化學分類
化學分類是化學學和化學哲學領域的一個重要課題,是運用一般的科學分類方法研究化學領域所取得的結果。化學分類對於人們認識化學運動,把握化學內容,推進化學研究工作,均具有重要意義。化學分類論所涉及的主要內容包括化學分類的原則、化學物質的分類、化學反應的分類、化學科學的分類和化學發現的分類等方麵的課題。
化學分類的原則
在化學研究中對科學材料進行分類,是以事物的質的差別、事物的矛盾的特殊性為客觀依據的。凡是歸為同一類的化學物質或反應,它們在質上應當具有共性,或具有相類同的矛盾特殊性,即具有質的內在聯係性。化學分類正是以這些研究對象本身的某種屬性或聯係作為分類標準的。由於化學研究對象具有多方麵的屬性,對象之間的聯係又具有多樣性,因此,化學分類也可能有著多種不同的標準。
實際上,化學分類就有一個從現象分類到本質分類的發展過程。化學現象分類隻以化學物質或過程的外部標誌及外在聯係作為依據;化學的本質分類,則須以化學物質或過程的本質特征及內部聯係作為依據。現象分類由於不能反映事物的本質,從而有可能把本質上不同的事物歸為一類。例如氯、溴、碘從結構與性質方麵看應屬於同類的元素,但若從外在的物質形態上做現象分類,則就會被分別劃歸為氣體元素、液體元素和固體元素等不同的類別。因此,化學分類應當堅持本質分類。例如從化學元素分類的演變上看,古代的“四元素說”、“五行說”以至波義耳的元素說都是現象分類。到19世紀以後,門捷列夫等人開始從元素的性質與原子量的關係上對化學元素進行本質分類,直到莫斯萊發現了原子序數的核電荷數的實質,又完善了這種本質分類,從而加深了人們對元素本質的認識。
要做到化學的本質分類,必須遵循一般分類的基本原則。這些原則主要是:
一、同一性原則
它要求化學分類必須始終堅持統一的分類標準。在化學分類中,無論采取什麼樣的分類方法,在一次具體的分類中,都必須根據同一個標準去劃分。否則,就容易產生分類的重疊現象。因此,在化學分類中,任何一種分類都必須選擇一個正確的本質分類標準,並應在整個分類過程中始終堅持一貫,不能在中途任意更換分類標準。
二、相稱性原則
即化學分類必須相應相稱。無論對化學物質或化學過程進行分類,所分得的各子項之和必須與被劃分的母項相等。這樣才能避免出現分類過寬或分類過窄的邏輯錯誤。例如,對酸類物質進行化學分類,首先可以劃分為含氧酸與無氧酸兩大類。這是19世紀初法國化學家蓋·呂薩克的貢獻。而在此以前,18世紀的拉瓦錫曾把所有的酸都歸為一類物質,認為凡是酸都必含氧,從而把HCl、H2S和HCN等許多不含氧的酸都被排除出酸之列。這就是分類的子項之和小於母項,出現了分類過程的錯誤。
三、子項不相容原則
在化學分類中,若把化學物質或某種化學過程作為母項,並將其分為若幹子項,則所有的各個子項必須具有全異關係,不允許出現子項間的相互交叉或從屬關係。因為假若有兩個子項之間並非全異關係,那就必然會產生這樣的情況:某項被分類的對象既屬於這個子項同時又屬於那個子項。這樣就會引起分類的混亂不清。
四、層次性原則
化學分類還必須逐級進行。它要求必須根據化學物質或化學過程之間所固有的層次關係逐級進行,不能隨意越級劃分。例如,對化學物質的分類,如果分為元素、酸、堿、鹽、有機物、絡合物……,就會產生越級劃分的邏輯錯誤,而顯得非常混亂。若按照層次性原則,就應當先把化學物質劃分為元素和化合物,然後在化合物中再分成無機物與有機物兩大類。最後再分別對無機物和有機物在一定層次上依不同標準進行逐級劃分。這樣就可以使全部化學物質得到一個層次分明的詳盡而有序的分類。
