第四节 化学过程的认识方法

人们在研究化学过程时，需要克服来自各方面的重重困难，其中最主要的是认识的同步性问题。由于化学过程是运动系统，而研究者处于相对静止状态，如果二者不处于同步发展的体系中，研究者则无法获得对化学过程的真实认识。怎样将二者加以统一呢？为此，人们曾采用了各种方法。

一、通过静态认识过程的方法

为了使研究对象与研究者在认识上取得同步发展，人们往往在运动过程中截取适当的相对静止状态，然后通过研究这些状态之间的联系，揭示运动过程的规律性。因为，静态是运动过程中的特写，能够将运动过程的特性以相对稳定的形式突出地表现出来，而且静态可以与研究者保持同步关系。所以，恩格斯认为：“必须先研究事物，而后才能研究过程。必须先知道一个事物是什么，而后才能觉察这个事物所发生的变化。自然科学中的情形正是这样。”①运动的相对静止状态就是事物的稳定存在形式。人们对化学过程的研究就是从对静态的研究开始的。

化学过程的静态有初始态、过渡态、终止态和化学平衡状态等。人们从不同侧面研究这些静态，就可在不同层次上取得对化学过程的认识。

例如在经典理论时期，盖斯通过研究化学反应前后热量的变化，揭示了化学过程中的能量守恒和转化规律，并且为后人从起止状态的状态函数出发来判断化学过程发生的可能性提供了理论依据。古德贝格和瓦格从化学平衡状态出发，根据反应速率不变这一因素，建立了质量作用定律，从而为说明完成化学过程的现实性打下了基础。在现代理论时期，艾林等人提出了过渡态的假设，由此得到了过渡态理论，从而使人们在研究微观反应机理时有了理论基础。伍德瓦德和霍夫曼将起止状态的分子轨道按照对称性匹配原理加以联结，揭示了协同反应机理，弥补了以往人们对基元反应机理的认识不足。人们还通过检出中间物和产物分子的存在与否，来确定反应机理。

例如在下列反应 RCONH +NaOBr→RNH ① 的过程中，由于离析出中间物RCONHBr，而证明了该化学过程曾经过这一中间步骤。又如在索木来特反应

的过程中，由于没有检出预测的产物甲胺，从而说明上述预言的化学过程有错误。

以上事例大致反映了人们通过静态认识化学过程的具体方法。这可以归纳为：根据静态中的变化因素，能够认识过程的转化趋势；根据静态中的不变因素，能够认识过程的发展途径；通过确认静态结构，可以反证所预言的过程。

由于过程是系统随时间所发生的差异与同一的联系和转化。在过程中， 差异说明了转化，同一意味着联系。因此，认识差异可以推断转化，发现同一可以揭示联系。这就是通过静态认识过程的各种方法的认识论依据。

① 《马克思恩格斯选集》第 4 卷，人民出版社，1972 年版，第 240 页。

① 俞凌翀：《基础理论有机化学》，人民教育出版社，1981 年版，第 142 页。

从静态认识过程在方法论上还有一个突出的特点，就是可以通过图形来加以表达。例如按照单分子反应理论，衰变过程要经过一个过渡态，整个反应历程可以写成：

A+BC→（AB C）*⋯⋯（ABC）≠→产物

其中，（ABC）*是碰撞络合物，当它具有足够能量后可以达到过渡态（ABC）

≠，而且达到过渡态的速率要比（ABC）≠变为产物的速率快得多。这一反应

过程的能量关系如图 10—9①所示。络合物位于势阱之中，它所具有的总能量为 E*，过渡态在反应路径的出口能垒上，具有可利用的能量 E≠。从图中能量的变化，可以看到反应的径迹。从另一个角度来讲，能量图是以相对静止的形式凝结了化学过程的信息，把立体过程平面化。这种简化方法为认识运动和掌握过程提供了很大方便。

