化學方法演化史略(上)

摘要：闡述了從古代實用化學時期到近代實驗化學時期，化學方法從孕育到形成的演化過程，嘗試用“以史帶論，史論結合”的方式，闡述這樣一個主題：一部化學發展史也是一部化學方法的演化史。

關鍵詞：化學方法；實驗歸納法；化學直覺；化學創造力

文章編號： 1005–6629(2012)5–0075–04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 一部化學發展史也是一部化學方法的演變史

循著化學學科發展的歷史線索，我們編寫了關于古今中外有代表性的化學家、學者及化學工作者所作貢獻的系列化學史話。嘗試向讀者提供能具體觸摸化學歷史發展脈絡的史料與見解。這對有興趣進一步學習與研究化學史的化學教育工作者來說，也許是有益的。我國膠體化學家、化學教育家傅鷹教授曾語重心長地指出：“一門科學的歷史是那門科學中最寶貴的一部分，因為科學只能給我們知識，而科學的歷史卻能給我們智慧”。在他看來，化學與化學史的關系也是如此，而作為化學史給我們的智慧的結晶，則主要體現在人們對化學知識的思維方式和研究方法上。對此，抱有同感的還有中國化學會前會長柳大綱先生，他曾言簡意賅地說過：“化學窮物質轉化運動之理，綜宏析微、撥偽存真、精益求精，乃認識自然、改造自然之鎖鑰”（中國化學會成立50周年《祝愿》詞）。在這里，所謂“綜宏析微、撥偽存真、精益求精”亦就是對運用化學方法探索化學科學真理的作用的經典描述。

化學史家們現在一般都承認：化學發現與發明，無論巨細，幾乎從來就不是個人自發做出的獨創貢獻。即使那些最具革命性的化學理論也都是長期演變或發展的結果。一些基本的化學思想（如元素、原子、分子等）產生于各個不同的地域，這些思想逐漸經過交融、合并、修改和補充，最后公之于眾，形成了一種新的化學概念。這種化學概念又轉而影響和改變后來的化學理論，結果使化學科學有可能永無止境的進步不己。在這里，我們認為有必要明確回答這樣一個問題：推動化學科學不斷前進的動力因素究竟是什么？從科學方法論的視角來考察，化學的不同發展階段就會孕育或形成不同的化學方法，而一旦新的化學方法產生又會推動化學發展從一個階段邁向新的階段。從這個意義上可以說：一部化學發展史也是一部化學方法的演化史。

化學方法從其內涵來說有兩個方面：一是化學家的思維方式，另一個是化學家運用的物質手段。用現代約定俗成的話來說，前一個是“軟件”，后一個“硬件”，兩者相輔相成才構成完整的所謂的科學方法。而要比較全面而又系統地敘述和探討化學方法的演化史，不僅要涉及化學家的個人秉性和才智，而且也涉及到化學家所處的社會經濟環境以及他們所接觸的哲學思想。

2 古代實用化學時期和化學方法的孕育

化學的原始形式是煉金術（或煉丹術），煉金術是思辨哲學（在古希臘是亞里士多德哲學，在古代中國則是道教哲學）和工藝技術相結合的產物。其后形成的醫藥化學和冶金化學則是煉金術向近代化學的過渡，比起煉金術來，后者更注重化學工藝技術、強調實用。但是，其哲學思想基礎仍然是和煉金術一脈相承。此時的化學還沒有從生產實踐和哲學中分化出來形成一門獨立的科學，相對應的化學方法也不具有科學的形志，而具有思辨的特征和“準實驗”（或用火操作的化學實踐）的痕跡。

