化学方法的演化

自从威克里布（Wiegleb ）1790年出版了《化学兴起及发现史》①以后的200
多年来，化学史的研究已经取得了相当广泛和深入的进展。但是，与此不相称的
是，有关化学方法历史研究却很少有人做过比较深入的探讨。这不能不说是一个
不足。

化学方法是化学研究的不可缺少的工具。化学家掌握化学方法的程度，反映
了他的化学智慧和创造能力的水平。化学方法的历史是化学方法演化规律的体现，
是从科学方法论的高度对化学科学整体历史的深刻概括。因此，考察化学方法的
历史，将会有助于化学家更好地掌握化学方法，有效地开展化学研究；有助于更
深刻地揭示化学史实背后的宝贵启示，直接地为化学现实研究服务。同时，也还
可开拓出一条化学史研究的新的途径。

我们认为，化学方法的历史是经历了思辨方法→准实验方法→经验方法→理
论方法→综合方法等五个发展阶段构成的。

一、思辨方法阶段

主要是指公元前2 世纪以前的古代化学方法发展阶段。这一时期化学的基础
虽然是以火提供的高温条件实现的制陶、冶铜和炼铁等实用化学工艺，然而真正
能够反映当时化学理论认识水平的成果还是自然哲学家们提出的物质理论，特别
是元素说和原子论。

自然哲学家提出这些理论时，虽然也运用了原始的观察、类比和逻辑等方法，
然而就其实质来说，根本上还是一种思辨的方法，即在人类感官所获得的尚不充
分的事实基础上进行构思和臆测的方法。应当说，无论是中国的五行说，还是恩
培多克勒的四元素说，或是留基伯的原子论，都是思辨方法的产物。古代自然哲
学家在尚不具备科学实验的条件下企图说明物质的组成和结构等本质问题，也就
只能运用这种方法去实现。

思辨方法所依据的事实尽管还不够充分，并带有一定的主观随意性，但是它
毕竟是使人们的认识超出了经验水平，达到了一个准理性认识的高度，并得到了
一些朴素的含有合理成分的结论，从而对近代化学理论的形成发挥了重要作用。

当然，它所得到的结论还是笼统的、模糊的，特别是还未能依靠科学实验在
细节上得到证明。因此，思辨方法还只是一种处于萌芽形态的化学方法，还需要
向以科学实验为基础的科学方法过渡。

二、准实验方法阶段

主要是指从公元前2 世纪到公元后15世纪的炼金术时期的化学方法发展阶段。

炼金术虽然是一种具有浓厚神秘色彩的化学活动，然而也是化学发展中的一
大进步。因为炼金家不同于自然哲学家，他们不是崇尚思辨，而是热衷于化学实
际操作，从而能够突破猜测的、狭隘的思辨方法的局限，完成了一些化学发现，
取得了许多并非神秘的实际的科学成果，为近代化学的诞生创造了条件。因此，
炼金家的方法尽管还夹杂着许多神秘的以至巫术的成分，然而就其主导方面来看，
应该说是一种接近于化学实验性质的方法。当然还不能算作是一种科学的化学实
验方法。其主要原因有三：（1 ）实验目的的虚幻性。期望用化学操作实现金属
嬗变或制得“长生不老”之药；（2 ）理论的神秘性。乞求于万能的“哲人石”
或“万物有灵论”；（3 ）方法的幼稚性。认为会“服金者寿如金，服玉者寿如
玉”，原因在于“盖假求于外以自坚固”①，等等。因此，炼金家的方法只是一
种尚不具备科学目标、科学理论和科学方法论的“实验方法”，是一种准实验方
法或类实验方法。它还需要向科学的实验方法方面转化。

