化学中理论和观念的变革

理论和观念的变革，也具有突破性质，但又不完全等同于突破。理论和观念的变革，实质上是科学发展中的革命。因为理论和观念的变革，意味着从旧理论、旧观念转变为新理论和新观念。变革表示破旧立新、推陈出新。科学史中讲的科学革命，也是理论、观念的变革，是科学中的破旧立新。在这里，我们没有采用革命概念，而采用变革概念。革命应当是科学发展中重大的、影响深远的变革，而变革则可以有大的变革，影响深远的变革，也可以有小的变革、只在一个较小的研究领域中有影响的变革。

在化学史上发生过多次变革。第一次变革当属关于燃烧理论的变革。人类自学会用火就开始接触了燃烧现象，人们对燃烧现象提出的第一种系统的理论是燃素说。众所周知，18 世纪初，施塔尔接受前人的思想提出了燃素说。按照这个学说，一切可燃物中都含有燃素，可燃物燃烧时，从中释放出燃素，因此，可燃物的燃烧过程，被看作是可燃物分解的过程。依据这种学说，不仅能够解释物质的燃烧、金属的煅烧及它们的逆过程，而且能够解释许多其他化学现象，如酸的生成，金属在酸中的溶解，金属在酸溶液中的置换等。这个学说使化学从炼金术中解放出来，并统治化学近百年之久。在燃素说统治下通过化学实验逐渐积累起日益丰富的资料，又为推翻燃素说准备了条件。

其实，在燃素说建立时，已经存在反常事件，也就是与燃素说不相符合的事实，这就是金属在空气中焙烧时重量增加，而按照燃素说应当是重量减小。然而，这个事实对燃素说的创立者施塔尔来说是无关紧要的，而且，燃素说的拥护者还可以用燃素具有负重量进行解释。可是，这个事实却引起了拉瓦锡的深思，促使他对燃烧和煅烧过程进行研究，在发现和确认氧的基础上，建立了燃烧的氧化理论。

从燃素说到氧化理论，在燃烧问题上实现了理论变革。这种变革，从认识论观点来看，是从认识外观到认识现实的变革。从直接的外观来看，燃烧过程中烟火升腾，似乎有什么东西分解出来，燃素论者正是把这种外观或外部现象上升为原则，把对外观或外部现象的观察作为建立燃烧理论的基础，从而建立了燃素说。拉瓦锡由于对燃素说产生了怀疑，对燃烧现象进行了重新研究，在实验研究中发现了燃素的对立物——氧元素，揭示了燃烧的本质。从认识论观点来看，拉瓦锡透过可见的外观认识了人们不能直接看到的东

西，使人们的认识离开了直接的外观，从而更接近于现实，使认识不再停留在依据对现实的外观的观察来理解和解释现象，而是依据对外观的透视，抓住了外观下隐藏的实质，回过来解释外观现象。这种变革的结果，使在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来了。外观没有被抛弃，外观得到了科学解释，对外观的观察取得的事实资料不仅没有失去意义，而且成为正确的燃烧理论赖以建立的事实的一部分，被抛弃或被推翻的仅仅是不正确的概念—

—燃素和不正确的观念，如把燃烧过程视为可燃物分解释放燃素的过程，即使在不正确的概念和观念中，也包含有合理的因素。所有这些都以这样或那样的形式为氧化理论继承下来了。正是在这个意义上，理论、观念的变革，也包含着继承性。诚然，首先应当强调变革，从燃素说到氧化理论，是化学中的第一次革命，是理论上的根本性变革，破除了旧的，创立了新的，在创新中破旧，在破旧中创新。正像恩格斯所说的：“在化学中，燃素说经过百年的实验工作提供了这样一些材料，借助于这些材料，拉瓦锡才能在普利斯特列制造出来的氧中发现了虚幻的燃素之真实的对立物，因而抛弃了全部的燃素说。但是燃素说者的实验结果完全不因此而被排除。相反地，这些实验结果仍然存在，只是它们的表述形式被倒过来了，从燃素说的语言翻译成了现今通用的化学的语言，并且至今它们还一直保持着自己的有效性。”①

