化学中的因果解释

因果解释是化学中解释的一般模式。在化学文献中，我们常常可以看到这样一些陈述语句：“⋯⋯物质分子具有⋯⋯性质或发生⋯⋯反应，是因为

（或原因在于）它具有⋯⋯结构”，或者说，“⋯⋯物质分子由于它的结构⋯⋯所以有⋯⋯性质或能够发生⋯⋯反应”。前一种陈述是解释性的，表现为从结果去追溯原因，再用原因解释结果；后一种陈述是从原因去说明结果，在解释的同时含有预见性因素。

例如，比较下述几种酸的酸性强弱，发现它们依次减弱，HCOOH＞CH3COOH

＞H2CO3，这是已知的事实。原因是什么呢？基于有关结构理论，有人提出如下解释：

这个式子表示，HCOOH 的酸性是由于诱导效应离解出 H⁺ 则可能发生两种共轭效应，一种可能是， ，另一种可能是 ，共轭效应（A）使共轭效应（B）降低，共轭效应（B） 反过来又抑制了共轭效应（A），相互作用的结果使共轭效应（B）不可能像HCOOH 那样离解出那么多的 H⁺，致使CH3COOH 的酸性弱于 HCOOH。同理，H2CO3也有两种可能的共轭效应，它们之间的相互作用更强烈，因而酸性更弱。这个例子是从已知事实出发，从理论上对事实作出解释，表现为从结果去追溯原因。

又例如，1960 年，伍德沃德在领导维生素 B12 的合成中发现，将一种化合物（A）加热，原来预计得到产物（D），结果却生成了另一种产物（B）。经过深入分析得知，化合物（D）和（B）二者之间在结构上的差别，仅仅在于两种化合物都具有的两个基团（Me^{-和 MeO2C）在环平面的上下位置不同。进一步的实验研究发现，化合物（B）经光照射后，发生开环反应，得到原来预计的产物（D）。（D）经光照后又转化为起始反应物（A）。伍德沃德意识到，在这类反应中包含着一种尚未认识的重要控制因素。经过与霍夫曼共同研究，探明了反应物（A）的分子轨道对称性和产物（B）的分子轨道的对称性是一致的，而（D）的分子轨道的对称性与（A）的分子轨道对称性不一致。经过他们的共同研究，得出了结论：当反应物与产物的分子轨道对称性一致}

时，反应易于发生；当它们不一致时，则反应难于进行。这个认识过程（经过高度简化了的过程）表现为，从结果[预计由（A）产生（D）而实际生成（B）] 去追溯原因，最终察明了原因，即（A）和（D）的分子轨道对称性不一致， 而（A）和（B）的分子轨道对称性一致。总结出分子轨道对称守恒原理以后， 又可进而解释和预言。可表述为：由于分子轨道对称性一致，能够发生协同反应。这种表述可以改写成规律陈述：如果分子轨道对称性一致，那么发生协同反应。

从结果去追溯原因，以原因解释结果，这是化学事实和理论解释之间关系的一种表现形式，也是化学发展的一种重要形式。我们以原子价理论的发展为例做些具体分析。原子价理论建立以后，解释了许多化学经验事实。随着化学的发展，要说明的化学经验事实越来越多，越来越复杂。从原子电子层结构去解释化学经验事实常常遇到困难，这就不得不从已知的化学键的性质和数目等事实去认识原子的原子价，归根到底也就是更进一步探索原子的电子结构。在这里涉及两种因素：一种是已知的化学经验事实；另一种是关于原子电子层结构方面的理论知识。从原则上讲，前者是研究问题的出发点， 从已知的事实出发，不断修正、补充和发展结构理论；前者应当能够从后者中推论出来。这样，从两种因素自然引出两条认识发展的途径，一条是从结果去探察原因，另一条是从原因去说明结果。原子价概念和理论正是在这两种因素、两条认识途径的相互矛盾和相互作用中发展的。当用碳原子的基态电子结构不能解释碳为什么是四价的问题时，一些化学家提出了“价态”概念，试图用碳的激发态的电子结构进行解释，同样，为了说明其他化学事实， 又陆续提出了“杂化”、电子对授受等概念。

