元素在化學中的地位作用
實驗室k / 2019-04-22
化學家的技藝就是管理分子以發(fā)生想要的反應。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。元素具有兩層不同含義的操作性。首先，元素經典意義上的操作性，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。我們無權斷言這些我們認為的簡單物質不是由兩種元素，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領域現(xiàn)有的分析技術。這意味著當前所列出的一系列元素不僅是暫時性的，而且取決于當前有限的分析實驗技術。這就允許隨著相關技術的改變，元素的本質也可能會發(fā)生變化。它們不再被設想為自然的終極建造模塊，而是與實驗操作緊密相關。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，而是為了找到可以得到該研究對象的操作（反應）。
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”時采用的就是這種另外含義的操作性。對于化學家拉瓦錫來說重要的是，在化學操作中元素是化學參與者（反應物），所以在與其他化學參與者的關系網絡中它們的表現(xiàn)和反應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，在拉瓦錫引入明顯屬于實用主義的元素定義之前就已經成為化學的特征。
早在18世紀或者之前，化學家們就已經形成了通過物質能夠做什么來鑒別物質的習慣。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”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生想要的改變。紀堯姆·弗朗索瓦·魯埃勒（Guillaume－Frangois Rouelle）和他的學生把元素看作是“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作可以應用的工具。從這個角度看，大自然成為了一個巨大的實驗室，就像是化學家們自己的實驗室一樣，是一個讓實體產生作用的場所。的確，拉里·霍姆斯（Larry Hames）敏銳指出，18世紀化學家們總是用”操作”一詞來形容我們今天所指的“反應”。元素是戲劇的演員，“戲劇”這個詞同時指大自然操作的化學工作和化學家操作的化學工作。
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把大自然變成一個可與天然物質合作的操作舞臺，18世紀化學家們再一次模糊了技藝和自然之間的界限。所以，當化學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家通過展示機械設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。對于物理學家來說，現(xiàn)實隱藏在舞臺上的可見表演背后。而對于化學家來說，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。物理學家和化學家視角的差異反映了不同的物質研究方法，化學家不會把物質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，復雜而相互關聯(lián)，化學家關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，化學家的主要目標不是提供對真正世界現(xiàn)實的表述。
雖然18世紀的化學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看到，19世紀的原子論者為何不把分子結構構想為自然元素構建模塊的相互關聯(lián)，而是構想為可以參與加成或者取代反應的化學制劑的相互關聯(lián)。這種思維方式說明，勞倫特選擇的是根據元素的功能來對它們進行分類。所以，盡管氯和氫在性質上有顯著差異，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，所以可以認為在有機化學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中才得以展現(xiàn)其全部的啟發(fā)力量，進面產生一種高效的創(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，那么化學家還可以想出怎樣的分類方法呢？
以化學個體和種類的功能定義為背景的化學命名規(guī)則，其演化過程非常具有指導意義。由此看來，拉瓦錫及其同僚們所擁護的化學命名的改革在現(xiàn)代化學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《化學命名法》（Method of Chemical Nomenclature）中介紹的新化學命名法基于的原則是，化合物的名稱應該代表其構成元素及其相對比例。這個原則形成了我們當前化合物命名系統(tǒng)的基礎，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藝術中的用途。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。
許多藥師和化學技師對這種新化學語言表現(xiàn)出相當的熱情，意味著他們放棄了表明物質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的組成，既是為了哲學理想又是為了更有助于學生學習化學。拉瓦錫在介紹命名方法時表達了他們的哲學思想：
化學命名法的完善……在于使概念和事實準確無誤，不壓制任何它們要呈現(xiàn)的東西，更不會增加任何東西。它應該只是事實的忠實寫照，我們經常說，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，而結構式的興起則表示化學家們已然明白，構成元素的單純相互連接已經不足以解釋化合物的本質。比如，許多有機化合物具有相同的元素構成比例，但是卻擁有完全不同的性質。此外，當19世紀第一個分子結構示意圖出現(xiàn)的時候，其目的較少用于表示分子的真實結構，更多的用于歸類已有分子結構并預測新結構的存在。可以用厄休拉·克萊因發(fā)明的用于討論化學中”表示”與”“實際”之間關系的詞——“紙上研究工具”——來表達分子式的作用。與19世紀威廉·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家可以利用分子式這個表述來想象或者更準確地說構想一個化合物的不同異構體，這些異構體可以通過取代雙鍵或者通過其他一些轉變來獲得。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構，這個結構構想合理解釋了為何實驗中取代烷烴實際存在的異構體數目少于從烷烴平面結構推導出的異構體數目。不管是平面結構還是三維結構，這類化學分子式的首要用途并不是為了表示分子的真實結構，而是為了預測分子的行為和幫助建造新的分子。因而，至少在有機化學中，化合物名稱所表達的更多地是化學家如何認識分子的問題，尤其是，化學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問題。
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