化学哲学（一）

1. 物质、元素和化学组合

1.1 亚里士多德的化学

1.2 拉瓦锡几何原理

1.3 门捷列夫元素周期表

1.4 周期系统的并发症

1.5 关于混合物和化合物的现代问题

2. 原子论

2.1 亚里士多德和波义耳的原子论

2.2 当代化学中的原子实在论

3.化学革命

3.1 热量

3.2 燃素

4.化学结构

4.1 结构式

4.2 化学键

4.3 粘合的结构概念及其挑战

4.4 分子结构和分子形状

4.5 微本质主义：水是H2O吗？

5. 机理与合成

5.1 化学机理解释

5.2 反应机制的确认

5.3 化学发现的逻辑

6.化学还原

6.1 将分子种类还原为量子力学

6.2 物质还原为分子物种

7. 建模和化学解释

7.1 物理建模

7.2.数学建模

7.3.建模与解释

参考书目

学术工具

其他互联网资源

相关条目

1. 物质、元素和化学组合

我们当代对化学物质的理解是元素和原子的：所有物质都是由氢和氧等元素的原子组成。这些原子是化合物微观结构的组成部分，因此是化学分析的基本单位。然而，直到 20 世纪初，化学原子的真实性一直存在争议，“基本构件”一词始终需要仔细解释。因此，即使在今天，所有物质都由元素组成的主张并没有为我们提供关于元素的本体论地位以及元素如何个体化的足够指导。

在本节中，我们将从元素问题开始。从历史上看，化学家对“元素是什么？”这个问题提供了两个答案。

元素是一种可以以孤立状态存在且不能进一步分析的物质（以下分析论文结束）。

元素是一种物质，是复合物质（以下简称实际成分）的组成部分。

这两篇论文以不同的方式描述元素。在第一种情况下，元素由过程明确标识。元素只是混合物中无法进一步分离的成分。第二种概念更加理论化，将元素设置为复合体的组成部分。在前现代的亚里士多德体系中，分析论文的结尾是受欢迎的选择。亚里士多德认为元素是化学物质的组成部分，仅可能存在于这些物质中。现代的元素概念断言它们是实际的组成部分，尽管正如我们将看到的，分析论文结尾的某些方面仍然存在。本节将解释化学从一种概念发展到另一种概念背后的概念背景。在此过程中，我们将讨论元素在化学组合中的持久性、元素个体化和分类之间的联系以及确定纯物质的标准。

1.1 亚里士多德的化学

关于物质及其转变的最早的概念分析来自亚里士多德传统。与现代化学一样，亚里士多德理论的重点是物质的本质及其转变。他在《论生成与腐败》（De Generatione et Corruptione）、《气象学》以及《物理学》和《论天堂》（De Caelo）的部分内容中提供了第一篇系统的化学理论论文。

亚里士多德认识到大多数普通的物质事物都是由多种物质组成的，尽管他认为其中一些物质可能是由单一的纯物质组成的。因此，他需要给出一个纯度标准来区分单一物质。他的标准是纯物质是同质的：它们在各个层面上都由相似的部分组成。 “[I]如果发生了组合，则化合物必须是均匀的——这种化合物的任何部分都与整体相同，就像水的任何部分都是水一样”（De Generatione et Corruptione，下文称为 DG，I.10 ，328a10ff）。[1]因此，当我们遇到岩石中的钻石、水中的油或空气中的烟雾时，亚里士多德化学告诉我们，存在不止一种物质。

像他的一些前辈一样，亚里士多德认为火、水、空气和土元素是所有物质的基石。但与他的前辈不同的是，亚里士多德根据基本原则制定了这份清单。他认为“同一事物不可能有热和冷，或者湿和干……火是热和干的，而空气是热和湿的……；水是寒冷和潮湿的，而地球是寒冷和干燥的”（DG II.3, 330a30–330b5）。亚里士多德认为热和湿是最大程度的热和湿度，而冷和干燥是最小程度。非元素物质的特征是具有中等程度的温暖和湿度的基本品质。