其次，谈谈生命力观念的变革。生命力观念源于生物学中的活力论

（Vitalism）。活力论的思想渊源久远，早在原始时代就产生了“万物有灵” 的观念，亚里士多德提出的“隐德来希”，原意为在目的中，它意味着某种内在的目的，后来成了活力论的理论基础。活力论认为生命物质和非生命物质有着本质区别，生命现象不能还原为物理、化学规律，生物体中起支配作用的是活力（Vis）。16 世纪以后，化学家海尔孟特（Helmont）和施塔尔都提倡活力论。例如，海尔孟特特别重视酵素的作用，他认为酵素是一种潜在的形成能力，它能够配置水的物质使种子和生命得以产生①。近代化学家们在从事化学研究中看到了无机物和有机物之间的区别，在一时还不能用人工方法制备出有机物的情况下，倾向于活力论的解释，这是不可避免的。对于无机物和有机物之间的区别，拉瓦锡已经作了规定，他说：“我已经观察到，在矿物界中，几乎一切可氧化的和成酸的根都是单质；反之，在植物界中，尤其在动物界中，没有一种根不是至少由两种物质——氢和碳——所组成，这些根常有氮和磷与之结合，结果形成四元根。”②到 19 世纪初，贝采里乌斯强调指出了无机物和有机物之间的区别，并且提出能够人工制备的是无机物而不是有机物。据此，他认为，在生物界领域内元素服从的定律，与非生物界中起支配作用的定律完全不同。

1828 年维勒虽然作出了一项重要发现，被认为是无机化合物的氰酸铵能很容易地转变成尿素，而尿素一直被认为是动物新陈代谢的一种产物，然而，这种合成毕竟是不完全的合成，而且这个发现在一段时间内还是孤立的事实，因而没有动摇对生命力的信仰。可是，有机合成没有停住前进的脚步，在维勒之后，德国化学家柯尔伯（Kolbe）于 1845 年首次用木碳、硫磺、氯

和水这些单质合成了有机化合物醋酸，法国化学家贝特罗于 1854 年成功地合

① 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984 年，第 51 页。

① 柏廷顿：《化学简史》，胡作玄译，商务印书馆，1979 年版，第 61 页。

② 肖莱马：《有机化学的产生和发展》，潘吉星译，科学出版社，1978 年版，第 16 页。

成了属于油脂类的物质，俄国化学家布特列洛夫于 1861 年合成了糖类的物质，有机合成获得了迅速发展。在有机合成实践取得进步的同时，有机化合物结构理论也逐步确立并不断发展，使化学家们树立起一种新的观念：只要弄清了有机界中形成的化合物的结构，就能在实验室中人工合成它。这就表明，一些化学定律既支配生物界，也支配非生物界。由此破除了生命力观念，建立了有机化合物和无机化合物具有统一性的新观念，实现了观念上的变革。

从认识论观点来分析，生命力观念赖以存在的基础，是认为在无机物和有机物之间存在着严格的界限和不可逾越的鸿沟：无机化合物可以人工制备，有机化合物只能由生物体生产出来。生物体为什么能生产有机物质，又是怎样生产的？在科学的幼年时期，对这些问题还很难做出令人满意的回答。于是，人们只好借助于某种特殊作用，把生命现象归结为活力或生命力。“活力”、“生命力”不过是表示人们对生命运动形式还没有研究，还缺乏了解。还是恩格斯说的深刻，他指出，力在许多地方成了一个纯粹的空话，在这些地方，“人们不去研究没有研究过的运动形式，而发明某种所谓力来解释这些运动形式⋯⋯于是人们有多少种不能说明的现象，便有多少种力，而人们把恰好仅仅是外部的现象翻译成一种最纯粹的空话”①；他还特别指出，在有机的自然界中，力这一范畴是完全不充分的，可是人们却不断地使用它，“这种用语的不当引起了生命力的说法。如果这是想说，有机的物体中的运动形式不同于机械的、物理的和化学的运动形式，它扬弃后几种运动形式而把它们包括在自身中，那么这种表达方式是不适当的，特别是因为力

──它以运动的转移为前提──在这里显现为某种从外部加到生命体里去的东西，而不是生命体内在固有的、和生命体分不开的东西，因此，生命力就成了一切超自然主义者的最后避难所”。①

与生命力观念相对立的新化学观念，与生命力赖以存在的基础也相反，新的化学观认为在无机物和有机物之间没有不可逾越的鸿沟，对无机物适用的化学定律对有机物是同样适用的。从认识论观点来看，新的化学观破除了形而上学的僵硬的和固定的“非此即彼”的观念和思维方法，在承认无机界和有机界之间存在区别的同时，也承认它们之间的联系和统一，承认化学规律在有机化合物中的完全适用性，也承认化学规律在生物中的可适用性。因此，这种观念的变革，是从形而上学的思维方式到辩证思维方式的变革，或者说，是思维方式变革在观念上的表现。