化學分類的這些基本原則,其中以同一性原則尤為重要。因為隻有堅持分類標準的同一性,才能保證不違背分類的相稱性原則,避免出現子項之間的交叉或從屬關係,進而實現分類的層次性。可見,這些原則之間有著內在的緊密聯係。
自然界的事物總是既彼此差別又相互聯係的。差別性是分類的根據,而聯係性卻又使人們不能把這些對象截然分開。因此,分類原則具有著相對性。隨著人們對自然界中化學物質及其變化過程認識的不斷深入,化學分類原則也會更加完善,以促進人類對化學運動和化學科學認識的不斷深化和發展。
化學物質的分類
化學物質是化學運動的物質承擔者,也是化學科學研究的物質客體。這種物質客體雖然從化學對象來看隻是以物質分子為代表,然而從化學內容來看則具有多種多樣形式,涉及到許許多多物質。因此,研究化學物質的分類就顯得非常重要。
按照物質的連續和不連續(分立的)形式,首先可以把化學物質分為連續的宏觀形態的物質,如各種元素、單質與化合物,以及不連續的微觀形態的物質,如各種化學粒子等兩大類物質。
一、化學粒子的分類
化學粒子的種類也是紛繁多樣的。根據現代化學的研究成果,我們可以把它們分為原子、分子、離子、自由基、膠粒、絡合粒子、高分子、活化分子、活化配位體化合物和生物大分子等等。這些物質粒子中的每種粒子都有其自身的組成和結構。它們之間是有區別的,然而又是相互聯係的。
原子被看作是化學變化中保持本性不變的最小粒子。
分子是由原子構成的粒子,是化學運動的主要承擔者,在化學反應中發生質變。
離子是原子(或原子團)失去或得到電子形成的帶電粒子。
自由基是含有未配對電子的不帶電荷的物質粒子。它主要是從有機化合物分子進行分解而形成的,又稱遊離基。
膠粒是在分散體係中線性大小介於1~100nm(1nm=10-7cm)的帶電分散相粒子。它是由分子聚積成的膠核和離子組成的複雜粒子。
絡合離子現今通稱為配位粒子。它是由中心離子(或原子)與其它一些粒子(離子或分子)通過配位鍵結合起來的荷電的或中性的複雜粒子。
高分子則是由大量原子以共價鍵結合起來的大分子。分子量高達幾千到幾百萬(而一般有機化合物分子量約在500以下)。如以來源劃分,可分為天然高分子化合物(如蛋白質、澱粉和纖維素等)和合成高分子化合物(如塑料、合成橡膠、合成纖維等);如以組成和結構劃分,又可分為由同一結構單元(單體分子)多次重複聯結成的高聚物高分子(如聚乙烯、聚丙烯等),以及由不同結構單元形成,並具有特殊生命功能的生物高分子(如蛋白質和核酸等)。
隨著化學科學的發展,本世紀以來又相繼發現了諸如活化分子、活化配位體化合物等一些新的物質粒子。
在上述這些化學粒子中,原子是基礎,原子核外的電子是橋梁,其它粒子則是以原子為基礎通過電子的轉移、結合(配對)、接受而形成的。
研究化學粒子的分類,可以充分證明化學粒子多樣性的統一,具有重要意義。這是我們確立化學科學在自然科學體係中的地位和在化學科學內部進行分類的重要基礎。化學粒子是化學研究內容所包含的物質客體。它使化學同物理學和生物學等學科相區別;同時這些學科又從不同角度研究一些相同的化學粒子,又使化學同物理學和生物學等學科發生聯係和相互過渡。在化學科學的內部,隨著人們對化學粒子多樣性的深入研究,不斷分化出許多新的分支學科。例如19世紀在原子—分子學說的基礎上,人們把化學分成無機化學和有機化學等;後來發現了配位粒子,人們就從其中分化出配位體化學;再往後又分化出研究離子行為的電化學和溶液化學;研究膠粒及其組成的分散體係的膠體化學;研究高分子物質的高分子化學;以及研究生物大分子行為的生物化學等。可以預料,隨著化學的發展,還會發現新的化學粒子,人們對化學粒子分類的研究,也必將日益深入。
