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移除书签第四节 美国化学优势地位的确立
主要通过美国化学会的作用，化学开始在美国走向正规化和专业化，但还没有完全达到欧洲化学在 19 世纪中叶后陆续形成的化学职业化程度。主要是因为纯化学研究还没有完全扎根于其中，美国化学会对化学教育的倡议和普及，将美国化学向职业化方向推了一步，而当哈佛大学的理查兹
（T.W.Ri-chards， 1868—1928）在 20 世纪初建立起能部分接受欧洲化学学生的实验室时，美国化学发展已接触到成熟的边缘。德国化学的作用则着重体现在它使美国化学由从前重实用的倾向发展到理论研究相结合的应用化学上。这是美国化学工业率先超过欧洲化学的一个重要原因。
上述因素构成了美国化学的成熟时期。它使美国化学拥有了终于能同欧洲化学相抗衡的结构。这就是化学理论研究和应用化学的结合。
一、自力更生的化学教育体系
美国化学教育的新篇章始于 1876 年在纽约成立的美国化学会。进入 20 世纪后，这一化学组织已不仅在美国各州拥有分会，而且还顺应化学科学的分化和综合趋势，相应设置了各种专业分会。它的职能和化学会的职能相似。此外，美国化学会，各州分会和各专业分会还不断增加各种表彰项目，积极向社会推广各种化学成果，逐步形成了健全的机构和规章。
从一开始，美国化学会的宗旨就是“提高化学的地位并促进化学的研究”。①这一宗旨使得化学教育目标将是双方面的，既要推行基础理论教育， 又要注重学生化学技能的提高。在这一目标的推动下，美国化学会在 1924 年专门设置了“化学教育分会”，并于同年创办教育分会刊物《化学教育杂志》（Journal of Chemical Education）。这份杂志直接把美国的纯化学、应用化学和化学教育的研究联结在一起，主要目标就是广泛普及化学知识， 加强中学和大学之间化学教育的联系。同时，它也表明，美国化学教育正开始摆脱单纯依赖欧洲教育，而着重自己培养化学人才的特点。
此外，化学史研究也是美国化学教育新篇章的主要内容，并使其产生变革的重要因素。1926 年，化学会筹建了“化学史部”（the Section of the History of Chemistry）。由于成绩卓著和影响日益增大，而在同年下半年就将其扩建为“化学史分会”，从而使美国的化学教育能够更密切地同化学史联系起来。
实际上，化学史一直是美国化学教育的重要组成部分和教学的重要辅助手段。但在 20 世纪前，美国化学家讲授和讨论化学史时具有两个弱点：一是化学史内容多半为欧洲化学史；二是讲授化学史只为了教学需要，而不是研究化学史。例如，1795 年哈佛大学的戴克斯特（A.Dexter，1750—1829）开设的题为《化学兴盛的历史》讲座，主要是介绍部分欧洲化学家的生平。以后是在 1895——1896 年期间哈佛大学开设的“化学史和化学哲学”②课程，
以及 1796 年史密斯（T.P.Smith，1776—1802）首次系统介绍《化学革命综
述》等也大体如此。只是在 1874 年，由美国部分化学家在已故著名化学家普
利斯特列故居举行的“普利斯特列发现氧气 100 周年纪念会”上，耶鲁大学的小史立曼（B.Silliman，Jr，1816—1885）才做了题为《美国对化学的贡
① C.L.Parsons，J.Chem.Educ.48—4，Part Ⅱ，P.40（1926） 。
② S.R.Powers，J.Chem.Educ.48—4，Part Ⅱ， p.244（1926） 。
献》的讲演，首次探讨了美国化学的历史。直到 20 世纪以后，1914 年，宾夕伐尼亚大学的史密斯（E.F.Smith，1854—1928）才在自己的《美国化学》一书中对美国化学史进行了较完整的说明。
美国化学教育的普及基础，还是和 20 世纪初期那些留学德国的学生有关的。