应当指出，非生命运动形式和生命运动形式是有区别的，生命运动形式有其自身的质的特点。在这个意义上说，活力论所提出的问题并没有完全失去意义。当代科学对生命本质的认识已获得了突飞猛进的发展，在生物学领域以分子生物学的建立为标志实现了重大突破，人们从构成生命的基本物质

——核酸和蛋白质——的结构和功能等方面已经能够对生命现象做出科学的解释。尽管如此，当人们试图用因果律去解释生命自组织系统时，仍然面临许多难题，还原论和整体论之间存在着分歧，这些都与生命运动形式的特点有联系。详细讨论这些问题已经超出了本书的范围，我们在此只能提及这个问题而不能详细说明这个问题了。

① 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984 年版，第 263 页。

① 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984 年版，第 263—264 页。

第三，关于二元观念。二元观念也与贝采里乌斯的名字相联系。贝采里乌斯是瑞典著名化学家，生于 1779 年死于 1848 年，他一生中，对化学的所有分支都几乎留有自己的印迹，他的实验工作还跨越了许多领域，而他的伟大目标是确立原子学说和二元体系。

贝采里乌斯注意到，自 19 世纪初以来，由于电化学方面的研究进展，金属的氧化物可以被电流分解成金属和氧，溶液中的盐在通电流的情况下，能够分解成为碱和酸，碱被视为电正性的物质，酸被认为是电负性的物质；在此基础上，他进而将这种电性推广到元素上去，因为碱和酸都被看作是氧的化合物，因而他认为氧总是电负性的，是电负性最大的元素，其他元素可以依次排列，最后一个元素是钾，在氢以前的元素为电负性元素，氢以后的元素为电正性元素。这个序列如下：

O，S，N，F，Cl，Br，I，Se，P，As，Cr，M0，W，B，C，Sb，Te，Ta， Ti，Si，H； Au，Os，Ir，Pt，Rh，Pd，Hg，Ag，Cu，U，Bi，Sn，Pb，Cd， Co，Ni，Fe，Zn，Mn，Ce，Th，Zr，Al，Y，Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Li，Na， K。

贝采里乌斯认为，元素的原子都是一个电偶极，同一个原子既含正电荷又含负电荷，然而有一种电荷占优势。不同元素的原子之间互相以电性吸引结合成化合物，而电荷并未完全抵消，有的化合物仍显电正性另一些化合物显电负性，它们彼此之间还能结合。这样，贝采里乌斯以二元学说为基础，建立了电化结合理论。换句话说，贝采里乌斯提出的二元论或称作二元观念，是他的结合理论的基础。

这里所说的二元论，不同于哲学中的二元论。哲学中的二元论，指的是在解决哲学基本问题上的折衷主义观点，例如，17 世纪法国哲学家和数学家笛卡尔提出存在两个彼此独立的实体，一个是灵魂，它的属性是思想，另一个是形体，形体的属性是广延，这是哲学上的二元论。贝采里乌斯的二元论，是对具体化学问题的看法，是从研究化合物是怎样形成的问题过程中形成的观念。这种观点的实质是认为元素的原子都是电极化的，而化合物是由电性相反的元素组成的，复杂的化合物又是由电性相反的简单化合物组成的。所以，这种二元论是与电化学研究成果密切相关的，被称为二元论电化学说。这种学说和观念在 19 世纪前二三十年曾经成为占统治地位的化学观念，对分子概念的确立产生了消极影响，起了阻碍作用。

众所周知，随着化学研究的进展，这种观念越来越站不住脚了，特别是有机化合物的卤代反应的发现，对这种二元学说提出了严重挑战。1839 年，杜马由醋酸制得三氯醋酸，经研究发现，三氯醋酸与普通醋酸十分相象，氯取代氢后，醋酸变为氯代醋酸，后者与前者相比较，物理性质发生一些变化，一切根本性质仍然不变。杜马直接了当地指出，他所发现的事实与贝采里乌斯的学说相矛盾。在有机化学理论的进一步发展中，一元论的思想，即把化合物看成一个整体的思想，逐步成长起来，一元论观念取代了二元论观念，为分子概念的确立开辟了道路，从而引起了物质结构观念的重大变革。