三、经验方法阶段

主要是指16世纪到18世纪期间的化学方法发展阶段。这一时期化学的主要任
务是“搜集材料”，对物质及其性质进行分门别类的研究。这就需要运用化学实
验手段对物质进行分解或分析，建立科学的化学实验方法。波义耳和拉瓦锡作为
这一时期的两个代表人物，他们从哲学上接受了弗。培根倡导的“新工具”的思
想，从科学上移植了伽利略和牛顿的实验方法，先后建立了定性和定量的化学实
验的方法，为化学的发展提供了有效的科学工具。化学家不仅依此获得了大量经
验知识，而且还进一步概括和提升出了科学的元素概念和燃烧理论，确立了科学
的近代化学，并实现了一场深刻的化学革命。

这一时期化学方法的主要特征是：（1 ）具有明确的科学目的性，即不在于
追求“点石成金”之类的虚幻梦想，而在于“揭示宇宙之奥秘”②，发展化学科
学；（2 ）具有较高的科学严密性，能够“以量求质”，以致否定了“火素”或
“燃素”的存在，推翻了错误的学说，成为检验化学真理的尺度；（3 ）具有较
强的经验性。当时的化学家尽管已经在一定程度上注意到经验的上升和理论的概
括，并已得到了卓有成效的成果，然而就其主导方面说来，他们还是比较强调
“实验决定一切”和“知识不能超出经验范围”，比较重于实验归纳而轻于理论
推演，主要还是一种偏于实验的经验方法。长此下去就会限制人们对于化学运动
深层本质的认识。因此，化学的进一步发展，就需要推动化学方法从经验方法阶
段向理论方法阶段过渡。

四、理论方法阶段

主要是指进入19世纪后的化学方法发展阶段。这一时期化学的主要任务是
“整理材料”，对波义耳以后百年来积累的丰富的经验加以概括，建立近代化学
理论基础。在这种形势下，经验方法已不敷应用而退居到次要地位，理论方法则
上升到主要地位。具体表现在抽象、演绎、假说、比较和非逻辑思维等理论方法
比过去任何时期都发挥了日益重要的作用。

1.抽象法

在近代原子论的建立过程中起到了决定性的作用。当时对于尚“不可见”的
原子是无法用经验方法感知的，而只能依靠概念、判断、推理、运用科学抽象方
法去把握，并从一系列定量经验定律所反映的事实中抽象出共同本质——原子，
从而确立了这一划时代的伟大理论。

2.演绎法

道尔顿运用这一方法推出了倍比定律。他在形成原子论的思想以后，依照化
学反应是“一定重量的原子”重新组合的观点，合乎逻辑地推知了倍比定律的存
在，然后才以定量分析氮的氧化物组成等实验加以证实。这里，演绎法发挥了主
导作用。

3.假说法

分子学说的提出是这一方法应用的典范。当时原子论和“体积简比”定律正
处于尖锐的矛盾状态。由于涉及到了尚无法观察到的原子和分子，只靠经验方法
就不中用了，而需要根据已知事实，运用假说方法对未知分子的存在提出假定。

这样才可能建立起统一的原子分子论。

4.比较法

在元素周期律的建立过程中发挥了重要作用。门捷列夫研究的特点是，不仅
在于对元素进行了个别考察，而且更在于对元素进行了总体的比较研究，从而发
现了元素差别中的同一，找到了原子量这一决定元素性质的共性，完成了这一重
大发现。所以他强调，重要的是“需要比较的方法”。①

5.非逻辑思维方法

随着化学研究深入到微观领域就日益需要运用这种方法。例如凯库勒对于有
机物碳链结构和苯结构的研究，就是在经过长期探索之后，百思而不得其解时偶
然做了梦②而导致解决的。显然，这不是经验方法，也不是逻辑方法的产物，而
是思想顿悟或灵感的结果，是通过非逻辑的渠道取得的成功。