- 世纪末期，留学德国的美国学生陆续返美，不少人都在美国各高校中
担任了学科带头人。到 20 世纪初，美国化学带头人主要是三位留德归美的化学家：约翰·霍普金斯大学的雷蒙森教授（I.Remsen，1846—1927），哥伦比亚大学的钱德勒教授（C.F.Chandler，1836—1927）和宾夕伐尼亚大学的史密斯教授。这三位美国化学家的实践活动可以说奠定了美国化学成熟时期的基石。有趣的是，他们都是德国化学家维勒的学生①，并都在注意学术活动和化学教育的结合。
雷蒙森在 1867 年赴德国戈廷根大学，在维勒的化学实验室学习，5 年后学成归国。他十分推崇德国大学的化学实验教育。为此，雷蒙森辗转到了新建的约翰·霍普金斯大学后，开始了广泛的化学实验教育。他将德国化学的长处运用到美国，首次开设了针对研究生教育的高等有机化学课程，重视化学的基础理论研究，对美国有机化学做出了显著贡献。他培养的学生后来大都成为美国有机化学权威。此外，雷蒙森还积极传播化学科学专业化的思想， 1879 年，他创办了专业性极强的《美国化学杂志》，亲任编辑近 30 年（1879
—1913），也是美国化学会 1902 年度会长。可以这样说，正如史立曼在 19
世纪中叶为美国科学创造了“史立曼时期”一样，雷蒙森也同样在 20 世纪初为美国化学，特别是有机化学，开创了一个“雷蒙森化学时期”。
曾担任过美国化学会 1881 年度和 1889 年度两任会长的钱德勒，是美国化学会的创立者和组织者之一（美国化学会首届副会长）。他的化学生涯早期是在哈佛的劳伦斯科学学校度过的，主要进行过应用化学方面的研究。1855 年，钱德勒到德国戈廷根大学跟随化学家维勒学习，次年获博士学位。回到美国后，主要从事工业化学方面的研究，同时非常积极和热心于美国化学会的筹建和发展。在美国化学初期发展的历次重要事件中，他都是活跃的参加者，从而在当时的美国化学界享有很高威望。和雷蒙森相似，他较早地致力于创办化学专业性刊物，以促进美国化学家的研究。他在 1870 年创办了《美国化学家》（1870—1877）杂志。
史密斯的化学声誉与其说是由于他对纯化学的研究，还不如说是因为他杰出的化学史研究，尤其是对美国化学史的研究。担任过三届美国化学会会长（1895 年度，1921 年度和 1922 年度）的史密斯，1876 年赴德国化学家维勒的实验室学习，获博士学位返美后，主要在东部的宾夕伐尼亚大学讲授化学。他的化学研究工作主要有，运用电解法和化学方法较精确地测定了 18 种元素的原子量，并对复杂的无机酸也进行过研究。在化学史方面，史密斯主要是采用化学家传记的形式写作化学史。他在 1914 年出版的《美国化学》是关于美国化学史研究的经典著作。由于他不懈的努力，在他去世前，美国化学会又组建了“化学史分会”。
化学教育被提到美国化学会的议事日程，也是和史密斯的积极倡导分不开的。1921 年，他任化学会会长时，倡议召开一次专门的化学教育会议，并
① A.J.Inde：The Development of Modern Chemistry，N.Y.P.2，P. 264（1964）。
在其后召开的这次会议上做了题为《关于化学教育部的工作和目标》的讲演， 指出，化学教育和其它专业化学一样重要。1924 年，他把“化学教育部”扩编为“化学教育分会”。从此，化学教育在美国化学中占有了相当重要的地位。
以上三位杰出的美国化学家的化学实践和影响，标志着美国主要依靠留学欧洲培养化学学者的时代的结束。20 世纪初期，部分美国高校和工业公司开始接受一些美国自己培养出的化学博士。
二、里查兹在基础研究领域的突破
留德学生回美后开创美国化学新局面的情况表明，美国化学不仅在走向进一步成熟，而且在某些方面还可以和欧洲化学相并列。其中最值得注意的是哈佛大学化学家里查兹（T.W.Richards，1868—1928）对美国化学产生的根本性影响。
