元素在化学中的地位作用
实验室k / 2019-04-22
化学家的技艺就是管理分子以发生想要的反应。因此，只要这些抽象实体可以作为有用的研究工具，我们就可以借助元素思考化学。元素具有两层不同含义的操作性。首先，元素经典意义上的操作性，即拉瓦锡的著名元素定义。拉瓦锡把元素定义为“通过任意分解手段把实物还原成的所有物质。我们无权断言这些我们认为的简单物质不是由两种元素，甚至是更多要素组成的化合物，但是，如果我们不能分离或者更可能至此为止尚未发现可以分离它们的方法，那么对于我们而言，它们就是以简单物质方式发挥作用的……”
拉瓦锡使用“对于我们而言”和“我们”这样的限定传递了元素这个概念的相对性，它取决于任何给定时间化学领域现有的分析技术。这意味着当前所列出的一系列元素不仅是暂时性的，而且取决于当前有限的分析实验技术。这就允许随着相关技术的改变，元素的本质也可能会发生变化。它们不再被设想为自然的终极建造模块，而是与实验操作紧密相关。这是元素的第一层操作含义，它不是为了找出研究对象的本质，而是为了找到可以得到该研究对象的操作（反应）。
一个概念还可以从另外含义的操作性去理解。比如用一个实体可执行的操作来定义该实体。拉瓦锡提及的“对于我们而言它们的作用方式是简单物质”时采用的就是这种另外含义的操作性。对于化学家拉瓦锡来说重要的是，在化学操作中元素是化学参与者（反应物），所以在与其他化学参与者的关系网络中它们的表现和反应才是界定一个元素的因素。元素第二层含义的操作性比第一层含义更加基础，在拉瓦锡引入明显属于实用主义的元素定义之前就已经成为化学的特征。
早在18世纪或者之前，化学家们就已经形成了通过物质能够做什么来鉴别物质的习惯。所以，威廉·洪贝格（William Homberg）在1703年发表的《论普通硫的分析》（Essay on the Analysis of Common Sulphur）一文中表示，从硫分解衍生而来的酸与硫酸是完全相同的东西，正是因为这个“硫本质”能够做与硫酸同样的事情，反过来也成立。按照这个逻辑，传统四元素可以从它们对其他实体的作用上进行重新界定，这种作用理解为化学家可以实现的各种作用，就像是大自然的作用一样。赫尔曼·布尔哈弗（Hermann Boerhaave）将四元素明确表述为化学的工具：不管利用何种技艺去改变一个实体，人们都可以把这种能够通过施以某种作用而发生改变的事物称为一种工具，而这种作用则能够产生想要的改变。纪尧姆·弗朗索瓦·鲁埃勒（Guillaume－Frangois Rouelle）和他的学生把元素看作是“天然工具”，而且在绪论部分将它们与用于实施反应的人工工具比如玻璃和陶瓷容器等一并作了介绍。所以，所有的实体都被化学家“工具化”，他们不仅把盐看作工具，面且甚至把亲和力本身也当作可以应用的工具。从这个角度看，大自然成为了一个巨大的实验室，就像是化学家们自己的实验室一样，是一个让实体产生作用的场所。的确，拉里·霍姆斯（Larry Hames）敏锐指出，18世纪化学家们总是用”操作”一词来形容我们今天所指的“反应”。元素是戏剧的演员，“戏剧”这个词同时指大自然操作的化学工作和化学家操作的化学工作。
.jpg "元素是戏剧的演员")
把大自然变成一个可与天然物质合作的操作舞台，18世纪化学家们再一次模糊了技艺和自然之间的界限。所以，当化学家们把自然比喻为天然剧场时其含义与方特纳尔所说的剧场是不一样的。对于方特纳尔，知识渊博的自然哲学家通过展示机械设备或者说操作舞台背后隐藏的机件功能来揭露舞台现场效果——只是蒙蔽不知情者——背后的机制。对于物理学家来说，现实隐藏在舞台上的可见表演背后。而对于化学家来说，剧场不仅为一众演员提供表演舞台，而且也为他们的不断互动提供空间。物理学家和化学家视角的差异反映了不同的物质研究方法，化学家不会把物质世界看作是一个虚幻的现象奇观，也不会把自己看作是被动的观众。世界是它自己的样子，复杂而相互关联，化学家关注世界是想了解可能性和不可能性。最后，也是最具争议性的，化学家的主要目标不是提供对真正世界现实的表述。
