化学与哲学

德国化学家Kekule F A
• 苯结构的探索
• 应当看到，他之所以能够梦见苯环，并非偶然。 这是他在长期科学实践，潜以研究、艰苦思索 的基础上，认识上的质的飞跃。其特点是认识 上的直接和迅速，不受逻辑规律的约束，且往 往是对原有逻辑程序的简化、压缩乃至违反， 从而表现为是一种灵感或机遇，一种必然中的 偶然，一种以某种形象思维形式对未知世界进 行具有创造性探索工作。这就需要加倍地勤奋 努力，锲而不舍地追求，反复实践，从而创造 出灵感和机遇，取得成功。
• 同年，美国化学家LewisGN又提出 共价论进行了补充。他指出，分子 内原子也可以共享电子对结合，形 成稳定分子。至此，经典价键理论 的电子学说已经日臻成熟。但是其 弱点是把电子看成为静态，未能反 映出动态电子的化学键本质，因而 很难解释共价键具有方向性等问题。 这样，如何进一步深讨化学键的本 质，建立相应的化学理论，就成为 20世纪初期化学家面临的一个重要 任务。
• 它反映了化学家对分子结构的认识已经深入到电子二 象性的层次，并使价键理论的观念、研究方法发生了 深刻变化。它对化学键的认识和牛顿的引力、 KekuleFA的亲和力，KosselW的静电引力、LewisGN的 静态电子对的观念不同，是以电子概率波的重叠来揭 示其本质的，并对各种化学键做出了统一的解释，实 现了一次辩证综合。量子化学的诞生，开始把化学从 经验或半经验的科学阶段推进到理论性科学的发展阶 段，成为一门更为严谨的学科。同时也推进了科学思 维方法的发展。
• 化学演绎法
即从科学的一般性认识到化学的个别性认识的 一种推理形式或思维方法。既然量子力学是描 述微观粒子的一般性运动规律的理论，当然也 就可以用来描述化学中分子内微观粒子（核与 电子）的特殊性运动规律。从而在化学史上第 一次用量子力学理论阐明了两个氢原子构成氢 分子的化学键本质，显示了理论演绎的解释功 能，为认识分子结构开拓了道路。
矛盾：化学反应中体积的变化，怎 样理解化学反应？？
分子论
• 意大利化学家Avogadro
• 分子论的建立，阐明了原子和分子间的联系与 差别，认识到原子在化学反应中基本保持不变， 只是分子的拆开、破坏、变化，即化学反应的 实质主要是分子的“质”的变化。这样就使人 们在认识物质层次和化学反应的深度上有了新 的飞跃。同时也解决了长期以来在原子测定等 问题上出现的矛盾和混乱，推动了化学的迅速 发展。
• 此外，分子论的建立了表明，假说方法，即在已知一 定科学基础上超出经验领域的认识，对未知现象做出 的假定性说明，是人们从经验到理论发展过程中不可 缺少的重要思维形式和科学方法，应当给予足够重视。 正如恩格斯所说，只要自然科学在思维着，它的发展 形式就是假说。然后进一步的观察材料会使这些假说 纯化，取消一些，修正一些，直到最后纯粹地构定规 律。
• 化学分析与综合方法
即先把化学事物的整体分解为部分、单元或要素，暂 时割裂开来加以考察；然后再把化学分析的结果联结 起来，复原为整体认识的一种方法。量子化学在处理 分子中的多电子体系时就是这样，在描述一个电子时 暂时把其他电子“凝固”起来，并将它们按一定方式 “涂抹”成电子云，然后再把这一电子看成是在这种 电子的行为和核所形成的势场中运动，最后再通过叠 加过程，逐步把一个个电子的行为合成为一体。具体 方法是先求第一个电子的波函数，然后再求第二个电 子的波函数。可以看出，用量子化学方法处理分子的 过程体现了分析与综合的统一，化学分析方法与化学 综合方法的统一。
• 从哲学上看，它把古代哲学思辩的原子论思赋予了可 检验的具体属性内容，得到了科学实验的证明，从而 复活了2000年来长期遭受宗教势力压制的古希腊原子 论，促进了唯物主义哲学的发展。此外，它从原子量 上的差异找到了元素质的差异的根源，已经是不自觉 地运用了量质互变的辨证法规律。同时，化学原子论 作为一种物质观，不仅是化学上研究物质组成一种主 导理论，而且也为哲学研究提供一种新的认识论和方 法论，即把复杂的宏观现象归结为微观的简单要素的 认识方法。例如19世纪马克思主义资本主义社会商品 剖析所建立的政治经济学，人们就把它看作是一种社 会原子论的成果。还有，由于Dalton J运用了概念、 判断、推理的理论思维方法确认了当时尚不能观察到 的、不可见的原子的存在，即运用科学抽象的方法发 现了隐藏在现象背后的原子本质，从而促进了理论思 维方法的应用，充实了方法论的内容。