里查兹的化学生涯始于美国物理化学研究先驱者科克的教育。他最先开始了对氧原子量的准确测定。获博士学位后，里查兹把测定元素原子量选为自己的主要研究领域，其次是物理化学方面的电化学和溶液理论。在测定元素铝的原子量过程中，里查兹以准确的实验事实证明了英国化学家索第
（F.Soddy，1877—1956）提出的“同位素”学说。1913 年，里查兹的实验表明，放射性元素铀的最终衰变元素铅与天然铅相比，物理性质不同（原子量有细微差别）而化学性质相同。到 1913 年，里查兹一共精确测定了 60 多
种元素的原子量。为此，他荣获了 1914 年国际诺贝尔化学奖，成为第一个获
得国际声誉的美国化学家。他的测量工作还从化学实验的角度揭示出 19 世纪初期出现的普劳特氢原子构成元素假说的某种合理性。里查兹笃信化学实验的精确性，强调化学经验的可靠性。①这是当时美国化学经验思维的典型体现。
纵观化学史，在原子量测定领域中，里查兹是继 19 世纪上半叶的瑞典化
学家贝采里乌斯和 19 世纪下半叶比利时化学家斯塔思（J·S·Stas，1813
—1891）之后的第三位巨人，成了 20 世纪初期原子量研究的权威。正是在这一领域，美国化学和欧洲化学达到了并列地位，且首次出现了美国化学和欧洲化学地位逆转的现象。这种现象是美国化学成熟时期的有效指示剂。从此， 美国化学在各方面和发达的欧洲化学平行发展基础上，进一步迈向领先的地位。
三、战争契机的利用
- 世纪中的两次世界大战，非但没有使美国化学在成熟期和随后的领先时期中受到损害，相反，它们却仿佛是美国化学全面超越欧洲化学的社会因素。
必须承认，影响科学发展的社会因素是多方面的，然而对美国化学而言， 本世纪的两次世界大战对其发展有着不同于欧洲化学的特别意义，起着至关重要的作用。
由于美国远离欧洲大陆，且受到太平洋和大西洋这两道天然屏障的保护，而使美国化学在两次世界大战中能够幸免于难。不仅如此，而且其工业实力却因受到战争的刺激而日益加强。美国是在第一次世界大战接近尾声才参战的，战后又是战胜国，这种形势对美国化学尤其有利。当“一战”进入
① J.W.Servos：“G.N.Lewis：The Disciplinary Setting”，J.Chem.Educ.61.p.7（1984）。
化学战的阶段时，交战国双方在原材料方面都感到缺乏，从而在战争的后期生产化学毒气的原料已几乎完全来自美国，直接刺激和推动着美国应用化学的进一步成熟。而且，在生产和制造毒气的过程中，美国化学又在无形中将理论转化为实践的周期缩短了，并且还激发和孕育了美国化学家集体协作研究的模式。①
“一战”结束后，欧洲经济受到严重损伤，而美国却借助“一战之势”， 不仅在较短时期内实现了国家的工业化②，而且，起码在应用化学领域走在了欧洲同行之前。1939 年，欧洲再度爆发第二次世界大战，此时，美国化学以其关于化学键理论和有机化学的研究成就，在纯化学领域也和欧洲化学不相上下。“二战”对美国来说，除了刺激经济的超速发展，在科学上的收益莫过于它几乎完全将德国科学界精英和部分先进的德国科学设备带回美国。这些科学家中包括相当一批优秀的化学家。他们和那些因受法西斯种族政策迫害而不得不移居美国的他国化学家一道，联合美国本土的化学家，无疑形成了世界上最优秀和庞大的化学家共同体。当美国以其雄厚的工业基础和经济势力在太平洋彻底击溃日本海军，又在欧洲战场率领盟军成功开辟出战胜德国的第二战场后，美国已明显跃升为一个军事大国。美国化学也随着这种国家领先局势的形成，在化学的各个研究领域陆续走在世界前列。
总之，战争和其它社会因素对经历成熟期后的美国化学的影响，是积极和有利的。这种作用起码使得美国化学在应用研究方面超越了欧洲化学。
四、路易斯学派的进一步推动
在美国化学内部，20 世纪 20 年代由伯克利加州大学化学家路易斯
（G.N.Lewis，1875—1946）提出的共价键基础理论，不仅巧妙运用了 20 世