2.1 思辨方法

煉金術士力圖通過物體的可直接觀察的性質（如顏色、熔度及晶形等）作為實證來闡明亞里士多德的哲學。亞里士多德關于“萬物皆變”并趨向“完善”的思想告訴人們，金屬中那些不夠完善的金屬（所謂賤金屬），總是力求變得象黃金等貴金屬一樣盡善盡美。煉金術士們堅信自己掌握的化學工藝技術手段能使之如愿以償，即可用火操作把賤金屬變成為貴金屬，這既是煉金術賴以生存的思想基礎，也是從當時冶金實踐中得出的仿佛合乎邏輯的結論。與其驚人相似的是信奉道教哲學的中國著名煉丹家葛洪有句名言：“變化者，乃天地之自然，何嫌金銀不可以異物乎”。在他看來，不僅金銀等貴金屬可以由它物變化而來，而且金銀等“不腐”、“不朽”的屬性也可發生轉移，甚至進入體內。這種“萬物皆可互變”的思想使煉丹方士們堅信“服金者壽如金”，“服玉者壽如玉”。

綜上所述，古代的化學思辨方法是以觀察為基礎，并運用原始的歸納與演繹的邏輯方法所構成的。其中包括了直觀的觀察、天才的猜測和原始的邏輯推理三個構成內容。而古代原子論和邏輯學則是這種方法的兩大杰出成果，可以說它們是后來化學發展為科學的內在“種子”或“胚芽”。

古代原子論的創立者德謨克利特首先寫成《論邏輯》一書，認為人對自然的認識是從經驗觀察上升到理性認識的過程，在該過程中需要運用歸納邏輯等方法。他在建立原子論的過程中，把直觀可見的水、氣、火、土等“元素”以致自然萬物，都視為由不可見的“原子”所構成的物質客體，試圖以觀察不到的本質來說明可觀察到的現象，從而產生了科學方法的“胚芽”，即以微觀物質的相互作用來解釋宏觀運動現象的方法。該方法試圖把宏觀層次物質變化現象還原到微觀層次原子運動變化的規律來認識。這種“還原思維模式”對后來的哲學和科學發展具有深遠的影響。

繼德謨克利特之后，主張四元素說的亞里士多德又進一步論述了演繹邏輯，他把以往的一些零散的邏輯方法論思想加以吸收、改造并以其名著《工具論》一書的完成確立了邏輯學。他強調把邏輯方法視為研究科學、認識真理的重要工具，并試圖說明思辨觀念怎樣從經驗的東西產生的，進而從邏輯上對思辨方法進行了總結。

2.2 準實驗方法

實用化學時期產生的化學思辨方法有其合理性，并具有科學內在“種子”或“胚芽”的積極意義。但在古代社會生產力和科學水平低下的情況下，思辨方法還不可能依照充分的事實去進行理論概括，更不可能進行科學實驗去檢驗，從而就可能導致粗糙的以致是錯誤的結論。例如，把本來并非是化學元素的水、氣、土、火等復雜物質看成是最簡單的“元素”等。由此可見，沒有用實踐或實驗去檢驗化學認識的結果，也沒有用假設所預言的事實，來驗證各種假設——這是思辨方法的根本缺陷。帶有這種缺陷的化學思辨方法還只是一種處于萌芽狀態的科學方法，盡管它是與處于化學原始形態的煉金術（或煉丹術）是相適應的，但畢竟是極不完善的，還需要向以科學實驗為基礎的科學方法轉變。

處在16世紀至17世紀前半葉的醫藥化學家和冶金化學家們，對變賤金屬為貴金屬的目標已經不感興趣。對于他們來說，寧肯放棄煉金術的思辨觀念，也要強調實用。這是由于煉金術（或煉丹術），無論在西歐還是在中國流行千年之久，但結果得不償失。相反由于它的神秘性質和脫離生產實際，終究還是嚴重地延緩以致阻滯了化學的發展。不少有識之士開始在實踐中摒棄煉金術（或煉丹術），這方面的代表人物有西歐的醫藥化學派帕拉塞斯、冶金化學派阿格里柯拉，在中國則是醫藥學家李時珍和編撰化學工藝百科全書《天工開物》的學者宋應星。他們主張化學只有從煉金術（或煉丹術）的羈絆中解放出來，才能達到它前進的真正出發點。

正是在制取藥物和冶煉金屬的實踐中，天平開始得到廣泛應用、定量觀念得到傳播、定量實驗方法的重要性開始受到重視，一些元素和化合物的知識有了新的積累，酸、堿、鹽及其反應的性質開始為人知。可見從煉金術士（或煉丹方士）開始到冶金化學家及醫藥化學家的活動，無疑帶來了多種可以作為科學解釋的結果。但是，這些近代化學的先驅者們的目標均屬實用性質，而不屬于化學科學。作為科學的化學還需要以建立科學理論為目標，還需科學的理念來指導觀察和理解實驗事實。

