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化學(xué)經(jīng)驗(yàn)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(lái),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(lái),成為獨(dú)立的化學(xué)科學(xué)。同時(shí),化學(xué)方法也從準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的煉金方法過(guò)渡到了以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的近代經(jīng)驗(yàn)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(huì)發(fā)展包括哲學(xué)發(fā)展和整個(gè)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(duì)物質(zhì)及其性質(zhì)進(jìn)行分門別類的研究。這就需要運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)地分解或分析,需要建立化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)分析方法。與此同時(shí),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(dòng)著化學(xué)逐漸成為“真正有系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)”。

    1620年,英國(guó)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(gè)從哲學(xué)和邏輯學(xué)的高度論述了科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,從而使他成為整個(gè)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的真正始祖。但是,他只限于在哲學(xué)認(rèn)識(shí)論領(lǐng)域的論述,還未能在科學(xué)實(shí)踐中付諸實(shí)行。他只提供了一個(gè)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(guò)多強(qiáng)調(diào)了經(jīng)驗(yàn)性的實(shí)驗(yàn)歸納。同時(shí)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(shí)驗(yàn)方法,并把實(shí)驗(yàn)歸納和數(shù)學(xué)演繹統(tǒng)起來(lái),以精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)推翻了亞里士多德的力學(xué)體系,建立了一系列物體運(yùn)動(dòng)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(lái)的第一個(gè)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)方法。牛頓首先把數(shù)學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)方法聯(lián)系起來(lái),當(dāng)數(shù)學(xué)方法不夠用時(shí),他還創(chuàng)立微積分,發(fā)展數(shù)學(xué)方法。他以實(shí)驗(yàn)歸納和邏輯演繹的方法建立了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)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(shí)代的大總結(jié)、大綜合.①人的思想是復(fù)雜的,對(duì)牛頓生平和事業(yè)的研究表明:他曾進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)達(dá)三十年之久的煉金活動(dòng),其內(nèi)容除了研究物質(zhì)的“生命和生長(zhǎng)”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(guó)有缺陷,他不可能取得什么突出的建樹(shù),然而這種研究,在一-定程度上推動(dòng)了物質(zhì)理論的發(fā)展進(jìn)度,促進(jìn)了化學(xué)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法向間科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的過(guò)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(shí)驗(yàn)的劃時(shí)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(shí)驗(yàn)歸納法。

    17世紀(jì)的英國(guó)化學(xué)家波義耳(R. Boyle,,1627~ 1691)作為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)決定切”認(rèn)為化學(xué)應(yīng)該用實(shí)驗(yàn)方法面不是用空談來(lái)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(shí)的定性分析實(shí)驗(yàn)歸納成一個(gè)系統(tǒng),創(chuàng)立了分析化學(xué)和定性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法發(fā)展到以定性實(shí)驗(yàn)歸納法為特色的經(jīng)驗(yàn)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(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的目的不在于追求“點(diǎn)石成金”之類的夢(mèng)想,而在于收集所觀察到的化學(xué)事實(shí),認(rèn)識(shí)物質(zhì)的化學(xué)本性。正如波義耳所說(shuō),是為了探索宇宙奧秘和追求真理,并以自己的實(shí)驗(yàn)和觀察來(lái)使化學(xué)認(rèn)識(shí)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(shí)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(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法的主要任務(wù)在于認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成是什么。正如波義耳所說(shuō),要審查一個(gè)貨幣就要知道它是用什么金屬鑄成的。認(rèn)識(shí)了物質(zhì)組成就能對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shuō)和醫(yī)藥化學(xué)家的“三要素”說(shuō),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(lái)補(bǔ)充或取代了火。波義耳的試劑方法被認(rèn)為是"萬(wàn)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(kāi)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(yàn)事實(shí)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(yàn)歸納而反對(duì)把理性認(rèn)識(shí)放在高于一切的位置上,也反對(duì)唯理論者認(rèn)為只有理性才能提供確切明晰的認(rèn)識(shí)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(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上提出了微粒學(xué)說(shuō)和微粒哲學(xué),這種理性認(rèn)識(shí)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(shuō)和原子論結(jié)合起來(lái),形成了近代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的雛形。顯然,波義耳實(shí)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(gè)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(gè)飛躍,是近代化學(xué)成為獨(dú)立學(xué)科的不可缺少的工具。但若從實(shí)驗(yàn)方法不斷發(fā)展的全部過(guò)程來(lái)看,還是處于比較低級(jí)的水平。主要表現(xiàn)在對(duì)早期的分析實(shí)驗(yàn)與理性的認(rèn) 識(shí)還沒(méi)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(wèn)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(duì)于元素微粒的認(rèn)識(shí),他在并無(wú)確切事實(shí)依據(jù)的情況下就思辨地以為只有形態(tài)、大小和運(yùn)動(dòng)的特征而無(wú)重量的性質(zhì),以致使他的“粒子”假說(shuō)“只能停留在非物質(zhì)的世界"中,成為一個(gè)純屬“想象的果實(shí)”.未能在化學(xué)中產(chǎn)生更大的影響。

