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化学综合方法阶段


化学先生 / 2019-08-07

      20世纪乃至21世纪初,自然科学呈现出日益明显的整体化趋势。其主要表现是边缘学科、交叉学科和横断学科的不断涌现,从而使自然科学各学科日益联结成一个统一的整体。


    在这种形势下,作为研究科学的工具,运用单一的研究方法已经远远不够了。在现代科学前沿中,研究对象和研究方法之间的关系已经发生了根本的变化,从“一种对象一种方法”的简 单对应发展成为“一种对象儿种方法”的复杂综合的关系,从而使科学方法呈现出交叉化、多元化综合化的发展趋势。从化学方法来看,主要表现为经验方法与理论方法的综合、不同学科方法的综合和系统方法的应用等几个方面。

    1.经验方法和理论方法的综合。

    化学方法发展的历史表明,尽管在方法论上经验方法和理论方法是相互联系的不可分割的整体,然而在不同发展时期两种方法的地位也有所不同。例如,17世纪以经验方法为主,19世纪以理论方法为主,到了20世纪就逐渐发展到经验和理论两种方法地位并重、相互联系更为密切的综合发展阶段。

    20世纪和21世纪初的化学发展,方面是作 为经验方法基础的实验手段已经更加精密化、完善化,相继出现了质谱仪(1919年)、极谱仪(1925年)、微波谱法(1934年)、顺磁共振(1944年)、气相色谱(1952年)、Y射线共振荧光谱法(1958年)和扫描电镜、电子探针、拉曼激光光谱、分子束、微微秒激光光谱等现代分析测试技术,这些先进实验技术,为化学研究提供了系列高度灵敏 、精确 、快速的手段。 特别是由于电子计算机的应用已经在图谱、数据储存和检索等方面发挥了越来越大的作用,有力地促进了化学操作的自动化和数字化。所有这此都使得实验方法处于越来越重要的地位。事实上,现代化学研究如果脱离了现代实验手段就难以进行。现代化学理论无-不是在依靠了现代实验手段取得的感性材料的基础上抽象出来的,都是实验方法和理论方法高度结合的产物。诸如玻尔的量子化原子模型(1913年)是依靠了原子光谱所提供的经验;德布罗意的物质波概念的提出(1923年),是受到了光的二象性实验的启发;玻恩对于波函数的几串解释(1926年)则是基于电子街射图像的实验现象;分子设计和新化学物质合成,.则靠的是计算化学的成果。

    另一方面,由于现代化学研究对象的日益微观化和动态化,如果“仅创造出实验方法论和发展实验技术还是会限制化学进步的“中,还应大力发展理论方法。实践表明,现代经验方法如果离开了理论方法的指导就难以发展,事实上,如果没有量子力学关于微观领城的理论,也就不可能发明核磁共振、激光拉曼光谓和微波光等现代实验手段,此外,在现代化学研究中,理论方法和经验方法的关系也更加复杂.特别是理论方法的作用更加直接,往往需要先运用理论方法加以考察,直至“猜测”到了某些化学事实,然后才以经验方法加以检验、修正和确认。例如,1911 年卢瑟福提出的原子模型,是在他进行著名的a粒子散射实验之前,通过对于原子辐射等经验事实的理论既括就已经“在头脑里t分明确了”原子模型的总的轮廓,然后才以无比精湛的实验技巧设计出了a粒子散射实验,进行了检验和证实。随着现代化学理论研究的深入发展.1978年著名化学家鲍林(L. C. Pauling, 1901~ 1994)还曾提出了种随机方法(Stochastic method),即通过猜测而获得真理的方法。可见,理论方法的作用日益重要。正如1981年诺贝尔化学奖获得者霍夫曼(R,Hoffman,1937~ )所说,依靠理论思维的方法可以“提供理论框架或逻辑结构”,并可依此“来思考问题和组织实验”:如果把化学比喻为“。 个活的生物”,则理论及理论方法就“是这个生物的一种基本神经系统",以用来“组织科学前线的信息”,并“将这种信息联结于积累起来的知识库中”。