乙醚
二甲醚
• 他还指出，有机物的化学性质与化学结构存在 着一定的依赖关系，因此人们可以依据分子的 化学结构推测分子的化学性质。反之，也可以 依据分子的化学性质推测分子的化学结构，从 而肯定了化学结构的可知性和化学性质的可预 见性。这一学说的提出，阐明了化学现象与本 质、化学功能与结构、宏观表现与微观结构间 的内在联系，促进了化学理论与合成技术的发 展。
• 1774年英国化学家PriestleyJ用凸透镜把阳光聚在三仙 丹（氧化汞）上，发现有一种气体产生，能使燃烧变 旺，人的呼吸畅快，从而发现了具有重要理论和实际 价值的氧气。但是由于他长期受到燃素说思想的束缚， 使这个能发生化学革命的元素，在他手中非但没有引 起推翻燃素说的化学革命，反而为他所相信的燃素说 似乎找到了又一个论据。他认为氧气是由于能够脱除 物质中的燃素而助燃，从而把氧气命名为脱燃素空气。 结果就做了一件实践上和理论上的蠢事。 这就说明，在科学研究中不能只注重实验事实而忽视理论思 维。有时，理论思维要比一个具体更加重要。正如诺贝尔奖 获得者YukawaH所说，人们只在一个固定框架内思考问题， 就不会有创造力。这正是PriestleyJ所犯错误的根源。相 反，一切重大的创造都从打破这种固定框架开始，或是从改 变这种框架本身开始。推翻燃素说的氧化说正是这样建立起 来的。
一 、 化学组成 • 化学组成是反映物质内化学元素的质与 量的范畴，是人们认识化学结构和化学 反应的出发点。其基本理论主要是元素 说和原子分子论
元素说
• 元素说是人类认识物质组成过程中最早提出的 学说，是化学组成理论的基石，也是哲学探讨 的重要课题。
• 自然界复杂繁多的万物是否是由少数基本物质即元素 构成的，万物是否统一于少数几种元素？
元素是什么？
• 原子分子论：原子分子论是化学组成理论的又一
基石。它是历经了千百年由化学家和哲学家共同创立 的理论，现已成为化学和哲学研究的重要思想工具。
原子论 元素是以何种方式组成万物的，是连续的可分
的方式，还是间断的不可分的方式？这既是一个化学问题， 也一个哲学问题。
古代原子论：古希腊哲学家Leucippus和他的学生
恩格斯说：“Boyle R把化学确立为科学”。
法国化学家Lavosier A L
• 他在化学实验分析的基础上终于确定了Au, Ag, Cu, Fe, Sn, O, H, S, P, C等33种简单物质为化 学元素，并列出了化学上第一个元素系统分类 表。
•这些元素之间有无联系？
俄罗斯化学家Mendeleev
• 1927年，英国化学家HeitlerW和LondonFW二人完成 了这一任务。他们把量子力学引进化学，讨论了化学 中最简单的氢分子结构，即氢分子中核电子相互作用 的体系，初步揭示了化学键的本质―氢分子中两个氢 原子成键是由于电子密度分布集中在两个原子核之间 使体系能量降低所致。或者说，由于电子云的分布是 集中在原子核之间并发生了重叠而形成了化学键所致。 由此可计算得到的破坏氢分子化学键所需要的能量为 454.8kJ· mol-1，核间距为0.74Å，同实验数值相差无几。 这样就使得在运用量子力学解决化学分子结构问题上 取得成功，并创立了新的化学理论―量子化学。
不对称结构及手性分子
• 空间排列的差别可以有许多方面，但是最有趣 的是手对称性或手性 • 当一个碳原子连接了四个不同的化学基团时， 有两种可以排列的方式。
分子结构
• Б yт и epoв AM的有机物结构学就，只是论述了有机 物分子结构，尚未涉及所有分子的结构。此外，它也 未能说明分子中化学键的本质，这就需要建立更具有 普遍性的分子结构理论。 自1897年发现电子，特别是发现电子二象性建立量子力 学，揭示了原子结构以后，人们逐步对化学键的本质有 了比较深刻的认识。1916年德国化学家KosselW提出了电 价理论，认为分子内原子间由于发生电子转移形成了阴、 阳离子，并产生了静电引力而结合成分子。这一理论很 好地解释了离子型化合物的结构与性质，但无法说明氢 气、氧气等相同的元素原子间的结合力。
