物理變化與化學變化辨識探析

溫州大學化學與材料工程學院（325035）牛芙榮 王稼國

物理變化與化學變化這一對概念一直是化學教學的重要內容之一，也是中考和高考的重點和難點。然而，在一些文獻中對這對概念的內涵和外延的解析不夠準確，甚至存在偏差，常常給學生帶來困擾。初中教材中，將化學變化定義為有新物質生成的變化，但對新物質并沒有明確的界定。也有從化學鍵的角度［1］來判斷的，但換個情境來理解時容易產生偏差。本文分析了不同學習階段物理變化與化學變化的判據，側重從分子的角度來做出判斷，并列舉了物理變化與化學變化的常見類型，修正了學生的理解偏差。

一、判據

初中階段，判斷一個變化過程是物理變化還是化學變化，其依據是有沒有新物質生成。但這對剛接觸化學的學生來說并不容易，如單斜硫與斜方硫之間的轉化、石墨與石墨烯之間的轉化等；又如水和冰明明是不同的物質，為什么它們之間的轉化屬于物理變化？而借用初中所學的模型，包括比例模型、球棍模型等，都能較好地幫助學生理解和判斷物理變化與化學變化。

高中階段，學生學習了一部分結構知識，包括原子結構、分子結構和化學層次的作用力，具備了一定的從微觀角度分析物質性質及其變化的能力。此階段部分教師引導學生用化學鍵是否改變來判斷變化的性質，但容易引起理解偏差。如有觀點認為，只有同時發生舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成的過程才能稱為化學變化，而只發生化學鍵的形成或化學鍵的斷裂的過程不屬于化學變化。

大學階段，對分子的定義是，分子是保持物質化學性質的最小微粒。只要物質的化學性質發生了變化，即可以確定該過程涉及化學變化。

有觀點認為，構成物質的微?？梢允欠肿?，也可以是原子或離子，那么離子和原子也是保持物質化學性質的最小微粒。持此觀點的人顯然對分子的理解出現了偏差，將直接用元素符號表示的單質看成了單原子，但事實上在中學化學中有部分分子就是直接用元素符號來表示的。單質包括稀有氣體單原子分子，單原子金屬分子和單原子非金屬分子，如Na（g）、C（g）、Cl（g）等；多原子分子如S8、P4、C60分別用S、P、C 簡化表示；不確定原子數的原子結合體，如紅磷、石墨、硅，分別屬于一維、二維和三維結構，每顆晶粒分屬于原子數量不確定的巨型分子（以下的巨型分子都特指這一類），分別用P、C和Si簡化表示。

同理，由離子構成的物質，如NaCl，每顆晶粒也分屬于離子數量不等的巨型分子，用最簡式表示其組成。帶電荷的原子或原子團，如Cl?、CH4+等，包括溶劑化的離子，如［Na（H2O）6］+等，都是帶電分子。因此，保持物質化學性質的最小微粒仍是分子，而離子和原子只是構成分子的一部分。

用化學性質的保持者分子來判斷變化過程是物理變化還是化學變化優勢明顯，且應用面廣、準確性高，只要比較變化過程中物質的化學性質是否發生了變化，就可以判斷出是物理變化還是化學變化了。

二、應用

（一）物質的氣、液、固三相間的變化

物質的狀態變化通常被認為是物理變化，最常見的如水的氣態變液態、液態變固態，是公認的物理變化，因為變化過程中物質都是以H2O 分子的形式存在，其化學性質自始至終沒有發生變化。大多數穩定的小分子化合物的狀態變化也大都具有這一特點，因此發生的多是物理變化。但例外總是存在的，如NO2、SO3、PCl5，它們在氣態時都是小分子，NO2和SO3液化后發生了聚合，詳見過程（1）和（2），這是典型的化學變化；PCl5在形成晶體時離子化為［PCl4］+和［PCl6］+，詳見過程（3），也是典型的化學變化。它們狀態變化前后，分子的化學性質發生了變化。

NaCl、Fe 單質、金剛石分別屬于典型的離子晶體、金屬晶體和原子晶體，它們的每顆晶粒就相當于一個分子。這些物質發生狀態變化時，傳統觀點認為是物理變化，持此觀點的依據是它們由固態變為液態或由液態變為氣態時只發生舊化學鍵的斷裂，并沒有形成新的化學鍵。用分子的概念來判斷時會得到完全不同的答案。先看固態的NaCl 在熔化時破壞或削弱了部分離子鍵，形成（NaCl）mNa+和（NaCl）nCl?（其中m和n是正整數，且隨溫度升高而變?。?，即可以自由移動的陰陽離子；氣化時形成NaCl（g）雙原子分子［2］，分別見過程（4）和過程（5）；不管是自由移動的陰陽離子團，還是氣態分子，它們的化學性質都與固態時的NaCl 巨型分子明顯不同，因此過程（4）和過程（5）均是化學變化，也就是說，典型的離子化合物的狀態變化都是化學變化。再看Fe 單質的熔化，在此過程中破壞了一部分金屬鍵，形成可自由移動的Fem原子團；氣化時則形成單原子分子Fe（g），詳見過程（6）；顯然，不管是原子團，還是單原子分子，其化學性質與固態的金屬鐵都有明顯的不同，如常溫、常壓下的固態鐵不可能與水蒸氣反應，而液態鐵和氣態鐵都可以與水蒸氣反應，見過程（7）。