在道尔顿创立化学原子论以后，形成了原子——实物的物质结构图景，在化学家及其他领域的科学家的思想观念上，认为自然界中的种种实物形式都是由原子组成的，原子本身是最基本的物质单位，原子之上也不再形成什么微粒。道尔顿之后，阿佛加德罗提出了分子概念和分子理论，在原子和实物之间增加了一个物质层次。其实，道尔顿提出的“复杂原子”实质上是化

合物的分子，然而，道尔顿及与其同时代的一些化学家却不能接受分子概念，除了实验资料积累不够等原因外，还有一个重要原因，这就是电化二元论观念起着阻碍作用。持有这种观念的化学家，包括道尔顿在内，无论如何也不能理解同种元素的原子何以能够结合成分子。分子概念提出以后，经历近半个世纪的坎坷道路，到 1860 年，经过坎尼查罗的理论论证才最终得到化学家们理解和承认。分子概念的确立不仅具有重要的化学意义，使化学中的一些矛盾得以解决，一些混乱得以澄清；而且具有重要的哲学意义，分子概念的确立形成了原子——分子——实物的新的物质结构图景。有些化学哲学文献提出，分子概念的确立是化学中理论观念上的第二次革命。

19 世纪下半期，在电化学和溶液理论研究中，也发生了理论观念上的重大变革。19 世纪 80 年代以前，基于对溶液和电解的研究，在化学家们的头脑中形成了一种基本观念：电解质在溶液中只有在外界电流作用下才能离解成为带电的离子。

阿伦尼乌斯于 1882 年至 1883 年为了改进测定物质分子量的方法开始研究电解质稀溶液的导电性。他在研究中发现，有些物质本身不导电，它们的水溶液却导电，而且溶液越稀导电性越强。为了解释这些现象，他于 1883 年提出了一种设想：电解质在溶液中无需电流的作用就能以两种状态存在，一种是分子的非活性态，另一种是离子的活性态，当溶液被稀释时，非活性态分子更多地转化为活性态离子，使溶液的导电性增强。这就是说，电解质在溶液中，尤其是在稀溶液中，无需外界电流的作用就能自动地离解成带电离子。阿化尼乌斯提出的电离理论，实质上是自动离解的理论，在他之前的理论是被动离解的理论，是被电离解的理论。自动离解的理论一提出，就受到了传统的被动离解观念的责难和攻击，同时也得到一些化学家的强有力的支持。反对者是多数，支持者是少数，但是事实证明，真理在少数人手里，阿伦尼乌斯的电离学说逐渐赢得了越来越多的科学家的承认，而且在离子水化理论中获得了进一步发展。

电化学和溶液理论的发展，以潜在的形式预示了原子的复杂性，到 19 世纪末，以电子和天然放射性等重大发现为突破口，逐渐形成了原子可分性和可变性观念，破除了原子不可分性和固定不变的旧观念，在物质结构观念上发生了一次真正的革命。

与原子概念的变迁相并行，在分子观念上也发生了变革。阿佛加德罗分子假说得到论证、公认和证实，在化学家们的思想上建立起一种基本看法，形成了一种基本观念：分子由原子组成，具有独立性和稳定性。随着现代科学的发展，逐渐发现了分子的质的多样性的形式，正如在第二章曾经简单描述过的那样，分子的独立性壁垒渐渐被冲破了，如“无限体型”晶体，高分子，各式各样的分子化合物（包合物等），都已超出了阿佛加德罗所提出的分子概念了；分子的稳定性也只具有相对性质；至于说分子由原子组成，一方面现在已知存在着单原子分子，另一方面，如果把分子视为一种体系，应当是由原子核和电子形成的体系，在分子轨道理论中，已经将核外电子的运动视为在分子轨道中的运动了。

总之，随着化学的发展，理论和观念不断发生变革，从理论和观念的变革这点上说，化学的历史是理论和观念不断变革的历史。纵观化学理论和观念变革的历史，可以看出有如下几个特点：

