化學(xué)經(jīng)驗方法階段
化學(xué)先生 / 2019-08-07
從16世紀(jì)中葉起,科學(xué)逐步從宗教神學(xué)的羈絆中解脫出來,進(jìn)入到近代科學(xué)發(fā)展的新階段。到了17世紀(jì)中葉化學(xué)也終于從自然哲學(xué)、煉金術(shù)原始醫(yī)學(xué)中擺脫出來,成為獨立的化學(xué)科學(xué)。同時，化學(xué)方法也從準(zhǔn)實驗的煉金方法過渡到了以科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的近代經(jīng)驗方法階段。
1.科學(xué)方法論的產(chǎn)生。
近代化學(xué)方法論的產(chǎn)生是化學(xué)不斷發(fā)展的需要，也是社會發(fā)展包括哲學(xué)發(fā)展和整個科學(xué)發(fā)展的結(jié)果。
化學(xué)誕生之初,其主要任務(wù)是“搜集材料”,對物質(zhì)及其性質(zhì)進(jìn)行分門別類的研究。這就需要運用化學(xué)實驗手段對物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)地分解或分析，需要建立化學(xué)實驗、化學(xué)分析方法。與此同時，資本主義生產(chǎn)的大發(fā)展迫切需要了解物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性能這就推動著化學(xué)逐漸成為“真正有系統(tǒng)的實驗科學(xué)”。
1620年,英國唯物主義哲學(xué)家弗，培根發(fā)表了著名的《新工具》一書，以示同亞里士多德的舊(工具論》不同，并第一個從哲學(xué)和邏輯學(xué)的高度論述了科學(xué)實驗方法,從而使他成為整個現(xiàn)代實驗科學(xué)的真正始祖。但是，他只限于在哲學(xué)認(rèn)識論領(lǐng)域的論述,還未能在科學(xué)實踐中付諸實行。他只提供了一個科學(xué)方法論的思想綱領(lǐng)。在他的《新工具)中，他還忽視了演繹的作用,過多強(qiáng)調(diào)了經(jīng)驗性的實驗歸納。同時代的意大利物理學(xué)家伽利略(G. Galilei, 1564~ 1642)是科學(xué)方法論的大師，他首先在科學(xué)研究中應(yīng)用了實驗方法，并把實驗歸納和數(shù)學(xué)演繹統(tǒng)起來，以精巧的實驗設(shè)計推翻了亞里士多德的力學(xué)體系，建立了一系列物體運動定律，在自然科學(xué)中奠定了科學(xué)方法論的基礎(chǔ),并成為自哥白尼向宗教神學(xué)提出挑戰(zhàn)以來的第一個用科學(xué)實驗方法駁倒宗教神學(xué)理論基礎(chǔ)的科學(xué)家，伽利略才是真正的“經(jīng)驗科學(xué)之父”。元P此后，物理學(xué)家牛頓(L. Newton,1642~1727)又在伽利略工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確了實驗方法。牛頓首先把數(shù)學(xué)方法與實驗方法聯(lián)系起來，當(dāng)數(shù)學(xué)方法不夠用時，他還創(chuàng)立微積分,發(fā)展數(shù)學(xué)方法。他以實驗歸納和邏輯演繹的方法建立了牛頓運動定律和萬有引力定律，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)體系，并在科學(xué)史上第-次描繪了自然界幅完整的機(jī)械觀圖景，完成了科學(xué)上劃時代的大總結(jié)、大綜合.①人的思想是復(fù)雜的,對牛頓生平和事業(yè)的研究表明:他曾進(jìn)行過長達(dá)三十年之久的煉金活動，其內(nèi)容除了研究物質(zhì)的“生命和生長”以及“上帝的支配和庇佑”等煉金理論外，更重要的是研究了物質(zhì)粒子的“內(nèi)
