关于分子结构概念的语境依赖性之对话——语境论的化学哲学初探

学术前沿

第２８卷，第４期

２０１１年８月 科学哲学

Ｓｔｕｄｉｅｓｉｎ

科学技术哲学研究

ＰｈｉｌｏｓｏｐｈｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａＩｌｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖ０１．２８Ｎｏ．４

Ａｕｇ．，２０１１

关于分子结构概念的语境依赖性之对话

——语境论的化学哲学初探

桂起权１，邢如萍２

（１．武汉大学哲学学院，武汉４３００７２；２．山西大学科学技术哲学研究中心，太原０３０００６）

摘要：１．以两性物质例示化学分子的语境依赖性，并切入场有（Ｂｅｉｎｇ

ｉｎ

ｆｉｅｌｄ）哲学和语境论哲学；２．布特

列洛夫、凯库勒和范霍夫等人对“立体结构”概念之贡献，再结合刘易斯共价键理论，形成刚性化的经典分子结构模型；３．鲍林“共振论”：从刚性分子结构到动态分子结构的进步；４．分子结构：走向量子实体的语境实在论和整体论理解。

关键词：分子结构模型；场有哲学；语境依赖性；语境整体论解释；格式塔认知中图分类号：Ｎ０２

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７４—７０６２（２０１１）０４—０００ｌ—０８

桂：２０ｌＯ年１１月，我参加了全国“语境论与科

例，这就涉及化学中的酸与碱、阴阳离子，量子力学

学哲学”研讨会，觉得深受启发。按照分科的科学哲学观点，看来在物理学哲学、数学哲学、计算机科学哲学等方面都已经有人进行探讨，只可惜在这次

会上还没有人从化学哲学视角研究语境论的。

的整体论等等。２００２年２月，我又写过一篇《量子力学的场有整体论解释》（即语境整体论解释）旧Ｊ。

邢：偶尔听说过“场有哲学”，好像是美籍华人

唐力权先生提出来的。不过，“场有”这个名词似乎

有点怪怪的？为什么要把它归人语境论的范畴呢？

桂：所谓场有，Ｂｅｉｎｇ

ｉｎ

邢：不过，我倒是对语境论的化学哲学产生了强

烈的兴趣。最近，刚刚有了一点初步的想法。我想问，您对此有过什么考虑没有？

桂：嗨，仔细想起来连自己都会感到奇怪，我与语境论的化学哲学还真的有缘呢。

ｆｉｅｌｄ，“场中之有、依场而

有”，就是依赖场境的存在，整体全息相关的存在。从本来意义上说，这是不折不扣的语境论概念。

邢：我想听听，您所涉及的“语境论化学哲学”

一从《场有自然哲学与场有辩证法》说起

桂：１９９５年７月，我应约在台湾《哲学杂志》上

发表了一篇《场有自然哲学与场有辩证法》…。其实，“场有哲学”明显是语境论思想的一个版本（独特的版本），还带上点中西合璧的意味。我发现，若把场有哲学与自己所熟悉的自然哲学、科学哲学联系起来时，就能透过晦涩古文字和形上学思辨的迷雾，获得一种清晰且透彻的感觉。因此，在文中我还特地认真分析了化学哲学和物理学哲学的一些案【收稿日期】２０ｌｏ～０４一０５

究竟是怎么样的？

桂：我并不奢望建立什么形上学的体系，当时只

想通过科学上活生生的案例分析，对语境主义哲学

作出一种辩证法的解读。比如以氯化钠为例讨论离子键。氯化钠分子实质上是钠离子（阳离子）与氯离子（阴离子）结合而成。氯化钠分子就是一个小小的“依赖于场境的存在物”，钠与氯的相互依存性是这样体现的：金属原子一方，容易因失去电子而成

为阳离子，非金属原子一方，容易因得到电子而成为阴离子，此刻双方最外层都达到饱和电子层结构。

【作者简介】桂起权（１９４０一），男，浙江宁波人，武汉大学哲学学院教授、博士生导师，研究方向为科学哲学；

邢如萍（１９７２一），女，山西平遥人，山西大学科学技术哲学研究中心博士生，研究方向为科学哲学。

万方数据

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得失电子的双方，即阴阳离子双方相互依存，一阴一阳，异性相吸，从而形成氯化钠分子的“阴阳和合”