3 近代實驗化學時期和化學方法的形成

17世紀下半葉到18世紀，化學進入實驗化學時期，它開始同思辨哲學相分離，并徹底從煉金術（或煉丹術）中解放出來，近代化學由此開端。這一時期化學的主要任務是“搜集材料”，對物質及其性質進行分門別類的研究。這就需要運用化學實驗手段對物質進行分解或分析，并在依次獲得的大量經驗知識基礎上進行歸納與概括，結果抽提出了關于科學的元素概念和燃燒的氧化理論。在這個過程中，以實驗歸納為標志的經驗方法，作為科學形態的化學方法開始形成。

3.1 經驗方法

波義耳和拉瓦錫作為這一時期的兩個富有代表性的化學家，為化學方法的形成作出了奠基性的貢獻。“懷疑派化學家”波義耳以他的新思想（機械論的微粒哲學）和新方法（化學實驗方法），把化學開始確立為科學，而拉瓦錫則以他的具有系統性、嚴格定量性的實驗方法和善于運用理論思維的邏輯推理方法（主要是歸納法）完成了由波義耳開始的將化學變成科學的化學革命過程。

具體來說，波義耳深受現代實驗科學的始祖、英國哲學家弗朗西斯.培根的科學方法論（或“新工具論”）和機械論的微粒哲學的影響。在他的化學和物理學研究中，相當強調實驗和歸納法的科學方法論作用，同時非常嚴格地遵循機械論解釋的原則。波義耳反對把化學看做一種制造黃金等貴金屬或者醫療藥物的經驗技藝，而應當看作一門科學，作為科學的一個分支，化學主要從事對化學現象作理論解釋，而不是單純去實際利用它們。他還主張，實驗的方法和與此相聯系的對自然界的觀察是形成科學思維的基礎，化學應該用實驗方法而不是用玄虛的思辨和抽象的空談來確立關于物質化學變化的定律。同時波義耳復興了與亞里士多德哲學相悖逆的古代樸素的原子論，強調了物質的微粒哲學的觀點。該觀點認為：自然界是由一些細小致密、用物理方法不可分割的粒子構成，粒子結合成粒子團，粒子團作為基本單位參與化學反應。在這里可以說已經孕育著近代科學原子論的雛形。

拉瓦錫同波義耳一樣，繼承了弗朗西斯·培根的科學實驗論，強調“除了通過實驗和觀察的自然道路去尋求真理之外，別無它途”。但他與波義耳不同，特別強調了實驗歸納中的定量性，認為“必須用天平進行測定來確定真理”。并以精密的規范操作實踐檢驗傳統理論。拉瓦錫把波義耳倡導的經驗性的實驗歸納法推進到了新的階段。其經驗方法表現出了如下特點：從定性的實驗歸納發展到了定量的實驗歸納。拉瓦錫是明確提出，把由天平確定的量作為衡量的尺度，對化學現象進行實驗證明的第一個化學家。正是運用了這種“以量求質”的方法用以檢驗傳統的燃素說，終于否定了燃素的存在，推翻了燃素理論對化學的百年統治。

拉瓦錫時代的化學方法尚屬經驗性質，但具有較高的嚴密性和系統性，較強的理論概括性。正是在實驗基礎上，運用概括的理論思維方法，拉瓦錫把從若干燃燒反應中所抽取出來的氧化的本質屬性，推廣到所有燃燒反應過程，從而形成具有普遍意義的氧化燃燒理論。

總之，波義耳——拉瓦錫時代的化學方法已趨形成，但比較強調“知識不能超出經驗范圍”，相對來說還比較忽視科學抽象、假說和演繹的理論思維作用。化學的進一步發展就需要推動化學方法，從經驗方法過渡到理論方法的階段。