虽然18世纪的化学家们尤其奉行用实体的作用来界定实体，然而这种作法绝非仅限于这个时期。我们从劳伦特的例子中已经看到，19世纪的原子论者为何不把分子结构构想为自然元素构建模块的相互关联，而是构想为可以参与加成或者取代反应的化学制剂的相互关联。这种思维方式说明，劳伦特选择的是根据元素的功能来对它们进行分类。所以，尽管氯和氢在性质上有显著差异，但是劳伦特还是把它们放在一起，就是因为它们可以在取代反应中进行互换。氢和氯在很多有机化合物中表现相同的功能，所以可以认为在有机化学的舞台中它们是可以互换的演员。事实上，功能的概念正是在有机化学中才得以展现其全部的启发力量，进面产生一种高效的创新性的化合物分组和思考方式。围绕着600万个有机化合物，如果不是按照大约20种官能团，比如酸、醇、醛和酮等来进行归类，那么化学家还可以想出怎样的分类方法呢？
以化学个体和种类的功能定义为背景的化学命名规则，其演化过程非常具有指导意义。由此看来，拉瓦锡及其同僚们所拥护的化学命名的改革在现代化学中看上去更像是一段小插曲面不属于主要剧情。盖顿·得·莫尔沃·拉瓦锡、贝托莱和富科鲁瓦在1787年的《化学命名法》（Method of Chemical Nomenclature）中介绍的新化学命名法基于的原则是，化合物的名称应该代表其构成元素及其相对比例。这个原则形成了我们当前化合物命名系统的基础，所以，这种在我们看来很显然的命名系统很容易让我们拒绝或者至少忘掉在它之前出现的命名体系。《化学命名法》改革之前，许多化合物以及元素都有普通或者说通俗的叫法，从这些叫法中人们往往能了解它们在制药或者其他化学艺术中的用途。例如，“英国通便盐”在命名改革后变为”硫酸镁”，和许多化学品一样名字中含有起源地的“西班牙苏打”被通用名“碳酸钠”代替。
许多药师和化学技师对这种新化学语言表现出相当的热情，意味着他们放弃了表明物质功能或者起源地的老名称，而会采纳只表明化合物的所谓元素组成而不表明其用途的那些名称。新的化合物命名法旨在忠实地表达物质的组成，既是为了哲学理想又是为了更有助于学生学习化学。拉瓦锡在介绍命名方法时表达了他们的哲学思想：
化学命名法的完善……在于使概念和事实准确无误，不压制任何它们要呈现的东西，更不会增加任何东西。它应该只是事实的忠实写照，我们经常说，背叛我们的从来不是大自然母亲或者事实，而常常是我们的推理。
名称应该代表一个分子中元素的含量这一原则是官方命名的像障，而结构式的兴起则表示化学家们已然明白，构成元素的单纯相互连接已经不足以解释化合物的本质。比如，许多有机化合物具有相同的元素构成比例，但是却拥有完全不同的性质。此外，当19世纪第一个分子结构示意图出现的时候，其目的较少用于表示分子的真实结构，更多的用于归类已有分子结构并预测新结构的存在。可以用厄休拉·克莱因发明的用于讨论化学中”表示”与”“实际”之间关系的词——“纸上研究工具”——来表达分子式的作用。与19世纪威廉·霍夫曼用小球和木棍制作的分子模型一样，这些分子式也可以被打破、操纵和取代。化学家可以利用分子式这个表述来想象或者更准确地说构想一个化合物的不同异构体，这些异构体可以通过取代双键或者通过其他一些转变来获得。由此我们想起了由范特霍夫推出并开创三维分子式新时代的碳四面体结构，这个结构构想合理解释了为何实验中取代烷烃实际存在的异构体数目少于从烷烃平面结构推导出的异构体数目。不管是平面结构还是三维结构，这类化学分子式的首要用途并不是为了表示分子的真实结构，而是为了预测分子的行为和帮助建造新的分子。因而，至少在有机化学中，化合物名称所表达的更多地是化学家如何认识分子的问题，尤其是，化学家们能给予它们何种用途或者希望从中获得什么有用的性能，而较少表达分子的固有本质问题。
.jpg "元素在化学中的地位作用")
闽ICP备15011996号-4
|
闽公网安备35040002000218号
|