结构。于是，周易中的“一阴一阳之谓道”和谢林自

然哲学中的“阴电与阳电、吸引与排斥、酸与碱”等

“两极性”概念的辩证法在此就发挥作用了。

邢：对于离子键，是能够说得通。那么，共价键呢？例如氢分子中的两个氢原子，它们又属于哪一种“依赖于场境的存在物”呢？谁是得电子者？谁是失电子者？假若两者都不是那又怎么办呢？

桂：问得好。对于共价键，初看起来，任何一方都既不是得电子者，也不是失电子者。但是，可以换个角度来看。既然是“共享”价电子，从特定意义上说，每一方都是得（享有）电子者，又都是失（贡献）电子者。于是，出现了“虽非得非失，却亦得亦失”的奇特逻辑结构，这就符合辩证逻辑的概念模

式＂ｊ。这里不去细说它了。我认为，更主要的、最

值得称道的是，在化学中还存在一种“非酸非碱、亦

酸亦碱”的特殊化合物，如氢氧化铝。

邢：此话怎讲？

桂：氢氧化铝之所以引起关注，是因为它是一种

十分典型的“依赖于场境的存在物”，它显示什么性质，甚至它以什么资格和身份而存在，竟然完全取决于所处的场境和关系。按照酸碱的水一离子理论，酸溶于水后就电离成氢离子和阴离子；碱溶于水后

就电离成氢氧根和阳离子。换句话说，氢离子Ｈ＋

能给出酸的性质，氢氧根ＯＨ一则能给出碱的性质。氢氧化铝，也就是铝酸，“一身兼二任”，它在水溶液中能够同时进行碱式和酸式电离。如下图所示：

Ａ１３＋＋３０Ｈ一＝Ａｌ（ＯＨ）３

８

Ｈ３Ａ１０３＝３Ｈ＋＋Ａｌｏ；一

为什么说它是典型的“依赖于场境的存在物”呢？因为这种两性氢氧化物，既是潜在的碱，又是潜在的酸，给它什么场境，它就显现什么性质。如果在溶液中加进酸，它就相对相关地显示碱性，动态平衡

向反应式左边推移，即向生成铝盐（Ａ１３＋）方向推

移，碱式电离成为主导方面。相反，如果在溶液中加进碱，则它就相对相关地显示酸性，动态平衡向反应

式右边推移，即向生成铝酸盐（Ａｌｏ；一）方向推移，酸

式电离成为主导方面。可见，氢氧化铝是彻头彻尾的“依赖于场境的存在物”。因为它的实在性，它自身以什么样的资格、身份而存在，是作为酸还是碱而存在，完全取决于相对相关的关系或场境。这种理解模式，不仅在认识论上是完全语境化的，而且在本

２

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体论上也许可说是达到了“语境实在论”的境界。这里，我不能不想起盟友罗嘉昌的“关系实在论”、曹天予的那种不否认实体的“结构实在论”了。

