二、化学中的因果关系和因果解释

化学因果性的探索

早在人类文明曙光初升的时代，人类就已接触到或观察到自然界的一些现象，就其实质而言，是化学变化所产生的现象。随着实践和认识的发展，人们试图对这些现象进行解释，逐渐地提出了一个问题：物质变化的原因是什么？古代哲人用爱和恨解释元素或原子的结合和分离。类似的观念延续下来，到公元 13 世纪，德国炼金术士马格努斯（Albertus Magnus）提出了亲和性（affinity）概念，其本意是“姻亲关系”，把它看作物质变化的原因。

随着近代科学的产生，对化学变化的原因的解释，脱去了拟人观的色彩，开始了科学的研究。在近代自然科学中，亲和性概念是和原子论结合在一起的。作为物质结构学说的原子论，它的发展至少经历了三个主要阶段：①：第一阶段是古代自然哲学的原子论的发展阶段，第二阶段，17、18 世纪，表现为机械的原子论，第三阶段，19 世纪，建立了化学原子论。在第二阶段，原子或微粒具有纯力学的性质，使它们相互结合的亲和性也具有纯力学的性质，可称之为亲和力。

波义耳将亲和力与他的微粒说结合起来说明化学变化。他指出：“相异二元素之微粒相互吸引，则生成第三种物质，即生成化合物。倘此化合物中二元素成分之相互亲和力小于其中一成分与第四种物质之亲和力，则此化合物即分解，而另生成第五种物质。”②波义耳试图用亲和力解释微粒之间的结合，用微粒之间亲和力大小不同解释微粒的分解。总之，用亲和力解释了微粒的结合与分解，从而也就解释了化学变化。

波义耳已经提出了通过不同物体之间反应能力确定亲和力相对大小的思想，但他没有进行具体研究。法国化学家杰奥索瓦（Geoffroy）将物质间的反应能力进行比较，他指出，两个物体（a 和 b）相化合，如果第三个物体（C）与它们中间的一个物体（例如 a）具有较大的亲和力，就能够从该物体中把物体 b 置换出来。依据这种设想，他编制了一张亲和力表。在他之后，有许多化学家研究亲和力表，如施塔尔、贝格曼等。他们实质上是将亲和力视为一种引力，把它看作形成化合物的原因；同时，由于亲和力相对大小不同，可以引起化学反应，因此，亲和力又是化学反应的原因。

1803 年，道尔顿提出了化学原子论。他指出，原子是化学元素的最基本单位，在化学变化中保持不变。化学中的化合是原子以简单数目比相结合。道尔顿的原子论隐含着原子之间存在相互作用的思想，但他没有进一步对这种相互作用提出解释。瑞典化学家贝采里乌斯早就注意到这样一些事实：有些物质能够彼此化合，有些则不能。他试图找出原因。在他从事化学研究的时候，物理学对静电的研究已相当深入，对动电的研究也取得了进展，伏打电堆问世以后，对电解的研究也很有成绩。正是在电学的启发下，贝采里乌斯提出了电化学二元学说。按照他的学说，元素的原子都有两极，一极显正电性，另一极显负电性，二极的电性不相等，有的原子总体上显正电性，有

① 参见前苏联凯德洛夫：《恩格斯论化学的发展》（俄文），莫斯科《化学》出版社，1979 年版，第 22

页。

② 编写组编写：《化学发展简史》，科学出版社，1980 年版，第 94—95 页。

的原子总体上显负电性，显正电性的原子和显负电性的原子相互结合。化合以后，电性不能完全抵消，产生的化合物可以再相互结合，形成第二级化合物，进而还可以相互结合，形成第三级化合物，如此等等。电化学二元学说把原子相互结合的原因归结为静电吸引。这个学说几乎解释了当时已知的无机化合物，却在有机化学中遇到了困难。可是，这个学说力图说明的问题，即化学结合的原因问题，并没有因这个学说的衰落而失去意义，这个问题依然存在，而且一直困扰着化学家们。

此后，对这个问题的研究大体上是沿着两个方向发展的。一个方向，可以称之为化学方向，也就是对化合物的组成和变化的事实进行总结；另一个方向，可以称之为物理化学研究方向，引用热力学理论对化学反应进行分析。

一些化学家从化学实验中发现，彼此发生化学结合的原子或基，都具有一定的数量关系。基于这种观察和发现，提出了“化合力”、“原子数”、“亲和力单位”等概念，后来形成了原子价概念。原子价或化合价，被认为是元素的原子所固有的一种性质，是形成化合物的能力。与此同时，还提出了化学键概念。原子价在一种意义上被理解为自由原子的结合能力，它是形成化学结合的原因；化学键被理解为已经实现了的化学结合，它是化学结合的结果。

19 世纪中叶前后，热力学取得了令人瞩目的成就。热力学是研究能量相互转换所遵循的规律的一门科学。化学反应中既然伴随着能量的转化，因此热力学理论可应用于化学反应的研究。吉布斯证明，在恒温恒压下如果在理论上或实践上一个反应能够用来完成有用功，这个反应是自发的；相反，如果由环境提供有用功致使反应发生，反应则不是自发的。恩格斯曾经说过： “功是从量方面看出来的运动形成的变换”①。一个化学反应能被用来完成有用功，就意味着发生了运动形式（能的形式）的变换，这种能做有用功的能就是自由能，又称吉布斯自由能，常用符号 G 来表示。依据吉布斯的理论，如果 G 反应物＞G 产物，则△G＜0，反应能自发发生；相反，如果△G＞0，反应不能自发发生；当△G=0 时，反应达到平衡。

△G＜0 是什么意思？它表示一种动因，即推动化学反应的一种作用，用因果性术语来表述：如果存在自由能差，化学反应能够从自由能高的向自由能低的方向进行；这个表述，若用前面说过的公式来表示，相当于“如果 A，那么 B”，这是规律的陈述形式。

19 世纪末 20 世纪初，发现了电子，建立了原子的有核模型和核外电子层构型模型，化学家对原子价、化学键的实质有了进一步认识。依据科塞尔提出的离子键理论，正、负离子之间的静电相互作用是化学结合的原因；根据路易斯提出的共价键理论，原子之间形成化学键的原因被归结为两个原子共有一对电子，价键理论在电子对键基础上对原子之间的化学结合进行量子力学的说明；分子轨道理论把分子看作一个整体，电子在一定分子轨道上运动，分子轨道由原子轨道组成，原子轨道相互重叠形成化学键。

综上所述，人类对化学因果性的探索形成了化学因果观念，化学因果观念的发展和演变，从一个侧面反映了人类对化学运动形式认识的历史发展。化学因果观念是对化学因果关系的反映。化学因果关系是怎样的关系呢？

① 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984 年版，第 185 页。