关于化学科学中哲学思想的探讨

关于化学科学中哲学思想的探讨摘要：哲学是关于世界观的学说，辩证唯物主义是人类认识和改造自然的科学的世界观和方法论，它为具体科学包括化学的研究与发展提供了正确的思维理论和方法。化学科学及其发展是辩证的、唯物的，处处闪耀着唯物辩证法的哲学光芒。本文结合大量的化学实例，从化学的研究内容、化学的研究方法和一些著名化学家的哲学思想三个方面，探讨了化学科学中渗透出的哲学思想。关键词：哲学；化学科学前言哲学是一门古老的学问。无论在西方还是东方，哲学早在几千年就已经存在。哲学是在实践的基础上产生的。哲学，总体而言，就是人们观察世界的道理，是人们对世界上一切事物及其规律的总体看法和根本观点。它也是关于思维的学问，是人类思维(自然知识、社会知识)的概括和总结。它所研究和涉及的问题不仅是关于世界的某一个方面或某个局部的问题，而且是有关整个世界的一切事物的最普遍的问题[1]。化学是自然科学的一大分支，它是研究物质组成和结构，物质的性质及其组成和结构的关系，以及物质的化学变化及其规律的一门科学。化学与哲学形式上是分离的，这表明哲学和化学在研究的领域是有区别的，但并不意味着化学与哲学的关系割断了，互不相关了，互相隔绝。二者相互渗透彼此交融在一起，化学的研究与发展过程中时刻都充满着哲学思想，正如恩格斯所指出的“一个民族要站在科学的最高峰，就一刻也不能没有理论思维”[2]。当我们从哲学的角度来观察、分析和认识化学，探讨化学理论的哲学价值、化学研究中的思维与方法，便能更好地掌握化学，促进化学和哲学的发展。1.化学的研究内容化学是一门自然科学，也是一门实验科学，基础科学。这是由它所研究的对象所决定的，这就从本质上决定了化学与整个世界及其规律总的看法—哲学有着不可分割的关系。以物质为研究对象的化学学科，可以说无时无处不与哲学有关，哲学问题渗透于化学问题的方方面面。1.1化学变化—世界是物质的，物质是运动的物质，是标志客观实在的哲学范畴，是指一切可以从感觉上感知的事物，也包括可以从感觉上感知的人的实践活动。这种客观实在独立于我们的精神而存在，为我们的精神所反映。因为世界是由物质构成的。物质是客观存在的，是不以人的意志为转移的，不管你承认与否它都是存在着的，只有首先承认物质的存在，才是研究化学问题的唯一正确的出发点。化学研究的是物质的变化，不是凭空想象中的变化。而物质的变化是永恒的、绝对的，物质世界会永远按照其本身固有的规律运动、变化、发展，这也是唯物论的根本出发点和根本观点。物质与运动永不可分，这正如电子永无休止地在原子核附近做高速运动。物质的根本属性是运动，原子核外电子的转移、分子的运动、原子核的裂变、橡胶的老化、金属制品的被腐蚀等等也充分证明了这一点。1.2化学规律—普遍性和特殊性人们在化学研究中总结了很多的规律，但这些规律又不是绝对性的，元素周期律就充分反映了这一点。例如，元素原子核外电子的排部按照规律应该是4f在3d轨道之后，即电子先填满3d轨道，再占据4f轨道，但是由于钻穿效应和屏蔽效应，事实情况却与此相反。再例如，在一个周期的元素当中，原子的半径随着原子序数的增加而减小，但是在镧系，却出现了镧系收缩现象，镧系元素的性质相差不大。绝大部分固体物质的溶解度随着温度的升高而增大，但是也有少部分物质的溶解度随着温度的升高而减小，如熟石灰(Ca(OH)2)的溶解度，当然，也存在部分物质的溶解度随温度变化不大的情况，如KCl的溶解度。浓硫酸能够腐蚀大部分的金属，但是对于金属铁却有钝化现象，因此我们可以用铁制的容器盛放浓硫酸。根据勒沙特列原理，化学反应的速度一般随着温度的升高而加快，但是对于负氢体系的有机化学反应，情况却相反。从以上可以看出，化学中存在着很多规律性的认识，这是普遍性，主要矛盾，但是不同事物的各自特性即特殊性也是存在的，两者是相互联系的。1.3化学反应—量变和质量在物质的化学运动中，量变与质变既相互区别又相互渗透、相互转化。量变积累到一定程度就会引起质变，没有量变就没有质变。