一、系统理性概念群的建立
19 世纪末 20 世纪初发生的物理学革命在整个科学领域里产生了巨大的 冲击波，也丰富和发展了既定的化学概念。新概念数目剧增，并且都具有崭 新的特征，很难被原有概念群同化。此时，对原有概念群的重新考察，预示 了化学新世纪的到来。
20 世纪化学概念的更新和发展的显著特征之一就是，随着化学领域与物 理学领域在原子研究层次的交汇，而使化学概念群与物理概念群相互融合。 在此基础上，化学键概念不断变革和丰富起来。一方面，对化学键的本质认 识越来越深入；另一方面，随着一系列新型化合物的合成，化学键的种类也 日益增多。
具体地说，在 1898 年，汤姆逊用实验确认电子的存在。1913 年玻尔把 普朗克的“量子”概念和卢瑟福的原子模型结合起来，提出了原子的“定态” 概念，架起了经典物理学与现代物理学之间的第一座桥梁。1916 年柯塞尔和 路易斯分别提出了原子价的电子理论，把化学键分为离子键和共价键，开始 用电子的运动状态来说明化学键的本质。
在薛定谔、海森堡等人创立的量子力学理论的基础上，玻尔等人揭示了原子结构与元素周期律之间的关系；海特勒-伦敦给予氢分子中的化学键以崭 新的量子力学解释。1928 年，鲍林提出“杂化轨道”概念，这个概念并没有 相应的物质实体，而是一个数学处理过程。在鲍林看来，化学键不过是满足 某些条件的杂化轨道之间的有效重叠。密立肯吸收了利纳德-琼斯、休克尔等 人的思想，于 1932 年提出“分子轨道”概念，认为化学键就是在成键分子轨 道中电子的运动效果。随着对化学键本质的深入了解，产生了一系列相关的 概念，如键能、键长、键角、键的极性、饱和性和方向性、单键、双键、叁 键、定域键与离域键、σ键、π键、共轭、超共轭等。相应地，化学结构概 念也被重新理解，内容也更为丰富，各种同分异构现象的发现，构型和构象 概念的提出，就表明了这一点。
在 20 世纪上半叶，已经发现化学键的三大类型：离子键、共价键（包括配位键）和金属键。50 年代以来，人们合成了许多新型的化合物。通过现代 结构分析实验和量子化学理论计算，从中发现了一系列新型的化学键。早在30 年代，斯托克（A·stock，1876—1946）就建立了硼烷的合成方法。但是，关于硼烷分子中的化学键问题一直争论不休。在 1943—1947 年期间，隆格- 希金斯等人提出了双电子桥式三中心键模型。后来，美国的李普斯科姆（W·N·Lipsb，1919—）肯定了三中心键这一新概念。1951 年，英国人保尔森（Pauson）和米勒（Miller）等人合成了二茂铁（C5H5）2Fe，通过分子轨道理论的分析和 X 射线晶体分析，提出了“π—d 配位键”概念。60 年 代以来，被合成和经结构鉴定具有 M-M 键（金属——金属键）的化合物越来 越多，其中的金属元素一般都是过渡元素。许多实验事实表明，这些 M-M 键 一般是多中心键。于是，金属原子簇这一全新概念应运而生。此外，作为无 机化学和有机化学的中间地带的元素有机化学的发展使得某些无机化学亚概 念群和有机化学亚概念群相互融合起来。
20 世纪化学概念群的更新和发展的显著特征之二就是，随着化学键概念 的更新和丰富，有关化学键变化的概念也丰富和发展起来，表现在一系列新型的化学反应的发现及其机理的研究以及各种化学反应理论的建立。 在有机合成领域中，发现了一系列化学反应的机理，诸如亲核加成，亲电加成、亲核取代、亲电取代、重排反应、周环反应等。链式反应的发现及 其机理的研究，标志着现代化学动力学概念的重大突破。博登斯坦（M.Bodenstein，1871—1942）于 1913 年提出链反应概念。由于朗格缪尔（催 化吸附理论）、泰勒（活性中心理论）和不少苏联催化化学家的努力，各种 各样的催化反应机理逐渐被人们所认识。50 年代以来，有人提出了催化现象 的量子力学解释。普里戈金在对化学振荡反应研究的基础上，提出了“耗散 结构”这一对当代科学产生重大影响的新概念。70 年代以来，由于光谱学、 分子束和激光等技术的发明和应用以及大型电子计算机的推广使用，分子反 应动力学成为化学领域中最富有成果的前沿之一。分子反应动力学从微观角 度（或分子的量子态层次）探讨分子内或分子之间发生的化学反应的详细过 程，提出了一系列崭新的概念，如态-态反应、选择性断键、微分反应截面和 分子设计等。
