化学哲学（四）
另一方面，共价化合物是单个分子或无限期重复的结构。无论哪种情况，刘易斯都认为它们是由共享电子对结合在一起的原子形成的。据说氢气由一个分子组成，该分子由两个由单个共价键组成的氢原子组成。由两个氧原子和一个双键组成的分子的氧气；甲烷，由四个等效的碳氢单键组成的分子和无限期重复重复SiO2单元共价键阵列的二氧化硅（砂）晶体。
刘易斯对分子结构的描述的重要组成部分是粘结的方向性。在离子化合物中，键合为静电，因此径向对称。因此，单个离子与任何一个邻居没有特殊关系。另一方面，在共价或非极性键合中，键具有确定的方向。它们位于原子中心之间。
在最近的化学文献哲学中，共价纽带的性质一直是讨论的主题（Berson 2008； Hendry 2008； Weisberg 2008）。尽管化学键在化学预测，干预措施和解释中起着核心作用，但很难精确定义化学键。化学键甚至不同量子机械模型之间的经典和量子机械概念之间存在基本分歧。一旦人们超越了入门教科书到先进的治疗方法，就可以找到许多理论上的粘结方法，但很少有债券本身的定义或直接表征。尽管有些人可能将这种缺乏定义性的清晰度归因于所有化学家之间共有的共同背景知识，但我们认为这反映了对化学债券本身状况的不确定性甚至矛盾性。
4.3 粘合的结构概念及其挑战
关于化学键的新哲学文献始于化学键的结构概念（Hendry 2008）。在结构概念上，化学键是分子的亚分子，分子的材料部分，它们位于单个原子中心之间，并负责将分子固定在一起。这是在19世纪末产生的化学键的概念，它继续为合成和分析化学的实践提供了信息。但是，结合结构的概念是正确的吗？哲学文献中提出了一些不同的挑战。
第一个挑战来自量子力学本体论与化学键的明显本体论之间的不兼容。电子不能原理（量子理论中的身份和个性）区分电子，因此键的量子机械描述不能取决于特定电子的身份。如果我们以类似刘易斯的方式来解释键合的结构概念，其中键是由特定原子捐赠的特定电子对组成的，我们可以看到这张图片与量子力学不相容。一个相关的反对指出，实验和理论证据都表明电子被离域，在整个分子上“涂抹”。量子力学告诉我们不要期望电子对位于键合原子之间。此外，穆里肯认为，配对是不需要的，不需要成立的键形成。氢分子中的电子“当它们具有两个氢核时，它们比只有一个氢核时更牢固。两个电子变得配对的事实似乎在很大程度上是偶然的”（1931年，第360页）。后来的作者指出，H2+离子在支持这一争论方面的稳定性。
结构性构想的捍卫者通过指出G.N.来应对这些挑战。刘易斯的特定结构帐户不是唯一的可能性。虽然结构概念上的键必须是亚分子和方向性的，但它们不必是电子对。他们专门应对量子本体论的挑战，认为债券应由其链接的原子中心个性化，而不是由电子链接。就电子的身体参与债券而言，他们并非作为个人这样做。所有电子都与整个分子有关，但是可以定位电子密度的部分。他们认为，他们认为所有结构帐户都要求的是，分子的总电子密度的某些部分是负责与键相关的特征，并且无需假设它直接在原子之间定位为原子在刘易斯的模型中（Hendry 2008，2010b）。
键合的结构概念的第二个挑战来自计算化学，即量子力学对化学现象进行预测的应用。 Weisberg（2008）借鉴了量子化学家Charles Coulson（1910-1974）的工作，认为化学键合的结构概念在量子化学中并不强大。该论点探讨了分子结构的量子机械模型的历史。在最早的量子机械模型中，很像保留了粘结的结构概念。电子密度在大多数情况下是原子中心之间的位置，并且负责将分子固定在一起。但是，这些早期模型对仅与实验定性相一致的键能和键长进行了经验预测。
当“允许”电子密度“允许”在整个分子中“允许”电子密度“允许”离开原子之间的区域并在整个分子中进行离域时，随后的分子结构模型与实验的一致性更高。随着模型的进一步改善，键合被视为全分子，而不是亚分子现象。韦斯伯格认为，这种考虑应该使我们拒绝粘结的结构概念，并用整个分子的概念代替。一种可能性是键合的能量概念，即键合是分子的能量稳定。严格来说，根据这种观点，化学债券不存在。纽带是真实的，债券不是（Weisberg 2008；另请参见Coulson 1952，1960）。