邢：现在，我明白了，其实这是借题发挥。您借助于唐力权“场有哲学”框架所表达的“语境论的化

学哲学”，确实包含着深刻的辩证法意味。我发现，您对辩证法的内涵似乎具有某种特有的敏感性。

桂：也许那是一种嗜好。现在，轮到你来讲一讲

你的“语境论的化学哲学”了。

邢：那好吧。最近我以“分子结构”概念为契

机，切人了语境论问题，还查阅了不少英文资料。

桂：愿闻其详。

二经典分子结构理论：刚性或半刚性的分子

邢：现在一般民众深受科普宣传影响，形象化的

分子结构的球一棍模型太深入人心（图１中是四面

烷的球一棍模型），“结构唯一地决定性质”的理念根深蒂固。对于化学家来说，“分子结构决定物质

的功能属性”的观念本来没有错，可是把“刚性结

构”变成僵化的教条却是白寻烦恼了。

ｏ

图１

四面烷的球一棍模型

桂：是啊，假若真理超过限度，即使朝前跨出一小步，也会变成荒谬绝伦的东西。从科学哲学观点

看，“分子结构决定功能属性”这个核心假说并不

错，但是“实体与结构、功能一一对应”或“结构刚性化”的辅助假说却大有问题。症结恰恰在于，那种非语境化的思考方式会害死人的，使人误入歧途。

邢：让我们来考察一下经典分子结构理论的起

源吧。回顾历史，在１９世纪的头十年间曾经出现过这样的情景：由于化学家的物质分离技巧的不断提

高，有机化合物及新的合成物数量的快速增加，以致于大大超越了化学家的分类能力，化学家感觉即将被淹没于成千上万种铺天盖地而来的有机物质之中，他们形容这一时期的有机化学为“黑色的丛林”或“迷宫”１４Ｊ。正是在这种背景下，俄国化学家布特列洛夫（１８２８～１８８６）顺应历史需要而登上舞台，首创化学结构的学说。他在《关于物质的化学结构》

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一文中说：“每一种物质只可能有一种合理的分子式。那么，可以得出关于物质的化学特征与它的结构之间的依赖性的普遍规律，分子式将表示物质的所有特性……，时间和经验将最好地告诉我们，新的

分子式将如何呈现它表示化学结构。”＂。

桂：我还记得一个有关布特列洛夫的有趣故事。中学时代，他是一个充满奇思异想的调皮学生，有一

次偷偷做化学实验搞得满屋子都是烟，把头发都烧

焦了（成年后他长了“络腮胡子”，可是头发毕竟秃

了），当年化学老师极度生气，在他脖子上挂了一块

“伟大的化学家”的牌子，让他在全校巡游一周。幸

运的是，这种“取笑”最终却变成了美好的预言！

邢：布特列洛夫的功绩在于确立化学结构的学说，他的文章中隐含着一种观点：物质的所有化学特征都是可知的，并且能够通过单一的结构式表征出来的。首先他断言，可以通过确定的分子结构来了解或预测物质的化学性质；反过来，又可以借助于物

质的化学属性来确定物质的分子结构。接着进一步

认定，一种物质只具有单一的、固定的微观分子结

构，从而存在以“一种物质对一种合理的分子式”的方式表示物质的可能性。当然，此前十年，在原子量

的革新以及化合价概念基础上，化学家已经有能力推演出物质的化学结构式，…从而为化学结构学说的产生铺平了道路。“前人栽树，后人乘凉”嘛。

桂：化学中的“一对一”假说，使得我联想起生

物学上也有“一对一”假说，因为我也曾关注过生物

学哲学。１＿９０３年美国遗传学家萨顿在《遗传中的染色体》一文中，根据染色体和遗传因子在细胞中存在平行现象，提出了遗传因子与染色体一一对应的假说哺１，明确了孟德尔的遗传因子具体定位于染色体上的概念。后来的遗传学家又明确了“一个性状

（表现型）对应一个基因（基因型）”的概念。那些都是在研究的初级阶段上的一种过分简单化的假说。

邢：在布特列洛夫同时期的化学家当中，又有两

个人为分子结构理论作出了突出的贡献，一是凯库勒对苯的环状结构的认识；另一个是范霍夫提出碳

的四面体构型。Ａ．凯库勒早在１８５７年就提出碳是

四价的学说，而他对分子结构理论最突出的成功，则

在于他的苯（Ｃ。Ｈ。）的六边形结构（后以“苯环”著

称）。它能够说明三个基本事实：１）碳的四价特征；２）苯分子中的六个碳原子和六个氢原子分别是等价的；３）苯化合物明显缺乏反应活性。不过，苯的

环状结构式对传统的结构理论以及反应活性规则却

提出了根本性的挑战，问题在于，每个苯分子当中只

万方数据

有六个氢原子，假如碳和碳只以单键连结，那么六个碳原子还能和十四个氢原子结合。由此可以反推出，苯分子中碳原子必然是以多键相结合，然而这样的话碳原子将会具有强的反应性，按理说就不稳定。这就与苯环实际上相当稳定的事实相矛盾。