亚里士多德使用这种基本理论来解释物质的许多特性。例如，他通过注意到元素的两种特性（潮湿和干燥）所施加的不同特性来区分液体和固体。 “[M]oist 是一种形状易于适应的物体，不受其自身的任何限制所决定；干燥是指容易由其自身限制确定的物质，但形状上不易适应的物质”（DG II.2，329b30f.）。固体有自己的形状和体积，液体只有自己的体积。他进一步区分了液体和气体，后者甚至没有自己的体积。他推断，虽然水和空气都是流体，因为它们是潮湿的，但冷会使水呈液态，热会使空气呈气态。另一方面，干与冷相结合则土坚固，而与热相结合则生火。

化学不仅仅关注物质的组成部分：它试图解释将物质转变为其他种类物质的转变。亚里士多德还对这一过程做出了第一个重要的分析，区分了嬗变（一种物质压倒并消除了另一种物质）和适当的混合。前者最接近我们现在所说的相变，后者最接近我们现在所说的化学结合。

亚里士多德认为，当相当量的物质聚集在一起产生称为“化合物”的其他物质时，就会发生适当的混合。[2]因此，我们通常遇到的物质都是化合物，并且所有化合物都具有以下特征：其中有一些成分它们是可以制造的。

当原始成分混合在一起形成化合物时会发生什么？与现代化学家一样，亚里士多德认为，至少在原则上，原始成分可以通过进一步的转化获得。他大概知道可以从海水中获得盐和水，可以从合金中获得金属。但他用概念论证来解释这一点，而不是详细的观察列表。

亚里士多德首先认为异质混合物可以分解：

观察表明，即使是混合体也常常可分为同质体部分。例如肉、骨、木头和石头。既然如此，复合体不可能是元素，也不是所有同质体都可以是元素；正如我们之前所说，只有不可分割为不同形式的物体（De caelo, III.4, 302b15-20）。

然后，他继续以简单物体的形式给出了元素概念的明确定义，特别提到了分析中的恢复。

我们认为，元素是一个可以分析其他物体的物体，潜在地或现实地存在于它们中（其中哪一个仍然有争议），并且它本身不能分为不同形式的物体。那，或者类似的东西，就是所有男人在每种情况下所指的元素（De caelo, III.3, 302a15ff）。

这里隐含的简单性概念是在《DG》后期引入的，亚里士多德在第二卷中声称“所有复合体……都是由所有简单体组成的”（334b31）。但是，如果所有单体（元素）都存在于所有化合物中，那么如何区分各种化合物呢？着眼于最近的化学，很自然地认为，不同物质的温暖和湿度的主要品质的不同程度是由不同比例的元素混合产生的。也许亚里士多德在表达混合产品的均匀性时短暂地提到了这个想法，他说“部分与整体的成分之间表现出相同的比例”（DG I.10，328a8-9，再次）见 DG II.7, 334b15)。

但“元素的比例”是什么意思呢？当代恒定比例和多重比例定律涉及基于质量概念理解的元素比例概念。亚里士多德没有这样的概念。现存的文本几乎没有表明亚里士多德如何理解元素比例的概念，我们不得不诉诸猜测（Needham 2009a）。

无论亚里士多德如何理解元素比例，他都非常明确地指出，元素虽然可以回收，但实际上并不存在于化合物中。在 DG I.10 中，他认为原始成分只是潜在地而非实际地存在于混合过程的最终化合物中。

在亚里士多德的理论中，元素实际上并不存在于化合物中，有两个原因。第一个涉及混合发生的方式。混合仅由于物质影响其他物质以及受其他物质影响的主要能力和敏感性而发生。这意味着当形成新化合物时，所有原始物质都会发生变化。亚里士多德告诉我们，当对立的对立物被中和并产生中间状态时，就会形成化合物：

因为热和冷有程度的差异，……两者结合在一起破坏彼此的过分，从而存在热（对于热）是冷的和冷（对于感冒）是热的；那么就会存在……一个中间体。 ……因此，……从元素中产生了肉和骨头之类的东西——当它们达到平均水平时，热变得冷，冷变得热。因为平均来说既不热也不冷。然而，平均值是相当大的，并且不是不可分割的。同样，正是凭借一种平均的条件，干、湿和其余才产生肉和骨以及剩余的化合物。 (总干事 II.7, 334b8–30)

