帶寬度時，半導體內電子受激發從價帶躍遷到導帶，而空穴則留在價帶，使電子和空穴發生分離，然后分別在半導體的不同位置將水還原成氫氣或者將水氧化成氧氣。Khan等提出了作為光催化分解水制氫材料需要滿足： 高穩定性，不產生光腐蝕;價格便宜;能夠滿足分解水的熱力學要求;能夠吸收太陽光。研究發現，許多鉭酸鹽、鈮酸鹽、鈦酸鹽、多元硫化物對反應有催化作用;光催化劑納米化、離子摻雜、半導體復合、染料光敏化、貴金屬沉積、電子捕獲劑、表面螯合及衍生作用、外場耦合等措施是提高光催化制氫反應性能的有效途徑。

例6 一種確定氧化數的新方法[19]

氧化數是元素的重要性質，對于定義氧化劑、還原劑、氧化還原反應，配平氧化還原反應的方程式，無機物命名以及討論元素化合物的性質都具有重要意義，在無機化學中應用廣泛，是無機化學教學中的一個重點內容。

長期以來，確定元素氧化數主要根據桐山良一和鮑林等建立的規則，這些規則對于氧化數概念在化學中的推廣普及起了很大的作用，但在遇到結構復雜或未知化合物時有時仍然會出現問題。我國學者張國艷、權新軍根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的氧化數定義提出，氧化數完全取決于成鍵兩原子之間的電子供需關系，元素的最高正氧化數受到其原子價層電子數的限制，而元素的最低負氧化數受到同周期稀有氣體元素外層電子數與其價層電子數差值的限制。他們據此建立了確定元素氧化數的新方法： 從成鍵原子間的電子供需關系入手，提出利用價層電子數確定元素氧化數。

如，對于二元化合物（分子或離子）AxBn±y

（n±即n+與n-，分別表示正、負離子的電荷，下同），

假設電負性A<B，若以a表示A的價層電子數，

b表示B達到稀有氣體結構所需的電子數，

則有：

當xa±n=yb時，A的氧化數等于+a， B的氧化數等于-b;

當xa±n>yb時，B的氧化數等于-b， 據此可求A的氧化數;

當xa±n<yb時，A的氧化數等于+a， 據此可求B的氧化數。

該方法既不需要考慮分子結構，也不依賴元素氧化數的習慣規定，符合氧化數概念提出的初衷，簡單方便，例外情況少，為比較精確地確定元素氧化數提供了一種快速有效的新方法，不僅適合大學化學教學，中學生也能理解、接受。從兩位學者思維的過程和特點來看，正是他們對元素最高正氧化數跟其原子價層電子數關系、元素最低負氧化數跟同周期稀有氣體元素外層電子數與其價層電子數差值關系的了解，特別是對成鍵兩原子之間電子供需關系關鍵作用的把握，才使他們突破了對元素氧化數的習慣規定，實現了思維創新。

3 化學創新思維特點的初步分析討論

思維活動總是圍繞著特定的問題展開的。

化學科學形成期的創新思維主要圍繞著化學的基本問題進行。化學的基本問題是物質（實物材料）的組成問題、結構問題以及性質和相互關系問題。所以，早期的化學問題主要是存在著哪些元素？不同元素之間有哪些差異和聯系？特定物質由哪些元素組成？物質的基本結構單元是什么？物質的基本結構單元怎樣結合形成物質的特定狀態？特定物質有哪些性質？怎樣解釋不同物質的性質差異以及不同物質的相互聯系？等等。

從19到20世紀，化學實現了由經典化學向現代化學的飛躍： 從基于道爾頓原子論、門捷列夫周期律等理性在原子層次上認識和研究化學，進步到在分子層次上認識和研究化學;對組成分子的化學鍵的本質、分子的強相互作用和弱相互作用、分子催化、高分子材料的結構與功能關系等等問題有了比較清楚的認識;發現和合成了1200多萬種新化合物;開始了生命化學的研究和發展……化學對跟化學相關的國計民生的各個領域，包括工業、農業、能源、交通、材料、醫藥、國防以及人們的吃、穿、用、住等等所做出的重大貢獻，都是化學創新思維的成果。

現代發展期的化學創新思維主要圍繞著化學鍵和現代量子化學理論、創造新分子新結構（包括分子量成千上萬甚至上百萬的大分子和高分子材料）、化學反應動力學與分子反應動態學等方面的問題展開。在結構多樣性研究與功能研究的結合、復雜化學體系的研究、化學信息學和計算機信息處理在化學中的應用、新實驗方法的建立與方法學研究、化學反應過程的跟蹤分析模擬等方面，化學基本問題跟實際問題結合，形成許多新的問題，促使化學創新思維向著新的廣度和深度發展[20，21]。同時，系統性思維也越來越重要。

這些問題是怎么產生的？它的時空背景，即空間與時間聯系情況如何？問題自身的組成和結構情況如何？問題的實質是什么、主要困難是什么？問題是否有解、問題的解的預期情況是怎樣的？問題的解決是否有經驗可以借鑒？問題的主體因素及其他因素各有哪些特點？這些特點對于問題的解決有哪些幫助？為解決問題可以做哪些嘗試、怎樣進行嘗試？怎樣根據嘗試情況進行后續處理？……這些都是在創新思維時常常需要考慮的問題。

解決新的化學問題、實現化學思維創新，常常需要以特定知識為基礎，需要方法、過程的巧妙構思、設計，才能取得突破。解決新的化學問題、實現化學思維創新，常常需要克服一個又一個新的困難，是一個較長時間的過程，要達到最后的成功，需要精神的支持，否則就會半途而廢。

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[13]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1711740567264360992&wfr=spider&for=pc.

[14]http：//www.zhengfeipower.net/Article-1784719.html.

[15]http：//www.china-nengyuan.com/tech/140163.html.

[16]https：//news.sina.com.cn/o/2019-06-08/doc-ihvhiqay4314402.shtml.

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