元素在化學(xué)中的地位作用
實驗室k / 2019-04-22
化學(xué)家的技藝就是管理分子以發(fā)生想要的反應(yīng)。因此，只要這些抽象實體可以作為有用的研究工具，我們就可以借助元素思考化學(xué)。元素具有兩層不同含義的操作性。首先，元素經(jīng)典意義上的操作性，即拉瓦錫的著名元素定義。拉瓦錫把元素定義為“通過任意分解手段把實物還原成的所有物質(zhì)。我們無權(quán)斷言這些我們認(rèn)為的簡單物質(zhì)不是由兩種元素，甚至是更多要素組成的化合物，但是，如果我們不能分離或者更可能至此為止尚未發(fā)現(xiàn)可以分離它們的方法，那么對于我們而言，它們就是以簡單物質(zhì)方式發(fā)揮作用的……”
拉瓦錫使用“對于我們而言”和“我們”這樣的限定傳遞了元素這個概念的相對性，它取決于任何給定時間化學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)有的分析技術(shù)。這意味著當(dāng)前所列出的一系列元素不僅是暫時性的，而且取決于當(dāng)前有限的分析實驗技術(shù)。這就允許隨著相關(guān)技術(shù)的改變，元素的本質(zhì)也可能會發(fā)生變化。它們不再被設(shè)想為自然的終極建造模塊，而是與實驗操作緊密相關(guān)。這是元素的第一層操作含義，它不是為了找出研究對象的本質(zhì)，而是為了找到可以得到該研究對象的操作（反應(yīng)）。
一個概念還可以從另外含義的操作性去理解。比如用一個實體可執(zhí)行的操作來定義該實體。拉瓦錫提及的“對于我們而言它們的作用方式是簡單物質(zhì)”時采用的就是這種另外含義的操作性。對于化學(xué)家拉瓦錫來說重要的是，在化學(xué)操作中元素是化學(xué)參與者（反應(yīng)物），所以在與其他化學(xué)參與者的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中它們的表現(xiàn)和反應(yīng)才是界定一個元素的因素。元素第二層含義的操作性比第一層含義更加基礎(chǔ)，在拉瓦錫引入明顯屬于實用主義的元素定義之前就已經(jīng)成為化學(xué)的特征。
早在18世紀(jì)或者之前，化學(xué)家們就已經(jīng)形成了通過物質(zhì)能夠做什么來鑒別物質(zhì)的習(xí)慣。所以，威廉·洪貝格（William Homberg）在1703年發(fā)表的《論普通硫的分析》（Essay on the Analysis of Common Sulphur）一文中表示，從硫分解衍生而來的酸與硫酸是完全相同的東西，正是因為這個“硫本質(zhì)”能夠做與硫酸同樣的事情，反過來也成立。按照這個邏輯，傳統(tǒng)四元素可以從它們對其他實體的作用上進行重新界定，這種作用理解為化學(xué)家可以實現(xiàn)的各種作用，就像是大自然的作用一樣。赫爾曼·布爾哈弗（Hermann Boerhaave）將四元素明確表述為化學(xué)的工具：不管利用何種技藝去改變一個實體，人們都可以把這種能夠通過施以某種作用而發(fā)生改變的事物稱為一種工具，而這種作用則能夠產(chǎn)生想要的改變。紀(jì)堯姆·弗朗索瓦·魯埃勒（Guillaume－Frangois Rouelle）和他的學(xué)生把元素看作是“天然工具”，而且在緒論部分將它們與用于實施反應(yīng)的人工工具比如玻璃和陶瓷容器等一并作了介紹。所以，所有的實體都被化學(xué)家“工具化”，他們不僅把鹽看作工具，面且甚至把親和力本身也當(dāng)作可以應(yīng)用的工具。從這個角度看，大自然成為了一個巨大的實驗室，就像是化學(xué)家們自己的實驗室一樣，是一個讓實體產(chǎn)生作用的場所。的確，拉里·霍姆斯（Larry Hames）敏銳指出，18世紀(jì)化學(xué)家們總是用”操作”一詞來形容我們今天所指的“反應(yīng)”。元素是戲劇的演員，“戲劇”這個詞同時指大自然操作的化學(xué)工作和化學(xué)家操作的化學(xué)工作。
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把大自然變成一個可與天然物質(zhì)合作的操作舞臺，18世紀(jì)化學(xué)家們再一次模糊了技藝和自然之間的界限。所以，當(dāng)化學(xué)家們把自然比喻為天然劇場時其含義與方特納爾所說的劇場是不一樣的。對于方特納爾，知識淵博的自然哲學(xué)家通過展示機械設(shè)備或者說操作舞臺背后隱藏的機件功能來揭露舞臺現(xiàn)場效果——只是蒙蔽不知情者——背后的機制。對于物理學(xué)家來說，現(xiàn)實隱藏在舞臺上的可見表演背后。而對于化學(xué)家來說，劇場不僅為一眾演員提供表演舞臺，而且也為他們的不斷互動提供空間。物理學(xué)家和化學(xué)家視角的差異反映了不同的物質(zhì)研究方法，化學(xué)家不會把物質(zhì)世界看作是一個虛幻的現(xiàn)象奇觀，也不會把自己看作是被動的觀眾。世界是它自己的樣子，復(fù)雜而相互關(guān)聯(lián)，化學(xué)家關(guān)注世界是想了解可能性和不可能性。最后，也是最具爭議性的，化學(xué)家的主要目標(biāo)不是提供對真正世界現(xiàn)實的表述。