结构性观点的挑战在哲学和化学文献中产生了几种反应。对化学实践的第一个吸引力：从事合成和分析活动的化学家依赖于结合的结构概念。已经发现或合成了超过100,000,000种化合物，所有这些化合物均已正式表征。如果诸如债券的结构概念之类的中心化学概念在本质上没有挑出任何真实的东西，如何才能解释这种成功？ Linus Pauling（1901-1994）一生都捍卫了这一观点。
另一条反对意见来自Berson（2008），他讨论了非常弱的分子的意义。例如，有四个结构性异构体为2-甲基环戊烷-1,3-二烯基。由于异常稳定的单线状态，结构中最稳定的结构不对应于正常的粘合相互作用，即电子旋转平行的状态。贝尔森（Berson）认为，在这种情况下，“债券的形成实际上会产生一个不稳定的分子”。换句话说，充满活力的概念崩溃了，因为粘结和整个分子的稳定分开了。
最后，“分子中的原子”程序（Bader 1991；参见Gillespie and Popelier 2001，第6章和第7章）表明，我们可以坚持债券的结构性概念，但拒绝刘易斯关于刘易斯关于刘易斯的想法。电子如何意识到这种关系。例如，Bader认为我们可以根据范围范围的电子密度来定义“键路”。这样的键路有物理位置，通常与经典的共价键密切相对应。此外，它们部分证明了键合涉及原子之间电子密度的增加的想法：键路路径是最大电子密度的轴（将键路路径沿垂直于其的方向留下的方向涉及电子密度降低）。这种方法也有许多技术优势。整个分子的电子密度存在于量子力学的本体中，因此没有量子力学模型可以排除它。此外，电子密度比其他量子机械性能要容易得多，并且可以使用X射线衍射技术进行经验测量。
Buckyball图中的氩气
图5。债券太多？从C60中的每个碳原子到内部捕获的AR原子的60个键路径。
不幸的是，Bader的方法不一定会节省债券结构概念的一天。他的批评家指出，他的帐户非常允许，并将债券路径放在似乎可以怀疑的地方。例如，他的说法说，当您服用足球形的Buckminster Fullerene分子（C60）并捕获其中的氩原子时，碳原子和氩原子之间有60个键（如图5所示）（Cerpa等人（Cerpa等） 2008年。大多数化学家会认为这是令人难以置信的，因为化学组合的最基本原理之一是氩气几乎永远不会形成键（有关响应，请参见Bader 2009）。
一个被离居的帐户的普遍认可的问题是化学家所说的可转让性缺乏。如我们所见，结构视图的核心是不同物质共有的官能团的出现。例如，醇的特征是使羟基OH组共同。这反映在3600cm – 1时强的红色吸收中，被视为OH组的明显迹象。但是，从头开始QM处理只会看到不同数量的电子构成的不同问题，并且无法反映出分子结构的某些部分，例如OH组，它们可以从一个分子转移到另一个分子，并且它们可能在普通（Woody 2000，2012）。
另一个问题是对化学键合的原因的详细理解。多年来，基于Hellman-Feynman定理的主要观点一直是正核和负电子云之间的静电吸引力（Feynman 1939）。但是，最近由Hellman建议并由Rüdenberg开发的替代方案最近出名。这强调了动能的量子机械类似物（Needham 2014）。当代帐户可能会利用许多微妙的量子机械特征。但是，这些细节不应掩盖由化学反应形成稳定化合物的高度热力学原理。正如阿特金斯（Atkins）所说的那样
尽管……所涉及的物质已经下降到较低的能量，但这不是发生反应的原因。总体而言，宇宙的能量保持恒定。 …发生的一切是一些最初局部的能源已经分散了。这就是化学变化的原因：在化学中，就像物理学一样，自然变化的驱动力是混乱，无目的，无向能量的分散。 （Atkins 1994，第112页）
这种纽带和其他所有模式所面临的困难使许多化学家和哲学家争辩多元化。量子化学家罗尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）写道：“按照某些标准，债券将是一种债券，而不是其他标准……对这个概念有所乐趣，并释放了炒作”（Hoffmann 2009，其他互联网资源）。