纪初期物理学的伟大成就，而且可以说推出了一部美国化学在 50 年代左右跃居世界化学领先地位的研究纲领。路易斯对美国化学的影响深远，是美国化学成为世界化学中心的起点。当代美国化学在价键理论、有机合成和生物化学方面的卓越突破，则是美国化学作为化学带头人的主要表现。当关于有机物质合成机理的分子轨道对称守恒原理在 1965 年由美国化学家提出来时，化学在全球的形势已充分说明，美国化学无可争辩地成了当代化学的中心。
作为里查兹的化学博士研究生，路易斯似乎和他的导师里查兹有些大相径庭，在博士论文的选题上，路易斯选了和经验思维有一定差距的化学热力学方向（以理论化著称的法国化学历来在这方面取得成就）。从哈佛大学毕业后，路易斯又东渡大西洋向德国著名物理化学家奥斯特瓦尔德和能斯特
（H.W.Nernst，1864—1941）学习了一年。回美后并最终任教于西部的伯克利加州大学。正是在伯克利期间，路易斯对美国化学的影响有了系统化的内容。
首先，路易斯对化学热力学中的化学物质的自由能研究，倾注了大部分精力。在提出扩大质量作用定律应用范围的“逸度”（fugacity）和“活度”
（activity）概念之后，路易斯还与其他化学家写成了关于化学热力学研究的美国经典著作。
其次，路易斯成功地运用了电子这一 20 世纪初影响最大的科学发现，提出了扩大物质结构研究的共享电子对学说和广义酸碱理论。这一成就彻底动
① ACS Symposium Series 228.Chemistry and Modern Society，Washington，D.C.P.165（1983）。
② R.A.Solo：The Postive State，South-West Publishing Co.Ohio.pp.42—43（1982）。
摇了德国化学对美国化学的支配地位。因为共享电子对学说经朗格缪尔
（I·Langmuir，1887—1957）的扩大和宣传后，成了关于化学物质结构的共价键理论。这使得在当时主要沿袭凯库勒苯环结构学说的德国有机化学露出了破绽：德国有机化学对有机反应活性及其反应机理的相关性显得力不从心。对比之下，共价键理论却似乎能给部分美国有机化学家和多数欧洲同行带来启迪；它消除了欧洲化学界长期以来对亲合力给予的比喻化意义；它认为化学反应的进行是电子的共享或转移，不是力和重量的表现形式。①路易斯
-朗格缪尔共价键理论成为继里查兹原子量测定成就之后，又一项超越欧洲纯化学的美国成就。
第三，路易斯本人就十分注重对化学研究方法的选择。在他看来，对化学理论的探讨是认识和把握化学发展动向的一种简单可行的方法。很明显， 路易斯这种方法论很适于美国纯化学的研究与发展。
路易斯的化学成就和他的化学观，渗透到了美国纯化学研究的各个领域。他培养化学家的有效方法和他对化学的热心传播，为美国化学界输送了不少杰出人才。伯克利加州大学化学系人才辈出，若从诺贝尔化学奖获得者的分布看，这个化学系堪称美国化学的“卡文迪什实验室”——诺贝尔化学奖得主的主要基地，而联系路易斯与其学生们的各种关系，又可以说路易斯创立了美国化学史上第一个化学研究学派。
主要由于路易斯及其诸多学生的努力，美国化学在纯化学研究方面出现了质的变化，更多的欧洲学生留学美国，呈现出化学人才集中在美国的“逆转”现象，说明化学中心已开始漂向美国。
五、美国化学的领先发展
前面已简要讨论了美国化学领先性的应用化学和纯化学表现。而实际上，也只有应用和纯领域双方面发达和领先，才能说具备化学中心（尤其在当代）的前提。20 世纪初期以后的化学发展总趋势是既高度专业化又高度综合，而美国化学在当代聚众家之长的基础上，逐步发展为世界化学中心的过程中，在高度专业化和综合方面，有比其他欧洲国家更明显的表现和做出的更为重要的成就。我们简要抽取物理有机化学、生物化学、价键理论和有机合成及机理方面的主要内容来说明。
