與數(shù)學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科廣泛使用概念模型不同，化學(xué)學(xué)科廣泛使用物理模 型，較少使用概念模型。為了說(shuō)明物理模型在化學(xué)中的作用，首先檢查如何用物 理模型描述氫氣與氧氣作用生成水的反應(yīng)

2H2 + O2— 2H2O (2-1)

在原子、分子模型(atomic models and molecular models)被廣泛認(rèn)可、采 納以前，化學(xué)家會(huì)根據(jù)上述反應(yīng)中所消耗的氫氣和氧氣的質(zhì)量以及生成的水的質(zhì) 量，得出1份氫氣與8份氧氣反應(yīng)生成9份水；或者，水由1份氫氣和8份氧氣 組成。類似地，雙氧水這種也是僅由氫、氧兩種元素組成的分子，由1份氫氣和 16份氧氣組成。

在原子、分子模型被廣泛采納后，化學(xué)家得出1個(gè)水分子由1 個(gè)氧原子和2個(gè)氫原子組成，而1個(gè)雙氧水分子則由2個(gè)氧原子和2個(gè)氫原子組 成。另外，化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物之間的質(zhì)量關(guān)系，可用簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算得 到，無(wú)需精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。事實(shí)上，由于反應(yīng)(2-1)的反應(yīng)物都是氣體，產(chǎn)物 水在沸點(diǎn)溫度100°C以上也是氣體，用體積表示反應(yīng)物和產(chǎn)物的定量關(guān)系更接近 現(xiàn)代原子論、分子論的描述。在反應(yīng)(2-1)中，2體積氫氣與1體積氧氣反應(yīng) 生成2體積水(在相同溫度和壓力下)。

從這個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，如果刻意回避原子、分子模型，即使描述 水的化學(xué)組成以及氫氣與氧氣反應(yīng)生成水這樣的簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)也非常復(fù)雜。對(duì)蛋 白質(zhì)、核酸這樣復(fù)雜的生物分子及其發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，刻意回避原子、分子模型 的描述顯然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，正是由于多種分子模型的建立和廣泛采納， 為人們認(rèn)識(shí)分子的性質(zhì)及其分子間的化學(xué)反應(yīng)提供了巨大的便利，促進(jìn)了化學(xué)學(xué) 科的迅速發(fā)展。

物理模型是人類對(duì)自然界客觀事物或過(guò)程的簡(jiǎn)化、抽象和近似，是對(duì)客觀 事物或過(guò)程的某個(gè)、某些側(cè)面的反映。模型可以是不全面的、不完善的甚至是 不完全正確的。但是，任何模型只要能反映事物的某些屬性，有助于人們認(rèn)識(shí) 事物，就是有用的模型。因此，模型的價(jià)值不僅在于其正確性、完善性，更在 于其實(shí)用性。相反，目前看來(lái)正確的、完善的模型，隨著人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)的不 斷深人，也可能被發(fā)現(xiàn)是不完善的甚至是錯(cuò)誤的，但這并不影響人們對(duì)該模型 的繼續(xù)使用。

物理模型并不深?yuàn)W，在人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見。例如，兒時(shí)玩過(guò)的洋娃 娃、玩具汽車，多是物理模型的實(shí)例。通過(guò)洋娃娃這個(gè)最簡(jiǎn)單的人體模型，幼小 的我們更加深入地認(rèn)識(shí)了人體的基本結(jié)構(gòu)與功能。中學(xué)生理課上，通過(guò)更復(fù)雜的 人體模型認(rèn)識(shí)了人體的器官與功能等。類似地，通過(guò)玩具汽車這個(gè)簡(jiǎn)單的汽車模 型，人們認(rèn)識(shí)了汽車的基本結(jié)構(gòu)與功能。市場(chǎng)上更復(fù)雜、高檔的電動(dòng)玩具汽車 等，可以幫助人們更加深入地了解汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能，是更復(fù)雜的物理 模型。