• 化学家把量子力学引入化学，成功地探讨了分子结构 并创立量子化学。从方法论的角度看，是运用了一系 列的科学思维方法。显然，量子化学正是借助物理学 科的量子力学理论与方法研究作为重要化学研究对象 的分子结构而形成和建立的，是化学移植法运用的结 果。其特点是能够为化学提供一个前所未有的认识化 学键的概率波、电子云的研究方法，深入地揭示了化 学运动的本质和规律，导致了新的边缘学科―量子化 学―的诞生，促进了化学发展。 运用这一移植法的客观依据是自然界物理运动和化学运 动形式之间的相互联系与统一。作为物理学研究对象的原 子结构和作为化学研究对象电子体系，尽管二者的复杂程 度有所不同，然而就其本质来说都是一种核-电子体系， 从而构成了量子力学移植于化学领域并取得成功的基础。 一般说来，研究较低级运动的学科理论与方法，都可以移 植于研究较高级运动形式的学科领域，以建立更精密、定 量化的理论。
Demokritos
• 近代原子论：英国化学家Dalton J
• 以氢原子的质量为标准，测定了不可见的、微小的原 子的相对质量，即原子量。
•由此他认为，元素是以原子微粒的方式构成的。化学反应的实 •不过是原子间的重新组合。
• 意义：
• 化学上看，它把元素和原子两个基本概念联系 在一起，使化学元素具有了同一类原子总称的 前所未有的明确概念。它合理地解释了当时几 乎所有的化学现象和经验定律，揭示了它们的 内在涵义。例如对于定比定律来说，由于不同 原子化合时所需要的原子数目一定，而各原子 又均有一定质量，所以化合物的组成也就不言 而喻地是有一定的质量比了。
• 现代化学元素思想的形成和化学元素的发现， 进一步证实了辩证唯物主义自然观的科学性。 它表明，自然界中居于分子层次以上的物体， 从宏观的天体到微观的分子，从有生命的动植 物到无生命的矿物都是由化学元素组成的。
•体现了辩证唯物主义的物质统一观。此外，人们认识了化学 •元素，还为化学知识的化繁为简，以及促进物质的加工 •转化创造了有利条件。
乙醇与二甲醚有相同的分子式，物理和化 学性质都不同？ • 二、化学结构
• 化学结构是反映物质分子内部和元素原子的秩序，即 原子的联结方式和顺序的范畴，是认识和掌握物质化 学性质和化学反应规律的基础。这里拟从哲学角度并 结合化学家认识化学结构的历史过程做一讨论。
• 1861年，俄国化学家Б yт и epoв A M综合了当时化 学家在原子价、碳四价说、碳链说等理论成果的基础 上，形成了有机物结构学说。他指出，分子的性质不 仅仅取决于其化学组成即原子的种类和数目，而且了 取决于其化学结构即原子的结合顺序，从而首次强调 了化学结构概念。
•“水生万物” 说 •“五行” 说
•“四元素” 说
英国化学家Boyle R：元素概念
• 他认为，元素并不是水、火、土等复杂物质或 现象，更不是亚里士多德所说的冷、热、干、 湿等性质，或柏拉图所强调的理念等非物质的 精神，而是那些原始的、简单的或是丝毫没有 混杂的物质，从而第一次提出了具有科学性质 的元素概念。
三、化学反应
• 化学反应是物质分子的组成或结构的变化。掌 握化学反应规律是化学研究的根本任务，是研 究化学组成和化学结构的最后归宿。这里仅从 哲学角度对化学反应中的燃烧反应和自组织反 应两个具有代表性的化学反应做一讨论
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燃烧反应
• 燃烧反应是人类最早认识的一种化学反应。燃烧反应 理论是化学家最早建立的一种能够统一解释化学现象 的化学理论。初期是在17世纪中叶出现了燃素说。它 引导化学家注意对化学反应过程的研究，导致了许多 化学发现。然而所谓燃素实际上是一种并不存在的臆 想出来的虚假物质，因而燃素说了是一种错误学说， 以致越来越阻碍化学的发展。起到18世纪中叶，在燃 素说统治化学达百年之久以后，终于被新兴的氧化说 所推翻，实现了一场化学革命。这一过程具有重要的 科学意义和哲学意义。
第五章 化学与哲学 • 哲学：唯物主义， 唯心主义 • 唯物主义：物质观，自然辨证法（质量 互变，现象与本质，偶然与必然，事物 发展规律等）
化学这科学自身有着丰富的哲学内涵。因 此，我们还应当从哲学的角度来观察、 分析和认识化学，探讨化学理论和哲学 价值、化学研究中的思维与方法，从而 能更好地掌握化学，促进化学和哲学的 发展。这里，仅从物质的化学的组成、 结构和反应等三个方面的理论问题做一 哲学考察。