桂：那么，凯库勒是如何消解矛盾的呢？

邢：经过长时期的反复考虑，凯库勒提出了被称作“苯环共振结构”的假说。在１８７２年的文章中，

他设计出一种可以满足前述各种条件特殊的苯分子结构¨ｏ，如图２所示。

Ｈ

Ｈ

Ｈ＼ｒ夕Ｃ＼，／ＨＬＬ

Ｈ、ｃ／ｃ≈ｃ／Ｈ

Ｉ｜

●————◆

｜Ｉ

Ｈ／ｃ§ｃ／ｃ＼Ｈ

Ｈ／ｃ＼ｃ乡ｃ、Ｈ

Ｉ

Ｈ

Ｈ

图２苯环共振结构

关键在于，苯环在两种等价的对称结构之间进

行快速互变，从而碳和碳的连接在单、双键之间不停

Ｊ。它似乎只是在表面上解

桂：那么，其他研究者又有什么进展呢？

邢：在对化学分子立体结构的认识过程中，范霍的事实，是物质的旋光异构现象。１８４８年，巴斯德间存在关联性。巴斯德发现，半面晶面向右或向左

的晶体使偏振光平面向右旋或向左旋。在两种晶体

桂：看来旋光性事实对于范霍夫带来决定性的邢：是这样的。范霍夫对当时“平面化”的分子３

地变换，以保证整个分子处于六倍的对称性。可是，这一借助于分子在不同结构间“快速互变”的设想，从一开始就受到怀疑［８决问题，实质上却仍然不能十分明朗地说明苯的特征。因此，争论仍然持续了几十年，苯分子结构问题

一直处于悬而未决的状态。

夫等人是举足轻重的人物。对范霍夫真正有所触动率先注意到，酒石酸盐的半面晶面与它的旋光性之等量混合的溶液中，两种偏转则相互抵消，总体上对光不产生影响。【９１后来还进一步指出，左旋酒石酸和右旋酒石酸像人的左右手一样不能重叠，这些物质中的原子存在着～种非对称的分布。

启示，要不然他怎么能够一下子认识到分子具有“立体结构”呢。

结构理论很不满意：一是因为它无法解决分子中原

子的准确位置；二是无法解释分子内部原子的运动问题。１８７４年，范霍夫发表其开创性文章《将目前

使用的化学结构式延伸到空间之中的提议》。由于

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范霍夫所提议的“碳四面体结构”的构想，可以澄清并预言大量实验事实，它对于成功解决１９世纪化学

中存在的典型疑难迈出了一大步（例如唯有碳的立

体结构才能证明，其实甲烷衍生物ＣＨ：Ｃｌ：只有一种

物质，而从平面结构看，却似乎存在“几何异构性”，

不过那只是一种假象）。尽管范霍夫没有正面回应

一些人的反对意见，但他所取得的巨大成功却足够有效地压倒了各种异议，使之成为枝节之论。１８８４年，范霍夫满怀信心地预言：“当物质的所有属性来

自于它的构成之间的本质关系时，那么……在不久

的将来，化学构成式将完整精确地展示它所表征的

物质的所有属性。”【ｌ驯附带的问题是，不论范霍夫还是凯库勒，对分子存在着内在“动态”特性都有所感

悟或猜测，不过因其缺乏刚性结构那样的明确预言功能而感到难以驾驭。

桂：我想，在１８９７年汤姆生发现电子之后，原子和分子结构理论会因电子论而有实质性的进步。

邢：情况真是这样。１９１６年，化学家刘易斯最先正式发表了重要论文《分子与原子》¨１Ｉ，随后，朗

缪尔接受并发展他的思想，共同形成关于化学物质的共价键理论¨２Ｊ【ｌ３｜。朗缪尔一刘易斯理论意味着

经典化学结构理论的一个大的跨越，分子结构概念

基本形成，其核心思想大致总结为以下三点：一是每

一个化学键就是一个共用电子对；二是在化学键形

成过程中，每个元素最终趋向于惰性气体般的、稳定

的八电子结构；三是据此，每两个结合的元素最终可形成单键、双键和三键。您不是也在《科研纲领方法论与化学的原子论和电子论》¨４。一文中涉及共价

键理论，分析过原子论的核心假说与辅助假说吗？

桂：不错。现在，我可不可以这样来总结，化学结构理论经过布特列洛夫的思想、凯库勒的共振结构和范霍夫等人的努力，形成了三维立体结构的概念，再结合刘易斯共价键的理论结构，基本上形成了分子的经典结构理论。