可以看出，19世纪的理论方法已在化学方法中居于主导地位，化学依靠它建
立了一系列化学基本理论，为化学向现代阶段过渡奠定了理论基础。

但是，同时也应当看到，在理论方法发展的同时，经验方法也在进一步发展，
而且构成了理论方法发展的坚实基础。以19世纪有机化学方法的发展来说，当时
有机化学家面对庞大数量的有机物，他们就主张在从事较大范围的理论概括之前，
必须积累纯属事实的大量材料。为此，他们发展了化学实验方法，把实验分析法
推进到实验合成法。这既使有机分析方法不断完善，又开创了崭新而富有成效的
有机合成方法。他们在从事理论概括时，擅长于凭借化学经验取得对化学事实的
直观的理解，并能卓有成效地运用那种不注重定量方法的逻辑推理，而得到基本
正确的理论结果。近代有机化学家们正是用了这种富有特色的化学方法（可以称
之谓“有机化学方法”）建立起了近代化学结构理论；其决定性步骤是由若干著
名化学家（如维勒、李比希、弗兰克兰、凯库勒、布特列洛夫等）所采取的，并
为一大批化学家所追随，终于形成能左右19世纪化学前进方向的一股新潮流。这
种有机化学方法是直观的、基于大量化学经验方法之上的方法。它能赋予化学家、
尤其是有机化学家以一种特有的科学素质——称之谓“化学上的直觉”。依靠这
种“化学直觉”，化学家用了化学转变的逻辑就能想象或预感原子在空间中的复
杂的构型，并确实制成了具有这种构型的物质。这样，他们就用合成法证实了以
前用分析法所确认的事实。进而，在理论与实践的结合上开始把握住了对有机物
性质和结构关系的认识。但是随着化学走进越来越广的理论领域，这种传统的近
代化学方法的局限性亦就日益暴露出来。人们发现它并不适用化学研究领域的全
部，特别是在无机化学方面。在这方面，人们的兴趣开始从元素化合物的实在成
分转移到它们彼此间的反应方式、能量的影响以及溶液、结晶、电解等问题上去。

而正是从这些引人关注和感兴趣的问题上生长出了化学的一个新的分支学科
——物理化学。

物理化学的崛起对近代化学方法是一次冲击，它比较集中地暴露出了近代化
学家在研究方法上的下列局限性：①

（1 ）比较强调有机化学的非定量推理方法而忽视数学方法的广泛运用。而
广泛运用数学方法却是物理学科的显著特征和物理学家行之有效的辅助思维工具。

（2 ）注重具体物质（实物）的研究，而不注重在理想条件下对物质一般规
律性的研究；而物理学家不同，他们往往力图把具体物质抽象为理想气体、固体
和液体，然后加以研究。因为在物理状态下物质的特性及其规律更具有普遍性。

人们通过理想途径（即理想化方法）抽提出科学的概念和模型，有助于更深
刻地认识和把握客观事物及其过程的本质。

（3 ）偏重化学反应过程中的物质量的变化及其规律的认识，忽视了与之紧
密相关的能量变化及其规律的研究。这是跟化学家比较缺乏“能量”观念或不太
注意物理学的发现有关。

（4 ）对化学亲合力的思考与理解比较狭隘，侧重于静态、局部，强调吸引
因素。这比较典型地反映在有机化学家的认识上。他们认为化学亲合力仅仅是原
子间的价键概念；而物理学家们则认为是化学反应过程中的统计概念（热力学意
义上），他们对化学亲合力的思考与理解比较开阔，侧重于动态、整体，同时兼
及排斥因素的考虑。

（5 ）特别重视和推崇基于化学实验的经验归纳法，而不太重视和不善于运
用演绎法。众所周知，化学热力学的理论体系就是一个演绎性质的体系；不少物
理学家为此做出了贡献。其中美国数学家和物理学家吉布斯把演绎法运用于化学
热力学研究所取得的成功就是一个典型。

面对近代化学方法的局限和物理化学新领域的开拓，一些化学家和物理学家
认识到：对近代化学方法需要用物理学的思想和方法加以合理的补偿。这对促进
化学方法的发展与完善是十分必要的。这种必要性随着现代化学的发展已经变得
十分明显。因为它已经导致了化学方法上的重大变革。这种变革并不是对传统的
近代化学方法的摈弃，而主要是既重视对近代化学方法的合理继承，又不受其局
限和束缚而有极大的创新和发展。