二、化學元素的分類
化學物質的宏觀連續狀態,可以分為單質和化合物兩大類,而它們又都是由元素構成的。
人類認識的元素目前已達109種。其中有94種是在自然界中已找到的天然元素,15種是人造元素。
對元素的分類早在19世紀初就開始研究了。在門捷列夫之前已有不少化學家從事過化學元素的分類研究。例如波登科弗、格拉法斯通、杜馬、尚古都等人從各個角度出發對元素進行分類。或以元素電化序為分類標準,或以原子價,或以原子量順序為分類標準等,其中比較重要的分類成果是“三素組”、“八音律”和“邁爾曲線”。
“三素組”是1829年由段柏萊納創立的。他把已知元素中的十五種分作五組,每組中包含著三個性質相似的元素,故稱“三素組”。他指出在三個同組的元素中,中間元素的原子量等於前後相鄰的二個元素原子量的算術平均值。而英國人紐蘭茲則試著把元素按原子量大小的順序排列起來。1865年他發現“第八個元素是第一個元素的某種重複,就像音樂中八度音程的第八個音符一樣”,被稱為元素分類的“八音律”。德國化學家邁爾經過細致的分類研究,指出“元素的性質為原子量的函數。”他把原子量作為橫坐標,以原子體積為縱坐標,繪成了原子體積曲線,結果是相似的元素在曲線上都占據著類似的位置。如此,顯示了原子體積和原子量的函數關係。這就是著名的邁爾曲線。
1869年,門捷列夫在前人工作的基礎上,著重研究了對元素的綜合性分類。他指出“不管人們願意不願意……,在元素的質量和化學性質之間一定存在某些聯係……因此就應該找出元素特性和它們原子量之間的關係。”
門捷列夫第一次對元素做了本質性的分類。後來由於人類認識的元素越來越多,特別是19世紀末物理學的一係列新發現,使莫斯萊把門捷列夫的分類又推向新的水平。至今人們已對元素的分類形成了更加完備的認識。元素周期律是應用化學分類方法取得成功的典範。
在化學物質中比較簡單的是單質,它是由相同元素組成的物質,可分為三類:金屬、非金屬和稀有氣體。
三、化合物的分類
對化合物的分類,是研究化學物質分類的一個主要內容。現在通行的化合物分類方法是按化合物分子的不同來分類。首先分為無機化合物和有機化合物。
無機化合物中,按分子的組成與結構方式不同可分為氧化物、堿、酸和鹽類。而每類化合物當然又可以進一步分類。例如在氧化物中,可以分為酸性氧化物、堿性氧化物和兩性氧化物三大類;無機酸類又可以分為含氧酸(如H2SO4)和無氧酸(如HCl)兩類。同樣,堿類和鹽類均可以進一步分類。
對有機化合物,人們通常根據碳幹的不同把它們分為鏈狀化合物、碳環化合物和雜環化合物三大類。其中,碳環化合物又可分為脂環類化合物和芳香族化合物。有機化合物也可以依照其它標準分為脂肪族、脂環族、芳香族和雜環化合物四大類。在脂肪族化合物分子中碳原子與碳原子之間結成了鏈狀結構,所以也就是上述的鏈狀化合物;脂環化合物分子裏含有碳環,但其性質與脂肪化合物類似,故稱脂環化合物;芳香族化合物的分子結構中都含有由六個碳原子組成的苯環,在環上的碳原子間由單鍵和雙鍵交替連接著而構成了特殊的大π健,其性質與脂肪族、脂環族不同;雜環化合物的環狀結構中除碳原子外,還有其它原子(如N、S、O等),隻有類似於芳香族化合物的特性。