邢：对，这就是化学实践中经常使用刚性或半刚性的分子结构。不过，这一理论只为分子结构提供表观上的几何特征，还没有涉及更深层次的问题。

三从刚性分子结构到动态的分子结构：共振理论

桂：看来，分子的经典结构理论的基本信条是，“同一个分子，应当有固定的结构”，由此推出同一个分子不应当具有多重的功能性质，否则实体与结构以及结构与功能性质之间无法一一对应。现在所

４

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面临的主要反常事实是，从苯的结构问题可以看出，同一个分子出现多重的功能性质，结构似乎不固定。另一方面，在经典结构理论内部几个子理论之间并不协调，比如凯库勒和布特列洛夫的思想之间存在

矛盾。那么，有谁能解决这些问题呢？

邢：正是在这种背景下，鲍林登上舞台，他将量

子力学运用于化学，作为量子化学家而独树一帜。

桂：可是，我的印象是，海特勒、伦敦好像在

１９２７年就发表量子化学论文了？

邢：是的，你说的是他们对“单电子氢分子离子的化学键”的研究，但那只能算先驱者的工作，相对地说显得简单些。１９２８年，鲍林受此启发进行更深

入得多的研究，结果发现：量子力学完全能够重构Ｇ．Ｒ．刘易斯为说明简单分子的电子结构而提出的

共价键理论，而且，“与旧的理论描述相比，原子价

的量子力学说明更详细、更具对应性。”【ｌ纠鲍林明显

超越了前人，在论文的最后他宣称，他的计算表明，

量子力学完全可以解释碳的四面体结构。

桂：我曾读过《鲍林》的传记呢。鲍林与其博士生导师诺伊斯商量之后，在人才自我设计上作出正

确定位：这就是选择新物理与化学的交界处作为突

破口，将量子力学知识应用于化学。鲍林所受的训练和看问题的眼光是化学家的，而同时又具有渊博的数学与物理知识，因此他能独树一帜。［１６］１２５鲍林

的独创性还表现在，他综合自己的化学和Ｘ射线晶

体学知识来形成一种“结构观”，能利用自己“化学直觉”获得洞察力，在有限定的可能空间进行非盲目的有选择的搜索，迅速找到合理结构，排除不合理

结构。据此，鲍林发明了一套关于最可能的结构形式的简单规则以及相应的判定程序，如此等

等¨６］ｌ舭１３１。我想，鲍林真正的标新立异之作，应该

说是他所提出的著名的“分子结构的共振理论”。

邢：那当然。共振论的基本思想是鲍林及其合

作者在１９３１—１９３３年间提出来的。他们在“化学键的本质”的总标题下先后发表七篇论文。

桂：那么，鲍林“共振”概念最初的确切涵义究竟是怎么样的呢？

邢：它是指价电子在成键的两个原子轨道间的

交换或共振。在方法论上，鲍林确实采用类比作为基本的启发式方法。鲍林的“共振”概念，源自量子态的“简并”与“耦合振荡”之间的一种形式类比。

情况是这样，海森堡将氦原子的双一电子态表示为

“简并态的重叠”，受此启发，鲍林将它转换成更加

容易理解的经典物理学语言，提出了两个态之间

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“耦合振荡”即“共振”的概念。这样一来，两个态就像能合并成一个态似的。

桂：化学家实际上所在乎的只是“每一个分子，都应当有稳固的结构”（同时考虑的是，“一种物质的结构产生一种功能”）。鲍林的“简并态的重叠”

和“共振”的概念，既要对付（能解释）实体的功能、

结构不唯一的反常现象，又要维护结构稳固性。

邢：１９３２年，鲍林在用价键方法的线性变分原理讨论键型的过渡问题时，将“共振”概念做了进一步的引申：“如果ＩＩ，。和山：有相同的对称性，特别是有相同的简并度，即有相同的不配对电子数时……

（则）对体系的基态给出最好的近似波函数，既不是

Ｉｌ，，也不是山：，而是它们的线性组合。”而“这个分子也可以被描述成在两个电子式之间的迅速摆动，并通过这种摆动的共振能，取得比两者中任何一个都要大的稳定性。【１７３这样，鲍林就在“共振论”前提下加强了对“结构稳固性”的辩护。