化学中的因果解释，有三个重要特点：

第一，注意主要原因和结果。化学与物理学相比较，具有其特殊性。物理学常常从高度抽象的模型出发，分析物质运动的一般规律；化学则要研究各种具体的对象，研究多种多样的元素、分子、化学反应。从这方面说，化学研究的内容是极其丰富和极其复杂的，这就决定了化学中涉及的因果关系的复杂性。从结构上看，一个分子系统，一般是由两个或两个以上原子核与核外电子组成的体系，涉及多粒子及其相互作用。从化学反应来说，由于参加反应的物质不是绝对纯的物质，因此实际的化学反应，有主要反应，也伴随着复杂的次要反应或副反应。这种情况就决定了化学家们在进行研究的时候，不得不舍弃次要的，抓住主要的，这种因果解释在化学中是一贯的，甚至可以说已经形成了一种传统和习惯。例如，在化学反应中，分主反应和副反应，把反应物视为纯物质，着重研究它们所产生的结果。在原子价的电子理论中，分价电子和非价电子，着重研究价电子的行为及其产生的效应。在研究共轭烯烃化合物时，主要考虑π电子的作用，忽略σ电子的作用。福井谦一基于分子外层轨道的主导作用，提出了前线轨道概念，建立了前线轨道理论。正如福井谦一本人所说的：“前线轨道理论不限于为了解释只用电子密度难以说明的关于定向性的经验事实而开始引入轨道概念的，其重要意义还在于首先指明将 HOMO（即最高占据轨道），LUMO（即最低空轨道）这些特定轨道与其它轨道相区别，而这些特定轨道的重要性在环加成反应的选择定则中又显示了出来。”①所有这些都说明，化学中的因果解释注意主要原因和

① 福井谦一：《化学反应与电子轨道》，李荣森译，越成大等校，科学出版社，1985 年版，第 V 页。

主要结果。可以这样说，区分主要原因和次要原因，注意研究主要原因及其结果，是化学研究中的重要的方法论原则，也是促使化学研究取得进展的重要因素。

第二，追溯因果链。所谓因果链，正如前面讲过的，是原因引起结果， 结果又作为原因引起结果，或相反，从结果去追溯原因，进而追溯原因的原因。例如，在有机化学中对分子重排的解释就是这样。霍夫曼（Hoffmann） 分子重排，如下式所示：

有人对其机理作如下解释：由于 C 原子和 O 原子相连（原因 1），使 C 原子的电负性增大（结果 1）；由于 C 原子的电负性变得很大（原因 2），

¨ 使C—N键的稳定机制削弱（结果2）；由于C—N键稳定机制削弱和— N 不

稳定（原因 3），导致分子自身结构的改变，使 C、N 间形成双键（结果 3）。类似的因果解释在化学中是普遍存在的。

在化学结构理论的建立和发展过程中，最初通过对化学经验事实的总结，提出了原子价概念，建立了原子价理论。原子价表现为原子结合成分子的原因。发现电子和建立原子核外电子结构模型以后，又把形成价键的原因归结为电子的转移或电子对。量子化学建立后，又进一步把成键的原因归结为电子在原子核之间出现的几率大。从结果去追溯原因，从一种原因追溯到更深的原因，原来的原因就转化成了结果。

第三，研究原因和结果的交互作用。恩格斯曾经指出，“交互作用是我们从现代自然科学的观点考察整个运动着的物质时首先遇到的东西”，“只有从这个普遍的交互作用出发，我们才能达到现实的因果关系。为了了解单个的现象，我们就必须把它们从普遍的联系中抽取出来，孤立地考察它们， 而且在这里不断交替着的运动就显示出来了，一个为原因，另一个为效果”。