    总之,在现代化学方法中,经验方法的运用渗透着理论方法;理论方法的应用又依靠着经验方法,两者呈现出高度综合的发展趋势。

    2.各种学科方法的综合。

    在化学研究中运用或移植其他学科的方法,早在18世纪就已经开始,到20世纪以后就更为明显和突出。综合运用各种科学方法已成为现代化学方法发展的一个重要标志。这些由移植形成的方法主要有:

    (1) 数学一化学法。

    从毕达哥拉斯,到笛卡儿,再到伽利略、牛顿,都坚信自然界的运动符合数学法则,并能用数学描述。从拉瓦锡开始,数学方法逐步进入了化学形成了数学一化学方法,即运用数学手段研究化学运动规律的方法,从而使化学研究更加定量化,精确化和理论化。拉瓦锡是运用数学化学方法的先行者,当时他就强调要把物质的量作为认识化学现象的尺度,提出了在化学研究中运用数学计算的方法。拉瓦锡经过严密定量的计算,推翻了燃素说,建立了氧化说。其后,德国化学家李希特又在1791年强调“化学是应用数学的分支”,并进一步探讨了物质化合比例的规律性,发现了化学反应过程中的当量定律。到19世纪中叶,由于化学热力学和化学动力学的建立和发展,化学研究中,不仅需要运用初等数学,而且也开始运用微积分等高等数学工具,但是当时的数学一化学方法, 主要还是侧重用于物理化学领域。20 世纪以后,用数学偏微分方程和矩阵方程建立起来的量子力学等理论,已经成为探索化学键甚至整个化学理论的重要手段,在分子设计等化学前沿中,则要求更广泛和深人地运用数学一化学方法。因此,概率论,群论、图论、泛函分析等现代数学手段已经成为现代化学发展不可缺少的工具。运用这些工具可以更好地对物质化学结构信息和性能的物理量进行处理,或根据已有经验规律进行数学抽象,建立化学结构模型,从而大大提高了化学的理论水平。特别是在20世纪60年代以后电子计算机的广为应用,已经使许多过去难以计算的多体化学问题在短时间内迅速得到解决。例如,20世纪30年代定量计算一个氢分子需要一年的时间,运用电子计算机后只要几分钟甚至几秒钟就可以完成。过去对有机盐类晶体具有高导电性的原因长期不清楚,现在把这种分子加以分离并进行光谱测试取得基本数据后,运用电子计算机进行量子化学计算,就能很快确定出它的电子云分布和电子能量谱,从而认清其高导电性的本质,等等。可以预见,在21世纪随着化学理论研究的日益抽象化和数学化,数学一化学方法必将发挥更为重要的作用。

    (2)物理一化学法。

    即用物理学的理论或方法研究化学运动规律的方法。物理一化学方法,总是试图把复杂的化学运动“还原"到较为简单的物理运动,去进行考察,从而揭示化学运动的本质。可以说至少在19世纪化学家就已经应用了这一方法。1807 年,英国化学家戴维(H. Davy, 1778~ 1829)首先利用电学手段电解制得了钾、钠和钙等轻金属。1875 年,美国化学家吉布斯(J. W. Gibbs, 1839 ~1903)又把物理学的热力学理论引进化学,定量地描绘了化学反应中物质的传递方向,开拓出了力学一物理学一化学相结合的化学热力学领城,到了20世纪以后这方法则对化学发展产生 了极为重要的影响。其主要表现在化学研究中,应用了一系列的物理手段,诸如质谱、波谱、光谱、X射线、衍射仪等仪器的广泛应用,为化学研究提供了灵敏、准确、高效的实验工具。还有在1927年海特勒(W. Heitler, 1904~ 1981)和伦敦(F. London, 1900~ 1954)两人在化学研究中,移植了物理学的量子力学理论,用薛定得方程十分满意地解析了氢分子结构,创立了量子化学和结构化学,成功地描述了分子中电子运动规律,阐明了化学键的本质,预测了分子稳定性和反应活性,揭示了化学反应中分子轨道遵循的规律等。量子化学已成了现代化学理论的重要基础之一。此外,在1969年普利高津(L Prigogine, 1917~-2003)借助于物理学的热力学原理,研究了浓度随时间变化而出现的化学振荡现象,建立了耗散结构理论,探索远离平衡的化学开放体系的非线性区从混沌走向有序的共同机制,从混沌和复杂性方面探索了化学体系的变动规律、等、总之、物理化学方法已经成为现代化学研究的重要方法。