桂：你提起线性变分原理，使我想起了那本《化学思想史》。该书说，鲍林在《化学键的本质》一书

（１９３９）中，对“共振”概念进行概括，有两种表述：一

是根据价键方法的线性变分原理（由艾卡特１９３０

年所论证），“共振”可以作为数学上的近似处理方法，因为达到有效线性组合必须满足共振条件；二是“电子（态的）共振”作为刻画真实物理现象的形象化模型。我特别欣赏《化学思想史》作者对鲍林“共

振论”思想中辩证法因素的提炼。

邢：主要表现在什么方面？

桂：共振论提出以多中心键代替双中心键，用分

数键代替整数键，不承认极端键型之间有截然分明的对立，认为纯离子键和纯共价键之间存在中间过渡键型（如线性组合），ＣＯ分子的碳一氧之间既非

双键亦非三键，而是具有中间性质等等。¨副“键型过渡”思想包含着深刻的辩证法的意味，正所谓“一切对立都通过中间环节相互过渡”是也。

邢：那么，您认为从总体上说，应当怎样评价共振论才合适呢？

桂：鲍林的“共振论”，在日后有过很多的争议。

半个多世纪前，苏俄对鲍林“共振论”连同对摩尔根遗传学派的错误批判，曾经严重妨害了苏俄量子化学和遗传学的正常进程。众所周知，那已经成为不堪回首的历史遗迹。然而，现在平心而论，从科学哲学视角看，鲍林的所作所为无非是为了维护关于

“结构决定功能”的核心假说，使之免受侵犯，就感

到有必要消解所面临反常事实的挑战。持经典分子

万方数据

结构理论观点的化学家坚信“同一个分子，应当具有固定的结构”（其实这个辅助假说恰恰是最成问题的！但它不是核心假说），因此他们想不通的是，同一个分子怎么会在不同情况下有不同的结构与功能呢？为此，革新派化学家就必须积极采取策略性措施，主动调整核心假说周围的辅助假说（例如让“刚性”结构柔性化，尽管结构应当是稳固的，但稳固不等于僵化、绝对固定不变），同时引进必要的新概念（如采用“共振”概念，使得静态结构带上“动态性”，在几个不同态之间可以来回摆动），以适应新情况。就对分子结构的经典理论大胆进行改革而言，这不能不说是一种积极而可贵的尝试。毫无疑问，其中类比是最重要的助发现方法之一。

邢：如果从科学哲学观点看待这一段化学史，就应当是这样。你这是在用拉卡托斯的纲领方法论精

神来分析“共振论”的起源，评价其历史功绩。

桂：不过我总觉得，鲍林的“共振论”有点儿半经典、半量子的味道，在这一方面很像玻尔的早期量子论。它不像纯粹量子力学那样抽象化，更多考虑化学的经验内容，更多继承传统分子结构理论的

经典图像和形象化概念，并且作了经验性的直观外

推。

邢：您说得不错。晚年的鲍林在对“共振论”进

行回顾和反思时，更加强调它与化学的经验事实的联系，强调它对于经典结构概念的继承性。１９５６年，他说：“共振理论是化学结构理论的一部分，它有一个本质的经验（归纳）基础；它并不是量子力学的一个分支。”也就是强调“共振”概念在化学应用中相对于量子力学的自主性。１９６０年，鲍林在《化学键性质》第三版中增加了一章内容，名为“共振及其对化学的意义”，其中强调“共振”与经典结构观念中的“异构互变现象（ｔａｕｔｏｍｅｒｉｓｍ）”之间的连续性或继承性。认为两者之间“没有明显的区别”，所存在的不同只是单个键一价结构的稳定程度而

已。【Ｉ引他在再后来的回顾性文章中指出：“同样是基

于经典结构理论所使用的理想化，共振理论拓展了这一理论，通过这一重要的拓展，使用了描述苯分子中的两种排列，而不是只有一种。”∞１应当说，共振论对反映分子的动态特征是一种不错的尝试，尽管它仍然停留在唯现象的层次。

桂：这样看来，可以将鲍林的理论看做是经典结构理论与现代量子化学结构理论之间的过渡环节。

邢：这样的定位是恰当的。当然必须补充说，在他的思想中，从总体上看经典化学的思想成分居多。

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