4.4 分子结构和分子形状
尽管关于分子结构和几何形状的大多数哲学文献都是关于键的，但关于分子结构本身概念的许多重要问题。第一个问题涉及分子结构的正确定义。教科书通常将分子的结构描述为其原子的平衡位置。因此，水的结构以氢原子和氧原子之间的104.5º角度为特征。但这是一个有问题的概念，因为分子不是静态实体。原子不断运动，以我们可能形容为弯曲，扭曲，摇摆和剪刀的方式移动。因此，Bader认为，我们应该将分子结构视为键路的拓扑，或通过连续转化保存的原子之间的关系（Bader 1991）。
关于分子结构的第二个问题更为基本：分子是否具有结构公式所代表的形状和方向性特征？鉴于我们已经讨论过的历史，似乎答案显然是肯定的。实际上，许多间接的实验技术在内，包括X射线晶体学，光谱和产品分析不仅提供了形状的存在，而且还提供了特定分子物种的特定形状的融合证据。
尽管如此，量子力学还是对分子形状概念构成挑战。在分子物种的量子机械处理中，除非手工放入，否则似乎不会出现形状。 （Woolley 1978; Primas 1981; Sutcliffe＆Woolley 2012）。
这种张力在化学结构的熟悉理论与分子的量子机械叙述之间可以通过多种方式解决。我们可能会认为，人们可能会接受关于分子结构的消除主义：量子力学是一种更基本的理论，其本体论没有分子结构的位置。因此，分子结构不存在。我们知道的哲学家或化学家都没有认可此选项。另一个可能的反应使对基础物理学的吸引力不同。某些东西必须打破波函数对称性并给出分子中的原子位置。这可能是与其他分子的相互作用或与测量设备的相互作用。因此，分子形状部分由相互作用构成，是一种关系，而不是内在特性（Ramsey 1997）。
一个相关的选择是一种实用主义。汉斯·普林斯（Hans Primas）认为，严格来说，分子的量子机械描述必须是全宇宙描述。无论我们如何围绕某些目标分子系统划定关注的界限，实际上，该系统都是开放的，并且与宇宙中的其他所有内容进行了互动。因此，任何特定分子的形状都可能是其与宇宙中其他任何事物相互作用的结果。当我们将系统视为封闭时，我们只会得到没有形状的悖论，即单独使用宇宙中的单个甲烷分子。可以将开放系统视为出于实用目的而关闭的开放系统是可以的，但是我们应该始终了解这是一个理想化。我们不应该将我们的理想化（例如开放系统关闭）视为垂直的。因此，量子力学和分子形状之间没有不相容性（Primas 1981）。
因此，尽管分子的结构表示无处不在，但事实证明，即使是分子形状的概念也不是模棱两可的。 Primas的方法指出了许多化学家接受了许多量子机械模型中的理想化。但是，关于如何理解分子形状的哲学文献中没有共识。
4.5 微本质主义：水是H2O吗？
在本节的最后一部分中，我们考虑了哲学家最喜欢的例子：“水为h2o”的论文。该论文通常被认为是无争议的，并被用作语义外部主义和关于自然种类的本质主义的证据（Kripke 1980； Putnam 1975，1990）。由于有关参考和语义外部主义理论的一般论文超出了本文的范围，因此我们将重点放在化学本质上。是否有足够的普通基本微观结构来个性化化学种类并解释其一般特征？如果是这样，“成为H2O”是否足以个性化水？
本质主义论文通常是通过编写“水= H2O”或“（全部）水为H2O的”风格的。忽略身份是否有意义的问题（Needham 2000），以及理解谓词在第二种配方中适用的问题（Needham 2010a），尚不清楚任何一种表述表达了本质主义者打算的论文。 “ H2O”不是任何微观结构的描述。相反，“ H2O”是一种成分公式，描述了氢和氧气的组合形成。
标准配方的合理释义是“水是H2O分子的集合”。然而，尽管“ H2O分子”的表达描述了一种特定的微观，但它绝不会耗尽水中的微粒种类，并且没有说它们在水中相关的微观结构。描述水的微观结构完全涉及阐述这种相互联系的结构的细节，并详细介绍它们如何依赖温度和压力以及它们如何随时间变化（Finney 2004）。