第一，化学理论和观念的变革，是破旧和创新的统一。旧和新的矛盾，

首先表现为旧观念、旧理论与新事实的矛盾，但是，应当指出，不是所有的新事实与旧观念、旧理论的矛盾都能引起或都能立即引起理论和观念的变革。有些新事实虽然与原有理论、观念相冲突，但是可以采取特设性修改的方式使新事实与原有理论相协调，从而不引起原有理论、观念的被破坏。所谓特设性修改，就是为克服某种理论困难，对某种事实作出一种特殊的假定性解释，如认为燃素有负重量，就是一种特设性修改。有些新事实虽然与原有理论、观念相冲突，但是，坚持原有理论和观念的人，可以置新事实于不顾，如施塔尔在建立燃素说的时候，对金属煅烧后重量增加的事实不闻不问，阿伦尼乌斯建立电离学说的时候，反对者对于电解质稀溶液导电性增强等事实不予理会，却反对电离学说。有些新事实，既难以做出特设性修改，又难以不闻不问，这样的事实对破除旧理论、旧观念起着直接的作用，这样的事实一出现，就意味着旧理论、旧观念被证伪。例如有机化合物的卤代反应，直接破坏了电化二元学说的基础，有机合成的发展破坏了生命力观念等。

第二，旧和新的矛盾，或新与旧的矛盾，又表现为旧理论、旧观念与新理论、新观念的矛盾。这里所说的旧与新，系指原有的和新提出来的。化学理论和观念的变革，固然是基于原有理论、观念与新事实的矛盾，但是在一些情况下，理论和观念的变革不是直接由新事实、新发现引起的，而是由于有人对新事实、新发现作出的理论解释与原有理论和观念相矛盾引起的。如前所述，阿伦尼乌斯对电解质溶液导电性等进行研究，提出了电解质在溶液中自动离解的理论，与先前人们认为只有在外界电流作用下才能电离的看法发现了冲突。在这种情况下，对于同一研究对象提出不同的相互竞争的理论或假说，它们彼此之间相互竞争、相互比较、相互斗争，逐渐地一个代替了一个，实现了理论、观念的变革。

第三，因此，化学中理论、观念的变革，有不同的表现形式。有的理论或观念，在新事实面前，失去了解释能力，逐步为化学家所放弃，从形式上看，破旧，即破除旧的理论和观念表现得特别突出，前面讲过的生命力观念、电化二元论的变革即属此例，虽然从实质上看，破旧就意味着立新，但立新表现得不突出，给人们的印象不那么深刻，而破旧，原来有那么一种理论，后来失效了，没有人再理会它了，这方面很突出，给人们的印象深刻。有的理论和观念的变革，从形式上看，立新表现得特别突出，如氧化理论取代燃素说，是在建立了氧化理论中破除了燃素说的，没有新理论的建立也就没有旧理论的破除，是在创新中破旧的。理论和观念的变革的第三种形式，破旧和创新都很突出，如电离学说建立以后，两种理论和观念发生冲突，进行争论，在破旧中立新，在立新中破旧。最后还有一种形式，像分子观的变革那样的变革，是逐步发生的，原有的认识仍保持着它的意义，如果不深入研究，似乎原来的认识没有发生什么大的变化，但在实际上，经过逐渐的积累，也就是随着化学和其他科学的发展，原有的认识、原来的观念已经发生了深刻的变革，如分子概念的基本内容，如组成性、独立性、稳定性等，都发生了认识上的深化和改变。

从正确还是错误的关系看，上述几种形式可以分成两类：第一类，理论、观念的变革是从相对错误到相对真理的转化过程，从燃素说到氧化说，从只看到有机物和无机物之间的区别而没有看到它们之间的联系的生命力观念，到既看到二者的区别又看到它们联系的非生命力观念，从二元观念到一元观念，等等，都是从相对错误到相对真理的发展过程，前者是相对错误的认识，

因为“它们是错误的，但不是绝对的、完全的错误，它们之中还包含着一些相对正确的、合理的东西”[1]；第二类，理论、观念的变革表现为相对真理的发展过程，从被动电离的观念到自动离解的观念的变革，从原子的不变性到可变性的观念的变革，从阿佛加德罗的分子概念到现代分子概念的变革，都是相对真理的认识的发展过程，无论前者还是后者，都属于相对真理的认识，它们在一定条件和一定范围来说是正确的，但它们本身又需要进一步深化和发展。其中，分子观念的变革尤其值得注意，这是因为这种形式的变革不容易为人们所注意，另一方面还因为这种变革具有更重要的意义，它提示人们对习以为常的概念、理论和观念，应当结合化学的发展进行批判性思考，以使认识不断深化。

[1]龚育之：《关于自然科学发展规律的几个问题》，上海人民出版社1978 年第 2 版，第 156 页。