通过静态认识过程，是一种把研究对象转化为适应研究者的方法。对过程的认识还可以从改变研究者的角度出发，使研究者置身于过程之中，从过程中认识过程。

二、通过动态认识过程的方法

正如高级运动形式不能简单地还原为低级运动形式那样。物质的运动过程也不能简单地还原为静止状态的迭加。例如研究催化反应过程，如果把脱离反应过程的催化剂性质与脱离催化剂的反应过程性质加以综合，那么将会得到与催化反应的真实过程毫不相干的结论。因为物质处于静态时所受到的各种因素的影响要远远小于它在运动过程中所受到的各种因素的牵制。所以，运动过程与静止状态的性质具有差别。虽然人们可以通过静态去认识过程，然而这只能是一种有限的趋近，并不能反映过程的全部真实情况。因而， 只要认识条件允许，人们就应努力从通过静态认识过程上升到通过动态认识过程。

人们通过分子运动认识化学过程的理想化方法就是利用实验手段追踪化学反应。相当于运动着的研究者同步认识化学过程。例如目前人们综合利用交叉分子束技术和激光技术已经可以认识时间间隔为 10-12 秒的微观化学过程。①这无疑是一种最乐观的认识方法。然而，这种方法也具有局限性。因为激光技术受“测不准原理”的限制，时间间隔越短，测量精度越差。所以， 事实上有许多化学过程还不能利用这种方法加以认识。因此，还需要有新的认识方法。

在系统工程方法论中有所谓黑箱方法或灰箱方法，即在完全不了解或不完全了解系统性质的情况下，可以建立功能相似的模型模拟系统功能，通过

① 俞书勤：《微观化学反应》，安徽科学技术出版社，1985 年版，第 33 页。

① 邓丛豪：《现代化学的前沿和问题》，山东大学出版社，1986 年版，第 86—87 页。

研究模型的结构和性质，达到揭示系统的结构和性质的目的。

同样道理，如果把复杂的化学过程当作打不开的“黑箱”，建立功能相似的模型，那么，通过研究模型，就可以揭示化学过程。这是认识化学过程的“黑箱方法”。这种方法目前已经被人们所应用，例如 70 年代国际上对固氮酶的研究出现的高潮就是如此。我国在这一领域已处于领先地位，特别是1978 年我国科学家提出了孪合双网兜型的原子簇结构②和骈联双座活口双立方烷型原子簇结构③模型也是运用了这一方法。这些模型具有与天然固氮酶铁钼辅基相似的催化活性和选择性，可以模拟固氮酶铁钼辅基的化学过程。化学家通过对这些模型的研究，提出了固氮酶中腺苷三磷酸（ATP）驱动的电子传递机理。①由此可见，在化学中运用“黑箱方法”研究化学过程具有重要的意义，尤其是研究催化化学过程。

另外，1970 年福井谦一（Fukui）提出内禀反应坐标法②，把化学反应放在黎曼空间的超曲面上来处理，一旦得到过渡态的结构，不需整个势能面，就可以得到一系列反应动力学信息。这种方法关键在于利用了黎曼空间，而黎曼空间不同于欧氏空间，它可以通过曲面的不同曲率表示出变化。应用变化的空间来计算化学变化，在方法上达到了从动态认识过程的目的。这种方法正在被更多的化学家所接受。1972 年，法国拓朴学家托姆（R·Thom）提出用曲面的奇点理论来解释突变现象的突变理论。③根据该理论可以用七种基本的突变模型来描述形形色色的突变现象。内禀坐标法可以说为使用突变理论研究化学过程提供了可行性范例。因此，从通过动态研究过程的方法论角度来看，使用突变理论也许可以成为研究化学过程的一个重要的研究方法。总之，尽管通过动态认识过程的方法在实际应用中还有许多问题有待解

决，但这毕竟是一种现实性的可能，必将为人类对化学过程的认识深化开辟道路。

“工欲善，必先利其器”。研究复杂的化学过程必然需要各种各样的认识方法。因此，在今后的化学发展中，研究认识化学过程的方法与研究化学过程本身的工作不仅具有同样重要的意义，而且还具有相互促进、相互制约的统一关系。

② 《化学通报》，1979 年，第 5 期，第 33 页。

③ 《厦门大学学报》（自然科学版），1979 年，第 2 期，第 30 页。

① 邓丛豪：《现代化学的前沿和问题》，山东大学出版社，1986 年版，第 76 页。

② 同上，第 71 页。

③ 刘元亮：《科学认识论与方法论》，清华大学出版社，1987 年版，第 293—294 页。