五、综合方法阶段

主要是指20世纪后的化学方法发展阶段。这一时期的化学研究对象由于日趋
抽象化、复杂化，运用单一的方法已不能满足需要，而应当综合应用各种方法。

这就使化学方法的发展呈现出多元化、交叉化和综合化的趋势。主要表现是
经验方法和理论方法的综合，不同学科方法的渗透，以及系统方法的应用等方面。

1.经验方法与理论方法的综合

应当看到，尽管化学方法的发展可以划分为经验方法或理论方法阶段，然而
两种方法始终是互为联系的。只是由于不同时期所处的地位不同才表现出以某一
方法为主要标志的发展阶段。但是，到了20世纪以后，两种方法已很难区分出主
次而呈现出并驾齐躯和高度渗透的综合状态。主要表现是，理论方法的应用需要
直接依赖于经验方法，例如波尔利用模型法所提出的量子化的原子模型，需要直
接依赖于原子光谱法所提供的经验事实。此外，还表现为经验方法的产生直接需
要理论方法的指导，例如没有量子力学微观领域的理论和方法，也就难以发明核
磁共振、激光拉曼光谱和微波光谱等现代仪器手段。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，二者是高
度综合的。

2.不同学科方法的渗透

主要表现是化学移植了许多不同学科的方法，形成了数学- 化学法（如计算
化学法）、物理- 化学法（如量子化学法）、生物- 化学法（如仿生化学法）、
历史- 化学法（以历史观点阐述化学体系和内容的方法）、哲学- 化学法（以哲
学方法探讨的化学认识论和方法论）和科学学- 化学法（以科学学的观点研究化
学总体规律的化学学方法）等。现代化学方法呈现出不同学科方法广泛交叉的特
征。

这里，首先应当强调的是物理化学方法所引起的化学方法的重大变革。关于
这一点，当我们沿着现代化学家的足迹去探寻时，就会得到深刻的印象。因为它
将提供给我们以丰富的例证。首先是路易斯（G.N.Lewis ）和朗格缪尔（I.Langmuir）

倡导“一种关于化学现象的新观点”——从电子角度来看原子概念，用量子
的观点（尽管当时还是旧量子论）来处理分子光谱问题；进而运用该观点为现代
化学键理论的建立奠定了基础。其中，朗格缪尔的贡献是采用玻尔的原子模型来
阐明各元素原子的电子结构；路易斯的贡献则是汲取汤姆逊（J.J.Thomson ）的
电子概念，提出了两个原子之间结合在一起的共享电子对和共价键概念。接着，
在1927年海特勒和伦敦开创性地把量子力学处理原子结构的方法应用于解决氢分
子结构问题，定量地阐释了两个中性原子形成共价键的原因，成功地开始了量子
力学和化学的结合，从而把路易斯- 朗格缪尔那种既重视物理学理论成果又注意
化学经验的研究方法推进到一个新的阶段。从30年代开始，鲍林又从量子跃迁和
轨道重组引出杂化概念，并以量子力学线性变分法导出共振论，进而推动了价键
理论的发展。50年代以来，福井谦一借用量子力学轨道概念替代电子密度概念提
出了前沿轨道理论；伍德瓦德（R.B.Woodward）和霍夫曼（R.Hoffmann）基于对
轨道对称性的分析并吸取了能量相关概念。他们都为发展分子轨道理论作出了重
大贡献。