另一方面，对化学反应的系统的理论解释也取得了注目的成就。1952 年，日本的福井谦一提出“前线轨道”概念，这个概念可以推广到整个化学 反应领域，并从对物质结构的静态描述转向对反应过程的动态探究。1965 年，伍德瓦德-霍夫曼提出“轨道对称性守恒”概念，使人们对化学反应规律 的认识又前进了一步。70 年代以来，化学反应的轨道拓扑学研究也取得不少 丰硕成果。显然，现代化学概念是向着微观探究、动态分析和数学化的方向 发展的。
上述诸概念，在很大程度上，都是通过化学键及其变化来揭示物质的化学运动。可以这样认为，化学键概念一跃成为 20 世纪化学的主导概念。化学 键概念自身的变迁，反映了化学概念的不断更新。在这一时期，个体概念以 互相连接的形式涌现，概念群也以相互交融的方式产生（如量子化学亚概念 群）。在深度上，随着化学键概念的深化以及化学反应机理的揭示，概念群 继续分化；在广度上，在各亚概念群的交汇点上或者在概念群与其它学科概 念群的渗透中又有新质的亚概念群（如元素有机化学亚概念群、生物化学亚 概念群等）出现。各亚概念群的交汇是交叉学科和边缘学科产生的标志。它 们使化学进入了既分化又综合的时期。因此，这一概念群称为系统理性概念 群。
二、系统理性概念群的特点
系统理性概念群的概念可以根据模型化的理论进行推导，或者通过数理 方程的求解而获得。因此，对经验事实和实验现象的直接概括，并不是新概 念产生的唯一途径。直观性原则受到了冲击。抽象的数学方法使概念群得到 了更加精确的规定，也促进了演绎化程度较高的严密系统的学科的建立。
新概念的内容是它本身与背景知识中的其余概念关系的总和。每一个概 念都凝结着相应的某个理论系统中关于该概念所反映对象的全部知识。非直 观性、数学化、系统化是系统理论性概念群的重要特征。系统理性概念群的 建立展示了整个学科的广阔前景。
然而，不能把化学的发展仅仅归结于量子力学的发展，化学概念的突破 点还有待于进一步探明。要实现化学的更大进步，在对现有概念的处理方面，就应“用另一些离直接经验领域较远的概念来代替这概念。”①这就只能“通 过找出作为类推的基本概念而起作用的新的有效的理论概念以及它所驱使的 量子力学的理论语言来实现。”②所以，主导概念的建立和新概念群对原有概 念群的更替是学科发展的主要内因之一。
综上所述，在学科发展的历史进程中，有不同质的概念群的出现，它们 反映了具体学科在不同时期的认识水平。从对客体非本质特性反映的前科学 概念群到对客体本质属性反映的科学概念群的转变，是一场深刻的化学革 命。科学概念群具有不同水平的表现形态，既有简明的、实体化的初级理性 概念群，也有预见力强、符号化、定量化的高级理性概念群。随着对化学对 象的研究越来越深入，化学概念越来越难以归结为某种物质实体及其运动的 直观的东西。系统理性概念群的建立使化学进入整体和数学化的崭新的发展 阶段。因此，把概念群作为科学知识发展的基本结构要素，从历史-逻辑相统 一的原则出发，探索科学发展的内在规律，探索科学史上理性要素的增长和 科学方法演化的一般规律，对于科学方法论研究、科学哲学的研究尤其是化 学科学本身的发展都具有重要的意义。
附：化学概念群的演化表
① 《爱因斯坦文集》，第 1 集，许良英译，商务印书馆，1976 年版，第 225 页。
② [日]福井谦一：《化学反应与电子轨道》，李荣森译，科学出版社，1985 年版，第 14 页。
类别 时期、主要 贡献者
个 体 概 念举例
主 导 概念
概 念 间 关 系
特征
效应
备注
前科 学 18 世纪以前 概念群 亚 里 士 多 德、德谟克
利特、帕拉 塞斯、波义 耳等
四 元 素 说 、 原 子、三要 素 、 掺 合
/
个 体 孤立
直观性、思 辨性、含糊 性
学 科 萌芽
在 前 科 学 概 念 群 和 初 级 理 性 概 念 群 之 间 有 非 科 学 的 概 念 群
初级 理 18 世纪拉瓦 性概 念 锡等
群
元素、单 质、化合 物 、 氧 化 、 还 原
单 质
（ 元 素）
个 体 相联
实体化、明 晰性、可检 验性
学 科 独立
高级 理 19 世纪道尔 性概 念 顿、阿佛加 群 德罗、凯库 勒、布特列洛夫等
原子、原 子量、分 子、化学 键、原子 价、化学 结构
原子
群 体 分化
预 见 性 符 号化、定量 化
学 科 成熟
系统 理 性 20 世 纪 薛 定
概念群 谔、鲍林、密 立肯、福井谦 一、李远哲等化学键、原
子轨道、分 子轨道、杂 化轨道、前 线轨道态- 态反 应
化学键
群 体 分
化 与 综 合
非直观性、数
学化、系统化
学 科 精
密