①人们为了了解现象之间的联系，从交互作用中抽出因果联系加以考察是必要

的，但是不应忘记，这种因果联系毕竟是处于交互作用之中的，因此在具体的因果解释中，应当注意原因和结果的交互作用。在许多情况下，如果不注意这种交互作用，问题就解释不清楚。

例如，在 Sn2 亲核取代反应中

Y^-＋R—X Y—R＋X^{-研究表明，R 为给电子基时，其反应速度要比 R 为H 时的反应速度小，而 R 为吸电子基时，其反应速度要比 R 为 H 时的反应速}度大。但是，研究中发现，在 R——CH2Br＋Br^-（放射性 Br^-离子）→R

— CH2Br*-+Br^-的反应中，无论 R 是吸电子基还是给电子基，其反应速度都要比 R 为 H 时的反应速度大。有人提出了如下解释：在反应中，Y^{-向化合物进攻，引起 X 脱离而生成 X-，X-脱离又促进了 Y-的进攻，也就是促进了Y 与化合物的结合。这就是说，Y-的进攻（原因）引起 X-的脱离（结果）， 而 X-脱离（结果）又对 Y-的进攻（原因）发生了反作用，从而加快了反应速度。Y-的进攻和 X-的脱离互为因果，表示如下：}

Y^{-的进攻 X-的脱离}

① 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984 年版，第 96 页。

还可以用下面的图示表示：

在酶催化反应中，因果的交互作用也表现得很明显。在酶催化中，酶分子的构象与底物的构象，有时在反应前并不完全吻合，当二者发生相互作用时，底物分子对酶分子发生诱导作用，使二者的构象相吻合，酶分子又对底物分子的反应发生催化作用。在这里也发生了原因和结果的交互作用。

原因和结果是一对重要的哲学范畴，反映着客观事物之间的规律性联系。因果联系及其交互作用，具有重要的认识论和方法论意义，它为我们提出了认识因果联系，进行因果解释的重要途径和方法。当研究某个问题而尚不知其原因的时候，这是对该问题的认识很不深刻的时候，为了探索原因， 使认识不断深入，经过初步研究可以提出可能的原因，也就是从结果去追溯原因，这时，提出的可能的原因具有假设的性质，对认识起着指导作用，应当设法用这种可能的原因试探着解释现象。有时，一时弄不清原因，也可以暂时撇开原因，或者说不问原因，仅从现实出发，从已知的经验事实出发， 总结具体的规律性，这样也有利于开阔思路和研究工作的进行。这种研究， 就其实质而言，是暂时撇开了“为什么”的问题，把研究的着眼点放在“如何”和“怎样”上。经过认识“如何”和“怎样”，逐步接近以致达到认识“为什么”。在化学中，如同在一般认识中一样，仅仅提出因果的交互作用是不够的，甚至是空洞的，重要的是在承认因果的交互作用的前提下，设法找出中介，即中间环节。

在化学中，常常从物质的性质和反应去认识物质的结构，这表现为从结果去认识原因；在认识了结构，特别是获得了关于结构的规律性认识以后， 不仅能够解释物质的性质和反应，而且能够提供预见，这又表现为从原因去解释结果，预见可能产生的结果。在这里，关于结构的规律性认识或者说结构规律，起着中介的作用。化学中的具体规律，无论是组成规律、结构规律还是反应规律，其内容都是关于“如何”和“怎样”的说明。这就是说，当人们从结果去追溯原因暂时得不到什么肯定认识时，可以先就具体问题揭示有关的规律，基于规律性认识进而可以提供解释和预见，这时，这种规律性认识就表现为对原因和结果之间联系的认识的中间环节。规律性认识本身， 即对化学中的规律的认识，也是发展的，化学中的规律有经验性规律和理论性规律，从经验性规律到理论性规律，标志着对规律认识的深化和发展。