雖然18世紀(jì)的化學(xué)家們尤其奉行用實體的作用來界定實體，然而這種作法絕非僅限于這個時期。我們從勞倫特的例子中已經(jīng)看到，19世紀(jì)的原子論者為何不把分子結(jié)構(gòu)構(gòu)想為自然元素構(gòu)建模塊的相互關(guān)聯(lián)，而是構(gòu)想為可以參與加成或者取代反應(yīng)的化學(xué)制劑的相互關(guān)聯(lián)。這種思維方式說明，勞倫特選擇的是根據(jù)元素的功能來對它們進行分類。所以，盡管氯和氫在性質(zhì)上有顯著差異，但是勞倫特還是把它們放在一起，就是因為它們可以在取代反應(yīng)中進行互換。氫和氯在很多有機化合物中表現(xiàn)相同的功能，所以可以認(rèn)為在有機化學(xué)的舞臺中它們是可以互換的演員。事實上，功能的概念正是在有機化學(xué)中才得以展現(xiàn)其全部的啟發(fā)力量，進面產(chǎn)生一種高效的創(chuàng)新性的化合物分組和思考方式。圍繞著600萬個有機化合物，如果不是按照大約20種官能團，比如酸、醇、醛和酮等來進行歸類，那么化學(xué)家還可以想出怎樣的分類方法呢？
以化學(xué)個體和種類的功能定義為背景的化學(xué)命名規(guī)則，其演化過程非常具有指導(dǎo)意義。由此看來，拉瓦錫及其同僚們所擁護的化學(xué)命名的改革在現(xiàn)代化學(xué)中看上去更像是一段小插曲面不屬于主要劇情。蓋頓·得·莫爾沃·拉瓦錫、貝托萊和富科魯瓦在1787年的《化學(xué)命名法》（Method of Chemical Nomenclature）中介紹的新化學(xué)命名法基于的原則是，化合物的名稱應(yīng)該代表其構(gòu)成元素及其相對比例。這個原則形成了我們當(dāng)前化合物命名系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以，這種在我們看來很顯然的命名系統(tǒng)很容易讓我們拒絕或者至少忘掉在它之前出現(xiàn)的命名體系?！痘瘜W(xué)命名法》改革之前，許多化合物以及元素都有普通或者說通俗的叫法，從這些叫法中人們往往能了解它們在制藥或者其他化學(xué)藝術(shù)中的用途。例如，“英國通便鹽”在命名改革后變?yōu)?rdquo;硫酸鎂”，和許多化學(xué)品一樣名字中含有起源地的“西班牙蘇打”被通用名“碳酸鈉”代替。
許多藥師和化學(xué)技師對這種新化學(xué)語言表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)臒崆椋馕吨麄兎艞壛吮砻魑镔|(zhì)功能或者起源地的老名稱，而會采納只表明化合物的所謂元素組成而不表明其用途的那些名稱。新的化合物命名法旨在忠實地表達物質(zhì)的組成，既是為了哲學(xué)理想又是為了更有助于學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)。拉瓦錫在介紹命名方法時表達了他們的哲學(xué)思想：
化學(xué)命名法的完善……在于使概念和事實準(zhǔn)確無誤，不壓制任何它們要呈現(xiàn)的東西，更不會增加任何東西。它應(yīng)該只是事實的忠實寫照，我們經(jīng)常說，背叛我們的從來不是大自然母親或者事實，而常常是我們的推理。
名稱應(yīng)該代表一個分子中元素的含量這一原則是官方命名的像障，而結(jié)構(gòu)式的興起則表示化學(xué)家們已然明白，構(gòu)成元素的單純相互連接已經(jīng)不足以解釋化合物的本質(zhì)。比如，許多有機化合物具有相同的元素構(gòu)成比例，但是卻擁有完全不同的性質(zhì)。此外，當(dāng)19世紀(jì)第一個分子結(jié)構(gòu)示意圖出現(xiàn)的時候，其目的較少用于表示分子的真實結(jié)構(gòu)，更多的用于歸類已有分子結(jié)構(gòu)并預(yù)測新結(jié)構(gòu)的存在?？梢杂枚蛐堇?middot;克萊因發(fā)明的用于討論化學(xué)中”表示”與”“實際”之間關(guān)系的詞——“紙上研究工具”——來表達分子式的作用。與19世紀(jì)威廉·霍夫曼用小球和木棍制作的分子模型一樣，這些分子式也可以被打破、操縱和取代?；瘜W(xué)家可以利用分子式這個表述來想象或者更準(zhǔn)確地說構(gòu)想一個化合物的不同異構(gòu)體，這些異構(gòu)體可以通過取代雙鍵或者通過其他一些轉(zhuǎn)變來獲得。由此我們想起了由范特霍夫推出并開創(chuàng)三維分子式新時代的碳四面體結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)構(gòu)想合理解釋了為何實驗中取代烷烴實際存在的異構(gòu)體數(shù)目少于從烷烴平面結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出的異構(gòu)體數(shù)目。不管是平面結(jié)構(gòu)還是三維結(jié)構(gòu)，這類化學(xué)分子式的首要用途并不是為了表示分子的真實結(jié)構(gòu)，而是為了預(yù)測分子的行為和幫助建造新的分子。因而，至少在有機化學(xué)中，化合物名稱所表達的更多地是化學(xué)家如何認(rèn)識分子的問題，尤其是，化學(xué)家們能給予它們何種用途或者希望從中獲得什么有用的性能，而較少表達分子的固有本質(zhì)問題。
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