    此外,波義耳時(shí)代對(duì)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(shí)際上使化學(xué)家對(duì)于元素的認(rèn)識(shí)依然停留在概念的水平上。售街縣的米 ε5

    早期的化學(xué)對(duì)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(guò)天平,也“要求對(duì)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(shí)驗(yàn)中竟然得出了存在“火粒子”的錯(cuò)誤結(jié)論,這一-結(jié)論為后來(lái)的錯(cuò)誤的燃素說(shuō)的出現(xiàn)埋下了種子。同時(shí),也由于當(dāng)時(shí)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(wú)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(lái)燃素學(xué)說(shuō)的創(chuàng)始人斯塔爾竟然表示對(duì)于量的考察“不屑一顧”。這就使得錯(cuò)誤的燃素學(xué)說(shuō)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(shí)驗(yàn)歸納法出現(xiàn)。

    3.定量的實(shí)驗(yàn)歸納法。

    18世紀(jì)法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫(A. L. Lavoisier,1743~ 1794)作為創(chuàng)立定量實(shí)驗(yàn)歸納法的代表,同波義耳樣也繼承了弗?培根的實(shí)驗(yàn)論,強(qiáng)調(diào)“除了通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀察的自然道路去尋求真理之外,別無(wú)他途”。但是他又與波義耳不同,特別強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)中的定量性,認(rèn)為“必須用天平進(jìn)行測(cè)定來(lái)確定真理”,并以精密的規(guī)范操作實(shí)踐檢驗(yàn)傳統(tǒng)理論。拉瓦錫的杰出研究,最終推翻了燃素學(xué)說(shuō)的統(tǒng)治,實(shí)現(xiàn)了一場(chǎng)深刻的化學(xué)革命。

    拉瓦錫時(shí)期的化學(xué)方法主要有以下幾個(gè)特征:

    (1)從定性到定量。

    運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法不僅要測(cè)出物質(zhì)的量的多少,而且還要更進(jìn)一步地通過(guò)物質(zhì)的量來(lái)確立物質(zhì)的質(zhì)。15年英國(guó)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(gè)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(yàn)傳統(tǒng)的燃素學(xué)說(shuō)。他指出“假若有燃素這樣的東西,我們就要把它提取出來(lái)看看,假若的確有的話,在我的天平上- -定能夠覺(jué)察出來(lái)。,"中依此他終于否定了燃素的存在,推翻了燃素學(xué)說(shuō)。因此拉瓦錫被譽(yù)為“明確提出把量作為衡量尺度對(duì)化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明的第個(gè)化學(xué)家四。由于拉瓦錫對(duì)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(shuō)" ,拉瓦錫本人也成了法國(guó)的科學(xué)之星,但好景不長(zhǎng),1789年法國(guó)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(shí)年51歲,法國(guó)人自己殺害了他們民族的科學(xué)花朵。后來(lái),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(wú)聲地訴說(shuō)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(kāi)拓者。可見(jiàn),化學(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(kāi)端,從而成為這一時(shí)期化學(xué)方法的重要特征。實(shí)際上,中國(guó)古代化學(xué)化工的經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)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(shuō):中國(guó)陶瓷,世界第一。這此都是經(jīng)驗(yàn)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(shí)代的定 量分析方法較波義耳時(shí)代更為成熟,具有較高的嚴(yán)密性,已經(jīng)成為檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法否定了1674年波義耳煅燒金屬實(shí)驗(yàn)關(guān)子“火粒子”存在的錯(cuò)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(yùn)用了較為嚴(yán)密的定量實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)果??傊咤a時(shí)代追求嚴(yán)密和精確,并采用數(shù)學(xué)計(jì)算研究化學(xué)現(xiàn)象和過(guò)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(shí)代的化學(xué)方法雖尚屬經(jīng)驗(yàn)性質(zhì),然而已較定性實(shí)驗(yàn)歸納時(shí)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(shuō)的革命過(guò)程中更是如此。拉瓦錫在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上運(yùn)用概括的思維方法把從若干個(gè)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(guò)程,從而形成了具有普遍意義的氧化燃燒理論,提出了一個(gè)“乍看起來(lái)本是無(wú)論如何也無(wú)法與我們的感官直接見(jiàn)到并協(xié)調(diào)起來(lái)”的學(xué)說(shuō)。顯然,正是由于運(yùn)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(shuō),這是“通過(guò)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(shí)期的化學(xué)方法仍比較忽視假說(shuō)和演繹的理論思維作用,過(guò)分強(qiáng)調(diào)“知識(shí)不能超出經(jīng)驗(yàn)范圍”,因此,化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展就需要推動(dòng)化學(xué)方法從經(jīng)驗(yàn)方法階段過(guò)渡到理論方法階段。

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