第二个原因与纯物质的同质性要求有关。亚里士多德告诉我们，“如果发生了化合，则化合物必须是均匀的——这种化合物的任何部分都与整体相同，就像水的任何部分都是水一样”（DG I.10, 328a10f.）。由于元素是根据极端的温暖和湿度来定义的，因此具有这些品质的中间程度的东西不是元素。由于是均质的，化合物的每个部分都具有相同的这些品质的中间程度。因此，不存在具有极端品质的部分，因此实际上不存在任何元素。因此，他的新物质出现理论意味着这些元素实际上并不存在于化合物中。

因此我们陷入了一个有趣的理论僵局。亚里士多德通过元素单独表现出的条件来定义元素，并认为所有化合物都是由元素组成的。然而，元素单独具有的特性并不是实际存在的化合物的任何部分所具有的。那么如何才能恢复元素呢？

根据亚里士多德的理论，理解什么会导致化合物解离成其元素当然不容易，该理论似乎完全适合于展示混合如何产生稳定的平衡。压倒性的混合过程似乎并不适用。例如，它如何解释海水中盐和水的分离？但元素实际存在的拥护者面临的问题是根据元素在孤立状态和组合状态下表现出的属性来表征它们。充分应对这一挑战的一般问题，无论是捍卫潜在存在还是实际存在观点，都是混合问题（Cooper 2004；Fine 1995；Wood & Weisberg 2004）。

总之，亚里士多德为后来所有关于元素、纯物质和化学组合的讨论奠定了哲学基础。他断言所有纯净物质都是同质的，由空气、土、火和水元素组成。这些元素实际上并不存在于这些物质中；相反，这四个要素是潜在存在的。通过进一步的分析和转换可以揭示它们的潜在存在。

1.2 拉瓦锡几何原理

安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743-1794 年）通常被称为现代化学之父，到 1789 年，他列出了现代化学家可以识别的元素列表。然而，拉瓦锡的清单与我们现代的并不完全相同。尽管我们现在知道将氢和氧视为元素，将它们的气体视为分子，但拉瓦锡将一些诸如氢和氧气之类的物质视为化合物。

他清单上的其他项目是亚里士多德体系的残余，在现代体系中根本没有地位。例如，火仍然在他的清单上，尽管热量的形式有所改变。空气被分析成多种成分：可呼吸部分称为氧气，其余部分称为氮化物或氮气。四种类型的土壤在他的名单上占有一席之地：石灰、氧化镁、重晶石和粘土。这些地球的组成是“完全未知的，并且，在通过新的发现确定它们的组成元素之前，我们当然有权将它们视为简单的物体”（1789，第157页），尽管拉瓦锡继续推测“所有我们称之为地球的物质可能只是金属氧化物”（1789，第 159 页）。

拉瓦锡体系特别重要的是他对如何确定特定化合物的元素基础的讨论。例如，他描述了如何证明水是氢和氧的化合物（1789，第 83-96 页）。他写道：

当 16 盎司的酒精在适合收集燃烧过程中释放的所有水的装置中燃烧时，我们会得到 17 至 18 盎司的水。由于没有任何物质可以提供比其原始体积更大的产品，因此，在燃烧过程中，有其他物质与酒精结合；我已经证明这一定是氧气，或者空气的基础。因此，酒精含有氢，氢是水的元素之一；大气中含有氧气，这是构成水所必需的另一个元素（1789，第 96 页）。

物质守恒的形而上学原理——物质在化学过程中既不能被创造也不能被毁灭——至少与亚里士多德一样古老（Weisheipl 1963）。本文所说明的是守恒标准的运用：质量的守恒。产物的总质量必须来自反应物的质量，如果在容易可见的反应物中找不到这一点，那么一定存在其他不太容易可见的反应物。

这一原理使拉瓦锡能够将亚里士多德的简单物质概念（302a15ff.，第 1.1 节中引用）本质上应用于更有效的实验用途。在拒绝原子理论之后，他立即说道：“如果我们应用元素这个术语，或者物体的原理，来表达我们对分析能够达到的最后一点的想法，我们必须承认，作为元素，我们所进入的所有物质能够以任何方式通过分解来减少尸体”（1789，第 xxiv 页）。换句话说，元素被认为是我们可以通过实验生产的物质的最小成分。质量守恒原理提供了化学变化何时分解为更简单物质的标准，这对于燃素理论的处理具有决定性作用。根据这一原理，煅烧时重量的增加意味着煅烧不是分解，如燃素理论家所认为的那样，而是形成更复杂的化合物。