到了70年代，李远哲在化学动力学研究中也十分注意吸收量子力学关于量子
状态、光谱、构型的分析和计算成果。此外，斯陶丁格（H.Staudinger）等用x
射线衍射法来证实关于高分子长链结构的设想；李远哲等用激光和分子束实现对
反应途径和轨道对称性相关的观察。这些，表明了现代化学家对物理学实验手段
的移植和运用，从而使现代化学的实验研究达到了仪器化、自动化和精密化的水
平。其次，也应当看到生物- 化学方法在化学发展中举足轻重的地位。当前，尽
管生物学方法向化学的移植还没有达到像物理学方法向化学移植那样的深度与广
度。但是，生物学方法向化学的移植仍然是十分引人注目的方向，并具有深远意
义。例如，生物有机体的“整体”概念引入化学后，对反应体系的研究和化学工
程的设计颇有启迪。又如，通过对生命运动中基础物质的研究（如蛋白质、核酸
等）而得到的规律性认识，又可以进一步加深对化学运动自身（尤其是高分子物
质的化学运动）的认识。再如，借助模拟法将生物体系内的结构功能的原理及机
制移入化学，从而加深对化学组成、结构和性能以及化学反应中物质、能量转化
规律的认识，进而丰富和发展了有关化学结构理论及化学反应原理。这一点突出
地体现在模拟酶催化上，它既可以上亿倍地提高化学催化剂的效率，同时又促进
了化学键理论的发展，化学模拟生物固氮就是典型的一例；此外，模拟生物膜则
可以使化学实验和化工生产中的一切分离手段相形见绌；模拟光合作用机制，可
以实现用化学方法进行最有效的能量贮存转化等。可见，在化学的不少领域中都
留下了生物学方法渗透的痕迹，化学从生物学汲取了不少新概念和新方法。

3.系统方法的应用

主要是指40年代以后兴起的横断学科所提供的系统、信息和控制论的方法。

其特点是把化学研究的对象作为一个系统来考察，以整体、动态和信息的传
输及处理的观点来研究系统的整体与部分、系统与环境之间相互制约的规律，并
以最佳方案解决所提出的课题。在50年代后对于DNA 结构的揭示，遗传信息从DNA
→RNA →蛋白质流动的中心法则的发现和三联体遗传密码的破译等，都“非常生
动地说明了信息论方法的作用。”①系统方法的应用，对于化学方法的影响决不
亚于量子力学方法对化学方法的影响。这一点将随着时间的推移越来越被人们认
识到。

信息方法向化学的渗透和运用，要求化学工作者把物质化学运动变化的过程
看作是一个信息传递和转换的过程，并用一定的方式把收集到的信息加以研究和
处理，从而找出规律性的东西。在这里，信息是指标志客观物质系统存在和运动
的基本属性。任何化学物质和化学过程都会发送信息，并以此标志它们的存在。

如指示剂的变色，催化剂对化学反应速度的改变，化学过程所伴随发生的光、
热、电、气味、颜色、状态等的变化等。可见，我们可以通过接收这些信息来判
定化学运动的变化。可以这样认为：信息是化学工作者研究和控制化学物质及其
变化过程的手段；不掌握信息，就无法认识、变革和控制物质及其变化过程。目
前，在计算化学、分子设计、反应控制、化工工程等领域，信息方法的运用已经
变得日益重要，以至不可缺少。

控制论方法向化学的渗透和运用，要求化学工作者十分重视化学研究对象的
整体性，力求从整体上去掌握物质化学运动内部之间的联系规律；从整体的关系
与逻辑合理性来判断或估计局部的关系和结构。该方法是把一个复杂化学反应体
系看作为一个复杂结构的“黑箱”，然后通过施加影响，从整体到局部、从局部
到整体，二者互相反馈调整，从而较快地认识这个体系。例如，多相催化反应机
理很复杂，然而我们并不能等待机理搞清后才去确定优良催化剂的结构及其制备。

此时若用控制论方法指导，实际上只要列出各种可能机理的可能性空间，并
借用筛选催化剂的经验及有关信息，也就可以判断、估计出概率较大的机理是什
么；反过来再用此估计的机理来设计催化剂。如此经过几次反馈，就会使偏差缩
小而较快达到目的。

整个化学方法的发展过程表明，随着化学的发展，原有的化学方法将不断得
到补充和完善，并与不断涌现出的新的化学方法结合在一起，相互配合，以不断
改善化学研究的可能途径，获得最佳效果。