蛋白质、橡胶、纤维素等高分子化合物之所以具有一般有机化合物所没有的特殊性质，首先在于它们的分子量特别大，并由许多重复的结构单位组成长链大分子。一般有机物的分子量在500以下，而高分子物质没有确切的分子量，只有平均分子量，随着聚合度的不同，高分子的分子量可以达到上百万，这样大的分子量导致其化学性质起了突变，产生异常的弹性性能、抗拉性、韧性、耐高温性、吸水性等等，从而使高分子材料成为材料行业的一支生力军。对于离子晶体而言，正负离子的半径比(r+/r-)这个量制约着晶体结构形式，当r+/r-在0.225～0.414之间，正离子的配位数多为4时，多面体大部分采用正四面体构型，晶体采取ZnS型；当r+/r-在0.414～0.732之间，正离子配位数多为6，多面体大部分采用正八面体构型，晶体采取NaCl型;当r+/r-在0.732～1之间，正离子配位数多为8，多面体大部分采用立方体型，晶体采取CsCl型。再如，胶体和溶液的区别主要在于粒子的大小不同。在溶液中分散相的粒子平均直径为1×10-7厘米，是以分子或离子分散。在胶体中分散相的粒子平均直径在10-7～10-5厘米，每个颗粒有很多分子聚集而成。正是由于粒子直径量上的不同才使胶体具有其特殊的丁达尔现象。对于化学反应，必须使反应物分子的能量提高到活化分子的高度，才能发生化学反应，按照过渡态理论，必须使反应物的分子能量足以克服其势能垒，才能发生反应。这正如恩格斯在论述质量互变规律时指出:“在自然界中，质的变化—以对于每一个别场合都是严格地确定的方式进行—只有通过物质或运动(所谓能)的量的增加或减少才能发生。”所以，没有有关的物体的量的变化，是不可能改变一个物体的质的。不仅量变会引起质变，质变也会引起新的量变。例如，石墨在高温高压下转化成金刚石，其质发生了根本的变化，所以金刚石的密度、硬度、熔点、导电率、标准生成热等热力学量规定值以及许多内部的结构量，都与石墨差别很大。1.4主副反应并存—主次矛盾关系在化学反应中，特别是有机反应中，当一个主反应进行的时候，无法避免一些复杂的副反应的发生。例如乙醇在140℃(如图1所示)，加入浓硫酸可以发生分子间脱水，生成乙醚；在180℃，加入浓硫酸，可以发生分子内脱水生成乙烯。但是人们无法通过控制温度而得到单纯的乙醚或者乙烯，在140℃会避不可免有少量乙烯生成，180℃也会有少量乙醚生成。有机燃烧反应也不可能只有一种燃烧反应，烃的裂解反应产物更是复杂多样，因此石油的裂解产物要提纯，精馏，这给化工生产带来了很大困难。主副反应并存可以说是一种矛盾，但是主反应起着主导的、支配的地位，副反应的存在影响、制约着主反应的进行。而人的主观能动性就在于发现认识了这个规律，并且尝试各种方法，创造各种条件遏制副反应的发生，使反应沿着主反应的方向进行。例如在烯烃聚合反应中，人们发现了Zigga-Natta催化剂，大大提高了主反应的进程。化学中的可逆反应实际上是一个动态平衡过程，人们为了使反应向某一个方向进行，就会根据勒沙特列原理采取一些措施，如增加反应物的浓度会使反应向产物的方向进行；提高温度会使反应向吸热的方向进行，增大压强会使反应向压力减小的方向进行，合成氨工业正是运用了这一原理。2.化学的研究方法人们在化学研究中，除了使用先进的科学仪器等物质手段之外，还必须使用化学方法这种思维工具。例如，我们在进行罗丹明衍生物选择性识别汞离子的实验中，我们合成了RG1有机物(图2)，这时仅仅有荧光光谱仪是不够的，还需要有科学的研究方法，即在实验过程中，我们要探讨这种有机配体对其他金属离子有没有响应；要探讨在其他金属离子共存的情况下，有机配体对该金属离子的荧光识别会不会受到干扰，只有这样，我们的识别实验才显得完整，研究的结果才具有说服力和应用潜力。现代化学与早期化学相比较，具有从宏观向微观、从静态向动态、从定性向定量、从描述性向推理性过渡等特点。这些特点表明，现代化学的发展，一步也离不开理论的思维，同时还需要有正确的哲学观点作指导[3]。