聚力和活性”，及其相互轉(zhuǎn)化的“同根性”或“統(tǒng)一性”。牛頓試圖補(bǔ)充古代原子論的“不足之處”,，達(dá)到“用煉金理論修改其機(jī)械論哲學(xué)“的目的。當(dāng)然.由于煉金術(shù)本身的國有缺陷，他不可能取得什么突出的建樹，然而這種研究，在一-定程度上推動了物質(zhì)理論的發(fā)展進(jìn)度，促進(jìn)了化學(xué)準(zhǔn)實驗方法向間科學(xué)實驗方法的過渡。
弗.培根、伽利略和牛頓等先驅(qū)者在哲學(xué)良好的理論基礎(chǔ)。從公元前580年生和科學(xué)學(xué)實驗的劃時代貢獻(xiàn)，為近代化學(xué)方法奠定”用數(shù)學(xué)描述物理世界的方法,經(jīng)歷在古希臘薩摩斯島的畢達(dá)哥拉斯，到牛頓完成了2230多年，人類終于獲得了清晰明確的科學(xué)方法。
2.定性的實驗歸納法。
17世紀(jì)的英國化學(xué)家波義耳(R. Boyle,,1627~ 1691)作為實驗歸納法的倡導(dǎo)者，他接受了他的同胞弗.培根的新哲學(xué)思想，主張“拋棄代傳統(tǒng)的思辨方法”②，強(qiáng)調(diào)“實驗決定切”認(rèn)為化學(xué)應(yīng)該用實驗方法面不是用空談來建 立自己的理論，只有這樣才能使化學(xué)像天文學(xué)和物理學(xué)樣成為真正的科學(xué)。 為此，他把當(dāng)時的定性分析實驗歸納成一個系統(tǒng)，創(chuàng)立了分析化學(xué)和定性實驗歸納法，并首先建立了科學(xué)的元素概念,進(jìn)而確立了近代化學(xué)科學(xué)。這樣也就使得化學(xué)方法從準(zhǔn)實驗方法發(fā)展到以定性實驗歸納法為特色的經(jīng)驗方法階段。這種方法的主要特征是:
(1)具有明確的科學(xué)目的。
運用化學(xué)實驗方法的目的不在于追求“點石成金”之類的夢想，而在于收集所觀察到的化學(xué)事實，認(rèn)識物質(zhì)的化學(xué)本性。正如波義耳所說，是為了探索宇宙奧秘和追求真理,并以自己的實驗和觀察來使化學(xué)認(rèn)識臻于完善。因此，它既不同于煉金術(shù)的荒誕目的，也不同于醫(yī)藥化學(xué)的實用目的，而具有鮮明的科學(xué)研究性質(zhì)。分切(2)定性分析的性質(zhì)。
早期的化學(xué)運用實驗方法的主要任務(wù)在于認(rèn)識物質(zhì)的組成是什么。正如波義耳所說，要審查一個貨幣就要知道它是用什么金屬鑄成的。認(rèn)識了物質(zhì)組成就能對物質(zhì)加以鑒別,便于進(jìn)行分門別類的研究和搜集化學(xué)材料。因此，早期的化學(xué)實驗方法就帶有明顯的定性分析的特征。波義耳之所以能夠否定亞里士多德的“四元素”說和醫(yī)藥化學(xué)家的“三要素”說，建立起科學(xué)的元素慨念，也主要是應(yīng)用定性分析的結(jié)果。此外，波義耳還在一定程度上用化學(xué)試劑來補(bǔ)充或取代了火。波義耳的試劑方法被認(rèn)為是"萬能的"或唯一的分解工具，試劑方法提高了定性分析應(yīng)用的廣度和深度,開拓了分析化學(xué)的新領(lǐng)域。
(3)一定的理性因素。
雖然定性分析方法強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗事實的歸納，然而也在一定程度上注意了理性的概括。正如波義耳那樣.注重經(jīng)驗歸納而反對把理性認(rèn)識放在高于一切的位置上，也反對唯理論者認(rèn)為只有理性才能提供確切明晰的認(rèn)識基礎(chǔ)，但是并不排除理性的先期指導(dǎo)意義。