    (3)生物一化学法。

    是以生物学的原理或手段研究化学运动规律的方法。20世纪中叶以后.随着沃森O.DWaton. 1928- )和克里克(F. H. Crick, 1916~ 2004)发现了遗传信息载体DNA的双螺旋结构,从而诞生了分子生物学,并逐步揭示了生物奥秘之后,化学家开始从生物过程的角度探索化学,并试图进行化学伤生。这种研究为在分子水平上建立生物一化学方法奠定了基础。 进入21 世纪,化学家正在运用这一方法 积极探索和模拟生物界在亿万年进化过程中所形成的一整套有关化学反应中能量转换、信息传递、物质输送等机理,使复杂的化学反应得以在常温常压等条件下准确、稳定、快速地实现,试图找到一条彻底改造化学反应过程的新途径。实际上,已取得了初步成果。1979年,中国化学家在模拟生物固氮酶作用的机制中提出了反映其活性中心的理论模型,并完成了具有定固氮活性的模型化合物,为从根本上改造固氮化学工艺过程进行了大胆探索。可以肯定,化学方法从其他学科方法移植的过程中,除借助于数学方法和物理方法外,还必将大力移植生物方法。这种方法将在开辟新的化学合成路线,彻底改造旧的化学工艺过程中发挥重大作用,将会出现一批节能、环保、高效的绿色化工厂。

    (4) 哲学一化学法。

    即运用哲学的理论或手段来研究化学运动规律的方法,这种方法将帮助化学家进行正确的理论思维,帮助化学家提出前瞻的化学思想,正确地考察化学现象,揭示化学运动本质,掌握化学概念和理论的适用界限及其相互关系等。其实,哲学一化学法早在17世纪的波义年时代就已经应用过,在19世纪中叶以后又有了迅速发展,到20世纪以后在理论化学家申达到了自觉应用的阶段。20 世纪初,卢瑟福就以其唯物主义哲学的思考.超出了研究放射现象起步较早的法国化学家皮埃尔.居里的水平。他没有像皮埃尔,居里那样以实证主义哲学的观点把放射现象仅仅归结为能量,从而发现了具有重大意义的元素蜕变规律。这,化学思想的成就促使现代化学家在碰到困难的时候常常把目光投向哲学的领域。特别是在20世纪50年代以后,一些学者已经把哲学化学方法从应用 于具体化学课题的具体研究发展到化学学术思想的研究。1952 年,美国科学哲学家托马斯.库恩(T Kouhn)用哲学的观点研究了《波义耳和十七世纪的结构化学),力图从科学哲学的角度总结出化学发展的若于规律成为研究化学术思想的范例。此后,1956年原苏联化学哲学家凯德洛夫又发表了《化学元素概念的演变)的学术著作,尝试运用唯物辩证法对化学元素概念的内面与外延的矛盾运动进行分析,成为把哲学化学 方法引向化学概念专题研究的典型。1957 年,苏联化学哲学家沙赫巴洛诺夫(M.И.ЩахлаpHоB)则进一步对化学的对象体系和发展规律等间题进行了全面、系统的哲学考察,出版了(化学管学问题钢要,将哲学化学方法延伸到化学各个领城进行全面的研究。 在20世纪下半叶,我国的哲学一化学方法也得到了 发展,其主要表现是在1961年我国学者龚育之发表了《关于自然科学发展规律的几个问题》,从哲学的高度对物质结构理论和元素周期律的发现等化学问题进化了剖析,提高了许多化学工作者对哲学化学方法的认识。在20世纪70年代,英国化学家西奥博尔德(D. w. Theobald)也运用哲学方法对化学概念、化学科学地位和化学发展历史等理论问题进行了探讨,并发表了“关于化学哲学的一些思考”文,引起了美国化学工作者的广泛关注。在20世纪80年代,我国对于哲学化学方法的应用无论在深度还是在广度 上都获得了空前发展,其主要标志是(化学哲学基础)学术专著的问世。这部巨著是以著名化学家唐敖庆、卢嘉锡和徐光宪三位先生担任主编,并吸收了全国一批主要化学哲学工作者共同完成的。该书比较全面和系统地探讨了化学哲学理论、化学发展规律和化学教育等具有战略意义的重要课题,有力地促进了我国哲学化学方法的发展。与此同时,中国学者还出版了《化学方法论)、《(化学史)、(化学思想史入《化学社会学》等一大批化学哲学著作。