2.1普遍与联系在实验室我们会经常听到有同学说：“这个课题没法做下去了，是个死胡同；某某人的课题非常好，实验进展很大。”在大家的勤奋程度和思维灵活性差不多的情况下，成果的大小往往决定于课题的选择和确定。“科学研究工作的最大的特点在于探索未知，科学研究成果的意义也正在于此[4]。”在化学研究中，要解决问题，首先就要提出问题。不是任何问题都是可以作为科研课题的。科研课题必须是经过努力可能在短期内解决的问题，而不是经过几十年的研究都无法解决的问题。随着学科渗透不断加剧，在一些传统学科的交叉领域出现了很多边缘学科，化学与生物学、医学、物理学、地学、材料学等基础学科相互渗透涌现出了大量课题，而往往对这些课图1.乙醇在不同温度下的反应产物图2.罗丹明衍生物RG1分子结构题的研究会产生较好的成果。例如现行新兴的纳米技术，就是化学与材料科学的边缘学科。传统的材料难以满足人们的应用要求，为了提高效率，改进工艺，人们利用化学方法制备纳米级的材料，由于纳米粒子的量子隧道效应，小尺寸效应等使其具有特殊的性能。例如：普通银为良导体，而纳米银在粒径小于20nm时却是绝缘体。纳米级的材料具有很大的比表面积，大的比表面使处于表面态的原子、电子行为也发生了较大改变，如出现了宽频带吸收和吸收光谱蓝移和红移现象等。纳米材料是一个热门研究课题，目前，国内外有大量的学者在从事这方面的工作，很多都取得了重大的科研成果。因此对热门课题，前沿领域的追踪是进行较好的科研选题的关键。科研选题的选择也要倾听社会的呼声，及时解决生活和生产中的重大问题。例如：新型高效抗癌药物的研究；寻找常温常压下人工固氮的催化剂，如何采取经济的方法分解水产生大量的氢气从而获得高效且无污染的能源，药物合成中顺反异构体的分离以获得单一手性的药物，治理水污染，等等。2.2实验化学这门学科得以生存和发展的源泉就是实验。拉瓦锡是通过实验发现了燃烧的氧化本质，从而推翻了燃素说；维勒由于在实验中偶然实现了尿素的人工合成，从而打破了无机和有机的界限；“近代化学之父”道尔顿在长期从事气象观测和气体实验的基础上，创立了近代原子论；居里夫妇经历过无数次失败，终于从沥青铀矿中，首次制得放射性元素擂和钋，这些都是刻苦实验的结果。虽然进入二十世纪以来，理论化学的研究获得了惊人的进展，化学与数学，逻辑学等密切结合，但是理论的推导和数学计算结果正确与否还需要经受实验的检验。因此，在任何一个化学的分支中，都离不开实验，没有实验，就不可能有化学的今天和明天。2.3归纳和演绎归纳和演绎是一对普遍适用的逻辑方法，在化学研究中也同样得到了广泛的应用。归纳的基本过程是：“由个别到一般，由事实到概括”[5]。无论是实验方案的设计还是实验结果的整理，在一定程度上都反映了归纳的思维过程。化学工作者在从事化学研究，做化学合成之前，往往通过CA这种检索工具查查前人做的相关成果，这样既可以避免重复劳动，也可以从中吸取一些经验教训。我们在做大量的化学实验之后，就要对实验结果、实验现象、实验数据冷静地分析，从中总结出一定的规律，得到启示，这有利于进一步开展工作，避免了“只实验，不思考”这种情况。通过归纳，由事实得到概括性的结论，可抽象为共同点，上升为本质规律。例如，拉瓦锡在对某些酸研究的基础上，运用归纳得出结论，认为酸是一种含氧的化合物；接着，戴维通过归纳，得出结论：氢才是酸不可缺少的组元；不久，布朗斯特和劳瑞在他们的基础上进一步归纳，提出了酸碱质子理论；后来，路易斯又指出，酸是能接受电子对的任何物质，碱是能给出电子对的任何物质，这就是广义的酸碱理论。这是对酸碱化合物较为全面和本质的概括。由此看出，一个理论的提出是在对前人的工作总结归纳的基础上发展起来的，正所谓“前人载树，后人乘凉”，就连伟大的物理学家牛顿，也说“我是站在巨人的肩膀上。”演绎的基础是一般结论，其思维行程表现为从一般到个别，因此能更多的得到个别，所以有加速理论形成、扩大理论面、发现新物质的作用。例如我们在合成中发现某一配体和铁离子有很好的配位作用，那么由于同主族元素