像许多其他物质一样，水不能简单地描述为单个分子的集合。以下是其微观结构复杂性的一些例子：自来水，这意味着氢和氢氧化离子与液态水中的H2O分子共存，不断重组以形成H2O分子。同时，H2O分子将其缔合成较大的聚合物物种。提到这些复杂性不仅是养育的，因为它们通常是引起最引人注目的物质特征的原因。例如，水的电导率是由于一种机制，即在聚合物簇的一个点附着一个正电荷（氢离子），从而诱导电荷在整个群集中的协调转移，从而在某个远处释放了氢离子观点。效果是，电荷是从一个点转移到另一点的，而无需转移物质以携带它。簇形成的氢键也是许多其他独特的水特性的根源，包括其高熔点和沸点以及熔化时的密度增加。正如范·布拉克尔（Van Brakel）所论证的（1986，2000），水实际上是这种“非分子”物质的海报孩子。
也许水不仅仅是H2O分子的集合，但它肯定具有一个微观结构，也许本质主义论文可能会沿着“水是任何具有微观结构的东西”的方式重铸，在信息中写道，可以从重言术中节省这一信息。但是，这篇论文仍然认可这样一种观念：“水”是谓词，其特征是普特南所说的刻板印象。这忽略了宏观（但科学上重要）的重要性，例如沸点，特定的热量，潜热等，实际上从中推断出许多微观结构。实际上，化学家用来确定物质的相同性和纯度的许多标准都是宏观的，而不是微观的。实际上，确定水等物质的纯度的国际标准取决于仔细确定宏观特性，例如同时存在液体，气态和实心相的三分点，温度和压力（Needham 2011）。
那么水H2O吗？最后，这个问题的答案取决于人们如何解释这句话。许多化学家会惊讶地发现水不是H2O，但这也许是因为他们将“ H2O”读为速记（Weisberg 2005）或以我们在本节开放中讨论的方式作为构图公式。实际上，水的特征是引用其微观结构和宏观特征，因此这不能自行为微观主义提供理由。
由于这些原因，微观主义者的主张需要基于化学分类和解释：IUPAC开发的命名系统完全基于微观结构，理论上对物质的化学和光谱行为的解释也是如此（请参阅Hendry 2016）。另一方面，H2O内容未能跟踪普通语言的人对“水”一词的使用，他们似乎对化学家有不同的兴趣（Malt 1994）。多元化是对这些紧张局势的一种回应：Hasok Chang（2012）敦促在科学中，Water对H2O的身份也应保持开放。朱莉娅·伯顿（Julia Bursten，2014）试图调和微观结构在化学中的特殊作用与微观主义的失败。乔伊斯·哈夫斯塔德（Joyce Havstad，2018）认为，化学家对物质概念的使用就像生物学家对各种物种概念的使用一样凌乱而崩溃。
5. 机理与合成
到目前为止，我们的讨论集中在“静态”化学上：对物质及其结构的性质的说明。但是，大部分化学涉及物质从一种形式转变为另一种形式。本节介绍了围绕一种物质合成另一种物质以及化学机制的哲学问题，即解释性框架化学家用来描述这些转变。
5.1 化学机理解释
在生物学哲学和神经科学哲学的文献中，关于机制和机理解释的概念的讨论大量（例如Machamer，Darden和Craver 2000）。然而，作为解释性方案的机制的生产发现了其在化学方面的原始家园，尤其是有机化学。化学机制用于将反应分类为类型，解释化学行为，并预测在新的情况下发生的新反应或反应（Weininger 2014）。
古德温（Goodwin，2012）确定了化学作用时的两个化学机制概念。机制的第一个或厚的概念就像化学反应的电影一样。这种机制在反应过程中将某些分子的所有电子和原子核的位置追踪，并将这些位置与系统的势能或自由能相关联。人们可能会认为这是一种理想的反应机制，因为它将包含有关化学反应时间过程的所有信息。
相反，反应机制的薄概念集中在一组离散的步骤上。在每个步骤中，都会生成一组反应性中间体。这些中间体是准稳定的分子物种，最终将产生反应的产物。例如，据说经过研究的生物分子亲核取代（SN2）反应具有单个反应性中间与传入的亲核试剂的中间性和外出离开组，都部分键入了反应性碳中心（见图6）。这种对反应机制的描述不仅是抽象的，因为它遗漏了很多细节，而且也是高度理想化的。反应实际上并不是一系列离散步骤，每个反应都会产生准稳定的反应中间体。