    进入21 世纪初,化学哲学和化学方法的研究经过几年低潮之后,又开始复苏。因为随着化学的迅速发展,化学同各方面的关系已经越来越复杂,并更加直接地受到哲学.其他科学甚至整个社会发展的影响和制约。这就需要进一步运用哲学一 化学的方法对化学发展进行总体研究,以深入认识化学理论与化学实践、化学科学与其他科学,以及化学与生产、化学与环境、化学与哲学、化学与教育、化学与社会等相互间的关系,进步探讨化学的对象、特点、意义、体系、结构等具有普遍 意义的问题,从整体上战略上把握和运用化学发展规律,促进化学的发展。

    3. 系统方法的应用。

    20世纪40年代以后兴起的横断科学所提供的系统信息和控制的方法,其特点是把化学研究对象作为一个系统来考察,以整体、动态和信息传输及处理的角度来研究系统的整体与部分、部分与部分、系统与环境之间相互作用的规律,并试图以最佳方案解决化学研究的课题。

    这一方法与混沌和复杂性理论相结合,特别适用于复杂化学体系的研究。这种体系中包含多种化学因素,各因素彼此渗透,互为因果,且处于不断的运动状态,这类性质不明结构不清的混沌“黑箱",很难用常规的分析与综合归纳与演绎的方法去研究。运用复杂性研究的系统方法则可不局限于简单的因果关系,而侧重于考察化学反应的可能性空间及组织结构,并采取分子控制措施实现目的反应。这种方法,在微观分子层次上,体现了分析中的综合、综合中的分析、演绎中的归纳、归纳中的演绎,以及系统信息一 控制的综合化、 整体化的优势。

    在现代化学发展中,较早以信息一系统方法 考察复杂化学反应是在20世纪50年代,研究的是生命体内DNA和蛋白质的关系,以及DNA的分子结构。当时,由于信息方法的应用,使人们深人认识到DNA作为遗传信息储存的物质实体,并注意到DNA的化学本质及其作为遗传信息载体的重要功能。这就使人们有可能把研究目标逐步缩小到揭示DNA的分子结构上,从而发现了DNA的双螺旋结构、遗传信息从DNA- +RNA-蛋白质流动的“中心法则”和由有机碱基构成的三联体全部生物的遗传密码,等等。这些成就的取得,“虽然不能说信息论对某些发现起了关键作用,但至少在这一领域内的某些 工作上,已经用信息论来解决问题"了。

    中国在20世纪70年代以后,已经开始把控制一系统的方法应用到多相催化研究中,尝试建立各类催化反应的集团结构适应理论模型,先后总结出了催化加氢、催化氢化、氨氧化醇类脱水脱氢、羧酸转位等催化反应的集团结构适应模型,这些成果已在工业催化剂的研制中显示出理论指导作用。

    简要回顾化学方法发展的过程,可以看出,化学上的重大发现与发明,都是正确运用化学方法的结果,而随着化学科学的发展,将不断使原有的化学方法得到补充和完善,并不断有新的化学方法出现。即化学方法是在一定历史 条件下产生和发展的,都有一-定作用,又都有一定的局限性。这就需要在化学的研究和探索中运用不同的方法相互补充和配合,在不同的侧面运用不同的方法进行综合的、整体的、全面的考察,以不断改善实现化学研究目标的可能途径。

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