3.2 理論方法

從18世紀末到19世紀，化學呈現出從搜集材料向整理材料發展的勢頭。在此期間，化學積累了龐大數量的實證的知識材料，以致在化學研究領域中有系統地和依據材料的內在聯系。把這些材料加以整理的要求，已經成為勢在必然。而建立化學的各個知識領域相互間的正確聯系，也同樣成為不可避免。由此，近代化學開始走進了理論領域。這一時期得到發展的理論方法主要有科學抽象、演繹推理、科學假說、比較分類及非邏輯推理等。

3.2.1 科學抽象

由波義耳倡導，拉瓦錫加以發展的定量實驗歸納法，在18世紀與19世紀之交得到了化學家們普遍的重視與運用。在這種狀況下，質量守恒定律、定比定律和當量定律等化學基本定量定律被發現，緊接著對這些定律作出理論上的科學解釋亦就成為化學家的迫切任務。英國化學家道爾頓首先把這些在化學實驗基礎上歸納總結得出的定量定律跟物質由原子構成的觀念相聯系，并把原子量概念引入化學，建立了科學的原子論。該理論在19世紀初被公認為理論化學的最高成就。他所采用的就是一種稱謂“科學抽象”的理論方法，即在經驗歸納所提供的大量科學事實的基礎上，運用概念、判斷、推理的理論思維方法，抽提出物質內部的共同本質，確認了“原子”的客觀實在，并就原子的不同類型、性質和質量等屬性提出了科學論斷，從而找到了各個經驗定律的內部聯系，建立起了科學的原子論。這種科學抽象的方法具有把觀察與思考、實驗經驗的積累和豐富想象，新穎的理論構思相結合的特點，致使他的思維分析能達到實驗分析所不能達到的深度。即使在顯微鏡得到改進時也不易被人看見的原子，道爾頓卻早已用思維把握住了原子。

3.2.2 演繹推理

該理論方法是指從一般規律或原理出發，運用數學的演算或者邏輯的證明，得出特殊事實應遵循的規律，即“從一般到特殊”的邏輯推理方法。演繹推理是一種必然性的推理，只要推理的前提是真實的，推理形式是合乎邏輯的，那么推理結論也必然是正確的。在道爾頓時代，化學理論的建立與發展就迫切需要運用這種演繹推理的思維工具。19世紀初，道爾頓在初步建立科學原子論后，就從這一普遍原理出發，考察不同元素的原子之間的相互關系及其規律性。他注意到：一種元素的原子不僅可以同另一種元素的一個原子相化合形成化合物，也可以同另一種元素的兩個、三個或更多個原子相化合形成化合物，而每種元素的原子的重量（原子量）又都是固定的。據此運用原子論就可以推論得出：在由兩種元素生成的多種化合物中，同一定重量的第一種元素相化合的第二種元素的重量，彼此間就必然會呈現出簡單整數比的關系。

沿著這樣的思路前行，后來，化學家們用演繹方法推理出了“倍比定律”。此后，道爾頓根據倍比定律的邏輯推理，有目的地進行了定量分析實驗，從氮的氧化物、碳的氧化物等一系列化合物組成分析的數據中證實了倍比定律的成立。

3.2.3 科學假說

科學假說的出現是理論方法日趨成熟的一個標志。因為運用假說方法能夠在已知科學事實的基礎上超出經驗感覺的范圍，對未知現象作出假定性的說明。正如1811年，意大利化學家阿伏伽德羅提出分子假說時所做的那樣。當時道爾頓的原子論和蓋·呂薩克所發現的氣體體積簡比定律的經驗事實之間正處于不可調和的矛盾狀態。而解決這一矛盾，不能單純依靠經驗方法，以此為契機，阿伏伽德羅提出“分子假說”，把原子理論推向前進。阿伏伽德羅的理論研究有一個總的指導思想，那就是試圖找出化合物的物理性質和化學性質之間的聯系。同時還試圖用數學方法不但表示化合物的物理性質，還用它來表示化合物的化學性質。

由于主客觀方面的原因，分子假說長期受到壓抑而未獲承認，直到坎尼查羅加以重新論證和分子量的實驗測定得以確認，終于把道爾頓的原子論和阿佛加德羅的分子假說協調成一個合理的理論系統，也就是說，通過分子假說的方法把道爾頓原子論發展成為原子分子學說。