化學(xué)研究的是微小的分子，不但肉眼無(wú)法觀察，即使電子顯微鏡也難以直接 觀察。只有借助最先進(jìn)的掃描隧道顯微鏡，才能直接觀察最簡(jiǎn)單的分子。因此， 分子的物理模型，更是學(xué)習(xí)和研究化學(xué)不可缺少的工具。

在化學(xué)教學(xué)和研究中，最常用的是球棍模型(ball and stick models)。球棍 模型反映了分子最基本的屬性：原子大體上球形對(duì)稱，化學(xué)鍵把成鍵原子連接起 來(lái)形成分子，原子在分子中的排列次序及其相對(duì)位置固定。為了從不同側(cè)面了解 分子的性質(zhì)或強(qiáng)調(diào)分子的不同特性，化學(xué)中還常常用到其他類型的分子模型。例 如，比例模型(spacefilling models或CPK molecular models)可以比較精確地 反映分子內(nèi)不同原子及原子間距離的相對(duì)尺寸。近年來(lái)，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)圖形功 能的增強(qiáng)和化學(xué)圖形軟件的日益普及，像帶狀模型(ribbon models)、管狀模型 (tube models),荊棘條模型(licorice models)、線狀模型(wireframe models) 等分子模型得到了廣泛的應(yīng)用，增進(jìn)了人們對(duì)分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了化學(xué)、生 物化學(xué)、材料科學(xué)等的發(fā)展。

隨著化學(xué)研究的進(jìn)一步深入，上述各種由不同形狀的幾何體表示的分子的幾 何模型(geometrical models) ?已經(jīng)越來(lái)越難滿足實(shí)際工作的需要。因此，出現(xiàn) 了比幾何模型更深入的物理模型。例如，為了理解或解釋分子的紅外光譜，必須 在分子幾何模型的基礎(chǔ)上，引入化學(xué)鍵伸縮和鍵角彎曲的諧振子模型或其他振動(dòng) 模型。為了理解或預(yù)測(cè)大分子的構(gòu)型與性質(zhì)，特別是復(fù)雜的生物分子的構(gòu)型與功 能，必須在化學(xué)鍵伸縮和鍵角彎曲振動(dòng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)、 分子內(nèi)和分子間的非鍵或弱鍵相互作用等模型。在分子幾何模型的基礎(chǔ)上，引入分子內(nèi)和分子間相互作用及其能量的概念后，就得到了分子的力學(xué)模型或分子力 場(chǎng)模型(molecular force field models)。

分子力場(chǎng)模型，仍然不能解釋分子的許多性質(zhì)，需要發(fā)展。例如，分子力場(chǎng) 模型雖可以解釋分子的振動(dòng)光譜，但無(wú)法解釋分子的可見-紫外光譜、X射線光 電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy)等。這時(shí)，就需要引入比分子力 場(chǎng)模型更進(jìn)一步的量子力學(xué)模型(quantum mechanical models)。分子的量子力 學(xué)模型，是建立在Schrodinger方程或密度泛函理論基礎(chǔ)上的一個(gè)電子模型，研 究電子在組成分子全部原子核所形成的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律，是目前人們所知 的最深入的分子模型。但是，求解分子的量子力學(xué)模型非常困難，目前只有在處 理孤立的不太大的分子或者具有周期性邊界條件的晶體等體系時(shí)才能得到比較精 確的結(jié)果，在處理大分子或處在溶液中的分子等時(shí)，難以得到理想的結(jié)果。

從上述分析可以知道，雖然化學(xué)與數(shù)學(xué)和物理學(xué)相比較少使用概念模型和數(shù) 學(xué)公式，但在化學(xué)中廣泛應(yīng)用各種類型的分子模型。這些分子模型是典型的物理 模型，它們的建立和應(yīng)用在化學(xué)研究中起著極其重要的作用。對(duì)于化學(xué)或相關(guān)專 業(yè)人員，除了需要學(xué)習(xí)并掌握各種實(shí)驗(yàn)方法和技能外，不可忽視對(duì)分子模型的學(xué) 習(xí)，嘗試用分子模型解釋觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此外，還要善于總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中抽提規(guī)律，建立合理的分子模型。