因此，大多數金屬晶體的狀態變化也是化學變化，判斷的依據是其化學性質發生了顯著變化。同理可以推出，原子晶體的狀態變化也是化學變化。這一結論還可以推廣到一維、二維結構的單質和化合物，即絕大多數一維、二維和三維結構的物質，在發生狀態變化時多屬于化學變化。而常溫、常壓下為零維結構的小分子發生狀態變化時，雖然大多數屬于物理變化，但仍然有少數屬于化學變化，需要具體分析變化過程中物質的化學性質有沒有發生變化。

（二）物質的溶解

溶解過程通常被認為是物理變化過程，但實際上溶解過程會因溶質和溶劑的不同而存在差異。如乙醇在水中的溶解過程是典型的物理變化，溶解過程中溶質和溶劑分子都沒有發生變化。絕大多數有機小分子在水或有機溶劑中的溶解都屬于物理變化。如果考慮在小分子液態溶劑中的溶解，則不論溶質如何，根據相似相溶原理，溶質的存在形式往往是作用力與溶劑分子間作用力相近的小分子。如FeCl3在苯中的溶解，FeCl3是具有層狀結構的巨型分子，在苯中不會以巨型分子的形式存在，而是離解成二聚物Fe2Cl6甚至單分子FeCl3這類小分子，只有這樣其作用力才會與苯接近，才能溶解形成溶液。又如NaCl 在水中的溶解，NaCl 屬于三維巨型分子，在水中通過形成水合陽離子和水合陰離子而小分子化，詳見過程（8），這些離子型小分子與水的作用力相近。由此可以總結出規律：能在小分子溶劑中溶解的通常都是小分子或小分子化的溶質，如果溶質是一維（如BeCl2）、二維（如MgCl2）或三維（如BaCl2）結構的巨型分子，其溶解過程往往涉及小分子化，因此這類巨型分子溶質的小分子化溶解過程必然屬于化學變化。還有一些無機小分子，包括各種強酸類和共價性鹽類，如H2SO4、TiCl4等，在水中溶解時會被水分子誘導而形成溶劑化離子，其溶解過程也屬于化學變化，詳見過程（9）和過程（10）。

硫酸與水作用的過程很典型，從晶體硫酸結構可以看出所發生的變化是化學變化，實際上硫酸與水可以形成一系列的水合物。在純硫酸中，H 全部連接在與S 成鍵的O 原子上，即（HO）2SO2；在一水合硫酸（H2SO4·H2O）晶體中（實際上是［H3O］+［HSO4］?），硫酸上的一個H 轉移到了H2O 上形成H3O+，且H3O+和HSO?4兩個微粒不在共價鍵的作用距離之內；在二水合硫酸（H2SO4·2H2O）晶體中，不存在，而是形成了［（H3O）2］SO4；在四水合硫酸（H2SO4·4H2O）晶體中，每兩個H2O 共用一個H+，形成的是［H5O2］2SO4，即其中H2SO4上的每個H 都同時與2 個O 作用，作用距離在共價鍵的范圍內；在八水合硫酸（H2SO4·8H2O）晶體中，每4 個H2O 與1 個H+作用，導致與H+結合的四個H2O 中的O 不可區分，H+在四個O 之間振動傳遞，可近似看成［H9O4］+?？傊?，在各類硫酸水合物中不再存在H2SO4分子。因此，硫酸干燥或稀釋過程都屬于化學變化，HNO3、HCl、HBr、HI 等強酸分子溶于水也都發生了化學變化。作為強電解質的酸、堿和鹽溶于水，都屬于化學變化。

離子晶體、原子晶體和金屬晶體之間的固態高溫互溶，如合金（Al?Hg）、離子晶體（NaCl?AlCl3）的固溶體等的形成過程，都發生了化學鍵的重新組合，生成的產物在化學性質上與反應物明顯不同，因此屬于化學變化。

（三）同素異形體之間的轉化

同素異形體之間的轉化既有物理變化，又有化學變化，只有從分子角度去分析才能找到正確的答案。如金剛石與石墨，前者是三維網狀結構，而后者是層狀結構，二者的化學性質有顯著差異，因此它們之間的轉化屬于化學變化。石墨轉化為碳納米管、富勒烯也屬于化學變化。石墨轉為石墨烯要看具體情況，如果用膠帶將石墨層剝離，仍然保持原有分子，則屬于物理變化，而用化學剪裁裁成小分子石墨烯，則屬于化學變化。單斜硫與斜方硫之間的轉化過程，只是分子的空間姿態有所不同，而化學性質未變，所以屬于物理變化；而單斜硫或斜方硫轉化為一維結構的彈性硫，化學性質有一定的變化，所以屬于化學變化。氧有四種較常見的同素異形體后三者都是雙原子分子，但是分子的電子結構不同［3］，能量不同，化學性質也明顯不同，因此這四種氧的同素異形體之間無論是哪兩種的相互轉化過程都屬于化學變化。