3.2.4 比較分類

這是既有區別又有密切相關的一組理論方法，它們是近代化學得以完成其“整理材料”任務的一對重要思維工具。“比較”是根據物質及其運動變化屬性之間的某些共同點或相似方面的對稱比對，以揭示其內在本質聯系的推理方法，而“分類”則是根據事物之間的共同點和差異點把研究對象區分為不同從屬關系的邏輯方法。可見“分類”是以“比較”為基礎的，兩者相輔相成，有助于化學家們透過紛繁復雜的化學現象，尋找到隱藏在背后的化學物質及其變化的規律。十九世紀中期，以門捷列夫為代表的無機化學家就是創造性地運用比較與分類的方法，把當時已有的龐雜混亂的化學元素及化合物的知識加以整理和綜合，從而發現了化學元素周期律。

門捷列夫既強調在觀察和實驗的基礎上，通過全面的比較和自然的分類，從質和量（即元素性質和原子量）的關系上去對化學元素的自然體系進行理論概括，又主張只有把歸納與演繹、分析與綜合結合起來，才能發現元素性質周期性變化的規律并據此作出科學的預測。他對某些公認原子量的校正和對類鋁（鎵）、類硼（鋁）、類硅（鍺）的預測就是有力的例證。

3.2.5 化學直覺

隨著科學原子論、分子假說、原子分子學說的建立和元素周期律的發現及周期系理論的形成，在整個19世紀，理論方法已在化學方法中居于主導地位。但是也應當看到在理論方法發展的同時，經驗方法也在進一步發展，而且構成了理論方法發展的堅實基礎。尤其在有機化學領域，基于發展了的經驗方法派生出了一種非邏輯推理——化學直覺，它極大地推動了有機分子結構理論的建立與建立與發展，并賦予化學理論方法特有的個性化色彩。

所謂“直覺”是一種在感知過程中未經嚴格邏輯證明，但能迅速而準確填補知識空白的能力，廣義的直覺包括靈感（頓悟）及直感、直觀等不同層次的一類非邏輯思維形式。科學史表明，化學家尤其有機化學家，他們擅長于憑籍化學經驗取得對化學事實的直觀的理解，并能卓有成效地運用那種不注重邏輯推理，而直接得到基本正確的結果。例如，在制備某一染料之前，對于它的顏色他也會有一定的設想，在試圖合成一種具有某種藥性的藥物時也往往有一種預見，而結果往往跟預想取得一致。這也就是說，化學家有了豐富的化學經驗，就會有一種油然而生的對某些結果的“預感”或“直感”——這也許是化學家，尤其是有機化學家所具有的一種特有的科學素養，稱之為“化學直覺”，這是一種認識上的飛躍，屬于直覺思維范疇。

盡管這種直覺思維并未以突發性的形式出現，即不表現為“靈感”或“頓悟”，但基于豐富的化學經驗并通過長時間的沉思和積累，化學家會有更多的機會獲得這種靈感或頓悟的。應該承認，依靠“化學直覺”，有機化學家用化學變化的邏輯就能想象或預感原子在空間中的復雜構型，并通過富有成效的實驗合成手段制成具有這種構型的有機化合物，進而在理論與實踐的結合上把握住了有機物性質與結構的關系，建立起了有機分子結構理論。可見化學直覺是有機化學家富有創造潛力的一種標志。眾所周知，德國有機化學家凱庫勒就是一個杰出的代表。正是他，把個人的才智和對碳原子相互結合關系的理論研究相聯系，最終完成了一種天賦般的直覺判斷——苯的碳原子之間成環狀結構。在這里，凱庫勒的個人才智主要表現在他早期學習建筑所獲得的對事物“空間結構美”的認識和對事物形象化的孜孜追求。一旦這種才智和他的化學經驗積累相結合，就會產生一種閃耀智慧火花的化學直覺。

參考文獻：

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[2]廖正衡等編著.化學學導論[M].沈陽：遼寧教育出版社，1992.

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