尽管这个定义具有务实的特点，拉瓦锡仍然可以自由地推测地球的化合物性质，以及需要氧气分解的金属氧化物的形成。因此，拉瓦锡还发展了元素的概念作为理论的最后一点分析概念。虽然这最后一点分析概念对拉瓦锡和亚里士多德来说仍然是一个重要概念，但他的概念比亚里士多德的概念有重大进步，并为 19 世纪的进一步理论进步提供了基础（Hendry 2005）。

1.3 门捷列夫元素周期表

19世纪随着许多新元素的发现，拉瓦锡的元素清单得到了修正和阐述。例如，汉弗莱·戴维（Humphrey Davy，1778-1829）通过电解分离出钠和钾，证明拉瓦锡的土实际上是化合物。此外，随着 1840 年代热力学第一定律的发现，热量从公认元素列表中消失。因此，随着元素数量的变化但不断增加，化学家越来越认识到系统化的必要性。人们进行了许多尝试，但约翰·纽兰兹 (John Newlands，1837-98) 提出了早期有影响力的说法，他准备了第一个元素周期表，显示当时已知的 63 种元素中的 62 种遵循“八度”规则，根据该规则，每八个元素都具有相似的属性。

后来，Lothar Meyer (1830-95) 和 Dmitrij Mendeleev (1834-1907) 独立提出了涵盖 1869 年已知的所有 63 种元素的元素周期表。1871 年，门捷列夫以后来广受好评的形式出版了他的元素周期表。该表的组织理念是定期重复出现的一般特征，因为元素按相对原子量顺序排序。化学行为周期性重复出现的相似性为将元素组织成组提供了基础。他在 12 个水平周期中确定了 8 个这样的组，考虑到他只处理 63 个元素，这意味着存在几个漏洞。

元素周期表

图 1. 国际纯粹与应用化学联合会的元素周期表。

图 1 所示的现代元素周期表基于门捷列夫周期表，但现在包含 92 种天然元素和几十种人工元素（参见 Scerri 2006）。最轻的元素氢很难放置，但一般放置在第一组的顶部。接下来是氦气，它是稀有气体中最轻的，直到 19 世纪末才被发现。然后第二个周期从第 1 族（碱金属）元素中的第一个元素锂开始。当我们跨越第二个时期时，较重的元素逐渐成为其他族的第一个成员，直到我们到达氖，这是一种像氦一样的惰性气体。然后，对于下一个最重的元素钠，我们返回到第 1 族碱金属并开始第三个周期，依此类推。

在他的系统化的基础上，门捷列夫能够纠正某些已知元素的原子量值，并预测与元素周期表中的间隙相对应的当时未知元素的存在。 1875 年，他的系统首次开始引起人们的广泛关注，当时他指出 Lecoq de Boisbaudran（1838-1912）新发现的元素镓与他以 eka-aluminium 名称预测的元素相同，但是其密度应远大于 Lecoq de Boisbaudran 报告的值。重复测量证明门捷列夫是正确的。 1879 年发现的钪和 1886 年发现的锗具有门捷列夫预测的“eka-bor”和“eka-silicon”特性，这是进一步的胜利（Scerri 2006）。

除了提供现代化学中使用的元素的系统化之外，门捷列夫还对元素的性质进行了解释，为当代哲学理解提供了信息。他明确区分了元素的分析结束和实际成分概念，虽然他认为这两个概念都具有化学重要性，但他在构建元素周期表时依赖于实际成分论文。他假设元素仍然存在于化合物中，并且化合物的重量是其组成原子的重量之和。因此，他能够使用原子量作为元素周期表的主要排序属性。 [3]

如今，化学命名法，包括元素的定义，由国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC) 监管。 1923年，IUPAC跟随门捷列夫的脚步，通过明确认可实际成分理论来标准化元素的个性化标准。他们与门捷列夫的不同之处在于他们认为什么属性最能区分元素。他们没有使用原子量，而是根据中性元素原子的原子序数、质子数和电子数对元素进行排序，从而允许出现具有相同原子序数但原子量不同的同位素。他们选择按原子序数对元素进行排序，因为人们越来越认识到电子结构是负责控制原子如何组合形成分子的原子特征，而电子数量则由整体电中性的要求决定（Kragh 2000）。