（四）切割變小

對于一維、二維和三維結構的物質，若將宏觀上的大塊等分切割成兩份，雖然涉及化學鍵的斷裂，但切割前后，決定化學性質的表面微粒的比例都很低，其化學性質幾乎沒有改變，即保持原有的化學性質，所以屬于物理變化。因此，有維結構的巨型分子在進行宏觀上的有限切割時，切割前后物質的化學性質幾乎不變，都屬于物理變化。但若進行深度切割，就會由量變轉為質變，也就是發生了化學變化。如將1012個Fe原子形成的原子團（約為2μm），切成2 塊均為5×1011個Fe 原子的微米鐵，則切割前后化學性質幾乎不變，屬于物理變化；若切割成等分的由106個Fe 原子形成的原子團（約20 nm），切割前后化學性質發生了顯著變化，屬于化學變化。如果從微米鐵上切割下1個Fe原子，脫離母體的Fe 原子的化學性質變化更加顯著，微米Fe在空氣中相當穩定，而納米Fe可在空氣中自燃，單個Fe 原子體現了更強的還原性。相似地，從NaCl宏觀晶粒上取下1個Na+離子或1個Cl?離子或1 個NaCl 分子，母體的化學性質變化很??；而脫離母體的小分子的化學性質與母體明顯不同，均可認為發生了化學變化。涉及化學鍵變化的宏觀顆粒變成納米顆粒甚至單原子分子的過程以及它們的逆過程，都應該視為化學變化。

（五）模糊性處理

在有些情況下，盡管變化過程中涉及化學鍵的斷裂或形成，但物質的化學性質幾乎沒有變化，因此可以認為是物理變化。有觀點認為，涉及化學鍵變化的過程，物質的化學性質會產生細微差異，但這種差異有時甚至比同位素效應產生的差異還小。如D2O 和H2O，普遍認為它們的化學性質相同，其實它們的化學性質是存在差異的，至少在化學反應速率上H+比D+快不少，所以，當變化過程中物質化學性質幾乎沒有差異時，視為物理變化是合理的。具體包括如下過程：

（1）宏觀上的切割與粉碎，在許多情況下涉及化學鍵的斷裂，但物質的化學性質幾乎沒有改變，因此可視為物理變化。組成相同的宏觀粉體的燒結，雖然伴隨化學鍵的形成，但燒結前后其化學性質幾乎不變，也可視為物理變化。

（2）弱電解質的溶解和稀釋，由于解離比例很小，在不涉及解離后的離子性質時，物質的化學性質也可以看作幾乎沒有改變，可視為物理變化。典型的例子就是醋酸溶于水，在水中有很弱的解離，可忽略，因此可視為物理變化。

（3）膠體的表面電荷中和，盡管涉及離子鍵的強弱變化，由于中和的電荷很少，且這些表面離子鍵是可逆調變的，因此可視為物理變化。

（4）物質的顏色往往是由部分分子吸收可見光發生電子躍遷引起的，這部分分子的活性顯著不同于未發生電子躍遷的分子，但由于發生電子躍遷的分子占比很小，因此物質的顏色變化多屬于物理變化。但有些顏色的產生，如原子吸收光譜或原子發射光譜（焰色反應），它們都需要在極高的溫度下將原料中的金屬元素原子化，此時的顯色過程屬于化學變化，因為原料在高溫下發生了質變。

（5）體現金屬延展性的宏觀變形過程雖然也涉及金屬鍵的斷裂和形成，但金屬變形前后的化學性質幾乎不變，因此可視為物理變化。

（6）金屬的固態相變，由于金屬常見的三種密堆積之間的化學性質差異很小，因此可視為物理變化。

三、總結

“分子”一詞在初中化學中就已廣泛提及，高中化學則要求學生對分子有較深入的理解。用保持物質化學性質的最小微?！肿觼碜鳛槲锢碜兓c化學變化的判斷依據相對更加合理，適用面也更廣，可有效幫助更多的學生修正認知和理解偏差。本文列舉了物理變化與化學變化的基本類型，特別對物理變化與化學變化的判斷依據進行了分析。主要包括：（1）物質狀態的變化。有維結構的巨型分子的三態變化一般都是化學變化，小分子的三態變化絕大多數是物理變化，但也有些例外，要格外注意。（2）物質的溶解。強電解質在水中的溶解都是化學變化，弱電解質的溶解在不考慮解離出的離子性質時，屬于物理變化。離子晶體、原子晶體和金屬晶體之間的固態高溫互溶均屬于化學變化。而非電解質的水溶或相互溶解，若不發生化學反應，則是物理變化。（3）同素異形體之間的轉化絕大多數是化學變化，但也有少數例外，比如典型的單斜硫與斜方硫之間的轉化以及金屬晶體不同結構間的轉化屬于物理變化。（4）宏觀切割和形變均屬于物理變化。