例如,波義耳在關(guān)于元素的經(jīng)驗事實的基礎(chǔ)上提出了微粒學(xué)說和微粒哲學(xué),這種理性認(rèn)識能夠用以解釋元素的構(gòu)成和元素的多樣性，從而可以把元素說和原子論結(jié)合起來,形成了近代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的雛形。顯然,波義耳實際上也在一定程度上吸收了笛卡爾的演繹法。波義耳是第一一個把培根、笛卡兒的方法論引進(jìn)化學(xué)領(lǐng)城的化學(xué)家，他不僅是把化學(xué)確定為科學(xué)的人，還是近代化學(xué)方法論的奠基人。張總之，在化學(xué)研究 早期出現(xiàn)的化學(xué)方法與煉金術(shù)方法相比是一個飛躍，是近代化學(xué)成為獨立學(xué)科的不可缺少的工具。但若從實驗方法不斷發(fā)展的全部過程來看，還是處于比較低級的水平。主要表現(xiàn)在對早期的分析實驗與理性的認(rèn) 識還沒有足夠的重視，仍殘留著思辨的痕跡。波義耳的思想還僅限于元素概念等問題的探討，而“并不準(zhǔn)備提出一一套完整的理論"，以“代替被擯棄的煉丹和制藥舊理論”;對于元素微粒的認(rèn)識,他在并無確切事實依據(jù)的情況下就思辨地以為只有形態(tài)、大小和運動的特征而無重量的性質(zhì)，以致使他的“粒子”假說“只能停留在非物質(zhì)的世界"中，成為一個純屬“想象的果實”.未能在化學(xué)中產(chǎn)生更大的影響。
此外,波義耳時代對于物質(zhì)的定性分析還比較粗糙,波義耳本人也還不能區(qū)分出究竟什么是元素什么是復(fù)雜物質(zhì)，以致仍然把火、氣、水都視為元素。實際上使化學(xué)家對于元素的認(rèn)識依然停留在概念的水平上。售街縣的米 ε5
早期的化學(xué)對于物質(zhì)的量的分析未引起足夠的重視。盡管波義耳也使用過天平，也“要求對化學(xué)變化作定量研究" ,然而由于操作上還達(dá)不到規(guī)范，以致在金屬煅燒的定量實驗中竟然得出了存在“火粒子”的錯誤結(jié)論,這一-結(jié)論為后來的錯誤的燃素說的出現(xiàn)埋下了種子。同時，也由于當(dāng)時化學(xué)“搜集材料”的任務(wù)，化學(xué)家多為千變?nèi)f化的不同質(zhì)的現(xiàn)象所吸引，而無暇更多顧及量的考察，致使他們中的大多數(shù)忽視了定量分析的必要性，以致后來燃素學(xué)說的創(chuàng)始人斯塔爾竟然表示對于量的考察“不屑一顧”。這就使得錯誤的燃素學(xué)說統(tǒng)治化學(xué)理論達(dá)80年之久，直到拉瓦錫嚴(yán)格的定量實驗歸納法出現(xiàn)。
3.定量的實驗歸納法。
18世紀(jì)法國化學(xué)家拉瓦錫(A. L. Lavoisier,1743~ 1794)作為創(chuàng)立定量實驗歸納法的代表,同波義耳樣也繼承了弗?培根的實驗論，強(qiáng)調(diào)“除了通過實驗和觀察的自然道路去尋求真理之外，別無他途”。但是他又與波義耳不同，特別強(qiáng)調(diào)了實驗中的定量性，認(rèn)為“必須用天平進(jìn)行測定來確定真理”，并以精密的規(guī)范操作實踐檢驗傳統(tǒng)理論。拉瓦錫的杰出研究,最終推翻了燃素學(xué)說的統(tǒng)治，實現(xiàn)了一場深刻的化學(xué)革命。
拉瓦錫時期的化學(xué)方法主要有以下幾個特征:
(1)從定性到定量。
運用實驗方法不僅要測出物質(zhì)的量的多少，而且還要更進(jìn)一步地通過物質(zhì)的量來確立物質(zhì)的質(zhì)。15年英國化學(xué)家布拉克(，Blck. 1728 ~ 1799就是根據(jù)煅燒石灰石失去44%的重量而確認(rèn)了“固定空氣”即二氧化碳的存在，從而完成了一個重要發(fā)現(xiàn)。拉瓦錫由此深受啟發(fā)，他進(jìn)一步明確了L以量求質(zhì)的手段，并用以檢驗傳統(tǒng)的燃素學(xué)說。他指出“假若有燃素這樣的東西，我們就要把它提取出來看看，假若的確有的話,在我的天平上- -定能夠覺察出來。