物理有机化学是一门物理化学和有机化学相结合的交叉学科，至 1940 年，美国化学家哈蒙特（L.Hammett，1894—1987）正式出版《物理有机化学》一书时才全面地得到承认。它的成长实际是通过美国化学家与英国化学家之间的激烈竞争而获得的。对物理有机化学的初始研究开始于对有机化学反应机理和反应活性的探讨。本世纪 20 年代，主要因为美国物理化学和有机化学界没有认真重视以电子为基础的路易斯—朗格谬尔理论，美国在这新的学科领域明显落后于本来有机化学基础就雄厚的英国，而且英国化学家们则逐步在接受和应用美国人的共享电子对理论。①从 30 年代开始，美国哥伦比亚大学的哈蒙特在成立了一个专门的研究小组后，在有机化学反应动力学方面开始有所建树，与此同时，芝加哥大学一批化学家陆续又在有机化学亲电加成反应的游离基机制方面，取得了突出成就，但总体仍表现出一种分散状态，
① D.Knight：A Companion to the Physical Sciences，Routledgep.8（1989）。
① B.E.Kohler：The Lewis-Langmuir Theory of Valence andthe Chemical Community，1920—1928， Hist.stud.Phys.Sci.（1075），6，pp，451—455。
而此时的英国，仍然有着十分利于这门新学科继续发展的气候，英国化学家当时普遍地有一种将物理化学和有机化学结合起来研究的兴趣。
进入 40 年代后，这种英美竞争明朗化的局面开始发生变化，首先是从事这门学科内容研究的化学家在美国数量递增，论文发表数量也超过英国同行；其次是美国人率先对研究成果进行了系统总结，如哈蒙特正式提出“物理有机化学”的名词。而在英国，尽管研究兴趣浓厚，却似乎没有明确“物理有机化学”的整体性；此外，研究人员的过份集中，间接抑制了对这门学科的交流。从 50 年代起，可以说，美国物理有机化学就不仅超过了英国同行， 而且还向欧洲化学“输出”结果①。
化学和生物学的渗透，是美国化学在交叉科学上的又一表现例证。1953 年，美国化学家沃森（J·D· Watson，1928—）和英国结晶学家克里克
（F·H·C·Crick，1916—）提出 DNA 分子双螺旋结构，同年，又提出 DNA 分子结构的遗传含意，开创了分子生物学。1959 年，美国生化学家泰勒
（J·H·Tay-lor，1916—）用氘标记碱基追踪 DNA 的复制，初步解决了基因自我复制的分子基础问题。②DNA 分子双螺旋结构的发现，进一步引发了生物工程方面的成就。1954 年，美国的伽莫夫（G·Gamov，1904—1968）提出遗传密码的设想。1961 年，美国生化学家尼伦贝格（M.W.Nirenberg，1927—）， 对遗传密码给予了确切解答。而对生命起源的探索，是美国化学在生物学领域的一项划时代任务。1953 年，美国人米勒（S.L.Miller，1930—）成功地进行了模拟原始大气的火花放电实验，获得了生命赖以需要的多种氨基酸。1958 年，美国人福克斯（S.W.Fox，1912—）将甘氨酸溶解于加热熔化了的焦谷氨酸液体中，加热到 170℃，获得谷氨酸甘氨聚合物，形成了关于生命起源研究的陆相起源派。
从物质结构理论发展到高度理论化的量子化学，是美国化学高度专业化发展的表现。
在路易斯—朗格缪尔共享电子对学说的基础上，美国化学家继续在共价键理论上纵深发展。美国化学家鲍林（L.Paul-ing，1901—）在本世纪 30 年代相继提出氢键理论和杂化轨道理论，极大补充和发展了原有的共价键理论，成为现代化学键理论的重要分支；随后，鲍林又将共价键理论应用到有机化学的研究中，提出了关于有机化合物结构和反应的“共振论”，系统地对经验型的有机化学提供了理论框架，使有机化学中特别是关于芳香族化合物的研究，由定性上升到了直观定性分析和半定量研究的水平。鲍林因对分子间作用力的创造性研究获得了 1954 年的诺贝尔化学奖。