，"中依此他終于否定了燃素的存在，推翻了燃素學(xué)說。因此拉瓦錫被譽(yù)為“明確提出把量作為衡量尺度對化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行實驗證明的第個化學(xué)家四。由于拉瓦錫對化學(xué)的定量研究，創(chuàng)立了科學(xué)的燃燒理論,推翻了統(tǒng)治化學(xué)界80年之久的“燃素說" ,拉瓦錫本人也成了法國的科學(xué)之星，但好景不長，1789年法國爆發(fā)革命，1793年9月10日.警察搜查了拉瓦錫的住宅，指責(zé)他在“造幣廣和包稅公司"工作是反革命。拉瓦錫在11月24日被捕，1794年5月8日被殺害，時年51歲，法國人自己殺害了他們民族的科學(xué)花朵。后來,他雖然被平反昭雪,但人死不能復(fù)生,拉瓦錫的銅像只能無聲地訴說歷史。從方法論的角度看，拉瓦錫是定量化學(xué)的先導(dǎo)，也是定量方法的開拓者?？梢姡瘜W(xué)方法從定性到定量的發(fā)展是近代化學(xué)發(fā)展日臻成熟的表現(xiàn)，也是化學(xué)方法和數(shù)學(xué)方法結(jié)合的開端，從而成為這一時期化學(xué)方法的重要特征。實際上，中國古代化學(xué)化工的經(jīng)驗方法比西方古老,成就也很多。例如，陶器和瓷器的燒制，秦兵馬俑的陶俑，身高1.8米的兵俑,高1.7米、長2.3米的馬俑，身軀碩大，燒制困難，現(xiàn)已成為公認(rèn)的世界奇跡;唐代的陶瓷就更有名了，如“唐三彩馬”,還出現(xiàn)了“薄如紙、白如玉、明如鏡、聲如罄”的高品質(zhì)瓷器，應(yīng)當(dāng)公正地說:中國陶瓷,世界第一。這此都是經(jīng)驗方法創(chuàng)造的偉大化工成就。
(2)追求嚴(yán)密和精確。
拉瓦錫時代的定 量分析方法較波義耳時代更為成熟，具有較高的嚴(yán)密性，已經(jīng)成為檢驗化學(xué)真理的有效武器。1774 年,拉瓦錫正是依靠了嚴(yán)密的定量實驗方法否定了1674年波義耳煅燒金屬實驗關(guān)子“火粒子”存在的錯誤結(jié)論。此外,拉瓦錫在1769年能夠推翻傳統(tǒng)的“水能夠轉(zhuǎn)化為土”的觀念,1787年確定質(zhì)量守恒定律等，也都是運用了較為嚴(yán)密的定量實驗方法的結(jié)果?？傊?，拉瓦錫時代追求嚴(yán)密和精確，并采用數(shù)學(xué)計算研究化學(xué)現(xiàn)象和過程,使化學(xué)方法有了很大進(jìn)步。
(3)理論的概括性。
拉瓦錫時代的化學(xué)方法雖尚屬經(jīng)驗性質(zhì)，然而已較定性實驗歸納時期的方法有較強(qiáng)的理論概括性。特別是在建立氧化理論、推翻燃素學(xué)說的革命過程中更是如此。拉瓦錫在實驗基礎(chǔ)上運用概括的思維方法把從若干個燃燒反應(yīng)中所抽取出的氧化的本質(zhì)屬性，推廣到所有燃燒反應(yīng)過程，從而形成了具有普遍意義的氧化燃燒理論,提出了一個“乍看起來本是無論如何也無法與我們的感官直接見到并協(xié)調(diào)起來”的學(xué)說。顯然,正是由于運用了抽象概括的思維方法，才有可能揭示出這一隱蔽在現(xiàn)象背后的燃燒本質(zhì)。正如柏廷頓所說,這是“通過嚴(yán)格的合乎邏輯的步驟”的結(jié)果，而拉瓦錫由此也成了一位善于“編排和組織"的化學(xué)上的“偉大的建筑師”中。
但是,這一時期的化學(xué)方法仍比較忽視假說和演繹的理論思維作用，過分強(qiáng)調(diào)“知識不能超出經(jīng)驗范圍”，因此，化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展就需要推動化學(xué)方法從經(jīng)驗方法階段過渡到理論方法階段。
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