在对有机化学反应的理论研究上，美国化学走得更远。1965 年，美国有机化学家伍德瓦德（R.B.Woodward，1917—1979）和美国量子化学家霍夫曼
（R.Hoffmann，1937—）合作，提出了关于有机化学结构分析和合成方面的“分子轨道对称守恒”原理。轨道对称性守恒原理是有其实验依据和理论基础的，其实验依据是有机化学工作者长期积累的有机反应的经验规律，其理论基础是量子化学工作者多年来对分子轨道理论的新发展。①
① L.Gortler：The Physical Organic Community in the UnitedStates，1925—50，J.Chem.Educ. 62，pp.756—757
（1985）。
② 中国科学院自然科学史所编：《20 世纪科学技术简史》，科学出版社，1985 年版，第 171 页。
① 高正衡编：《物理有机化学》，（下册），高等教育出版社，1983 年版，第 49 页。
值得提出的是，伍德瓦德实际上从本世纪 30 年代起，就开始把理论和实验技术紧密结合起来，利用紫外和红外吸收光谱来分析有机分子的结构，并以此为指导合成了一系列天然有机化合物，使有机合成从 19 世纪的依靠经验和筛选的传统中解脱出来。1944 年，伍德瓦德就合成了结构很复杂的奎宁碱，1962 年他又合成了叶绿素，而合成维生素 B12 是他与霍夫曼提出轨道对称守恒原理的一个重要实验依据。伍德瓦德在伍德瓦德-霍夫曼规则的建立过程中，表现出了他非凡的实验合成有机物的技巧和理论思维。
出生于波兰一个犹太人家庭的霍夫曼，生活经历曲折。1946 年，他侥幸逃出纳粹占领下的波兰，前往捷克斯洛伐克，后辗转经过奥地利、德国，最终到了美国，1955 年加入美国籍。1960 年在哈佛大学获物理学硕士学位。1962年又在该校获化学物理博士学位。霍夫曼的主要研究兴趣是：稳定分子和不稳定分子的电子结构，化学反应状态的改变，将各种计算方法、半经验和非经验方法用于对中等有机和无机分子的结构与活性问题的研究等。在与伍德瓦德的合作中，霍夫曼应用了简单而有效的对称和成键的观点来分析具体的反应，具有很强的预见性，极大地增强了实验结果的可靠性。
1965 年，伍德瓦德和霍夫曼主要通过对共扼多烯的电环化以及环加成反应的研究，提出了关于协同反应的立体化学选择的简明规则，称为“伍德瓦德-霍夫曼规则”。①1969 年，他们在专著《轨道对称性守恒》中，用“轨道对称守恒原理”来概括他们在 1965 年开始提出的理论。
分子轨道对称守恒原理的诞生标志着美国化学（现代化学）开始从研究分子的静态跨入了研究分子的动态。
因提出分子轨道对称守恒原理，霍夫曼荣获 1981 年的诺贝尔化学奖，无
疑是美国化学全面成为化学大国和中心的重要标记，而且也是近 30 年来化学理论的最大成就之一。因为美国本来因对理论研究而获诺贝尔化学奖的情况就属少数，故这一原理更具有时代价值。
当代美国化学仍处于领先和繁荣阶段，其化学中心地位，到目前为止， 还没有受到来自其他国家的严重挑战。概括起来，美国化学的发展有一些最基本的特点：注重向欧洲化学学习，并选择其中的优质成分；注重化学的社会经济效益，有牢固的实用化学基础和发达的应用化学工业；注重化学知识的宣传和普及，并重视化学教育的建设；化学组织既独立，又和政府保持联系，起到了一种很好的科学参谋作用；由于雄厚的经济实力而大面积地培养了化学专业人才，并成为世界各国优秀化学家的聚居地；应用化学和纯化学研究同时并举，并不偏废任何一方，尤其在当代，有极其发达的基础理论研究；以及发人深省的牢固的化学家凝聚力传统，无论什么时期，美国化学家似乎以推动美国化学的发展为己任，少有化学人才外流现象。
① 《化学思想史》编写组：《化学思想史》，湖南教育出版社，1986 年版，第 348 页。
