伏打电堆的发明(1800 年)开辟了对亲合观进行电学研究的新时代。戴 维、贝采里乌斯等对元素电荷特征的研究“为元素之间化学亲合力的新的观 点奠定了实验基础;根据这种观点,元素 是按其电荷(即静电学地)进 行化合(吸引)的。”①亦即说,对亲合概念的研究开始突破纯粹机械论(力 学的)框架,进入了电力论(电学的)范畴。此时仍将 affinity 译为“亲合 力”,是因为化学家们类比地从牛顿力学来理解静电作用(电力)。
一、电化二元论中的亲合观 戴维认为亲合力与正负电荷间的吸引力成正比,并认为彼此间有亲合倾向的物质相互接触时会带电,而电荷的中和促使化合发生。设α和β表示有 亲合倾向的两物,γ表示化合产物,则戴维的电化二元论观点可简示为α
β
( Ⅰ ) 接 触
α
β
( Ⅱ) 化 合
γ
(A)
贝采里乌斯基于 1803 年进行的盐类水解研究提出:(1)电流能分解化 合物;(2)分解量正比于电量,而与亲合力及电极表面有复杂关系;(3) 分解变化首先依赖组分对电极的亲合力,其次依赖组分间的亲合力,最后依 赖生成化合物的“内聚力”。何谓“内聚力”?贝采里乌斯可能取牛顿内聚 力的表层意义(参看第三节第一部分),但更具体地表述为保持化合状态的 吸引力。他认为电荷中和后组分仍结合在一起的事实表明“化合物中的原子 仍是极化的”,而电流使化合物分解“证明了化合状态是靠极性来维持”。① 此外,“内聚力”的深层意义发生了变化:以牛顿引力公式为q q
根据的机械引力变成了以库仑公式(f
K
1 2 ) 为根据的、化合物中极化原
2
子间的静电引力。就此而论,内聚力概念的变化体现了亲合概念内涵的深化。 既然原子是电偶极,那么元素的电性特征取决于原子所具正负电荷的比例。这样,贝采里乌斯抛弃了(A)式中的(Ⅰ),通过提出电解是化合的逆过程而发展了(Ⅱ),于是得:
由此,电性成了原子的固有属性,而不是戴维所说的接触效应,因而电 荷中和的客观效应无法清除原子间的静电引力。正因如此,贝采里乌斯的电 性表成了一个分析亲合力大小的依据。比如对氧来说,钡的电正性强于铜, 故氧与钡间的亲合力大于氧与铜间的亲合力。贝采里乌斯还考虑到影响亲合 力大小的另两个因素:温度升高,亲合力增大;结合物间距离增大,亲合力减小。这些是对库伦定律的定性运用( 即f
q 1q 2 )。这些使亲合概念向三个判
r 2
据(本质性、检验性、明确性)逼近了一步;换言之,电化二元论使亲合力概念的科学性得到了加强。
如果从第二节引用过的“like assorts with like”引伸出“同性相吸, 异性相斥”,那么贝采里乌斯对亲合力选择性特征的看法可表述为相反的命① 凯德洛夫:《化学元素概念的演变》,科学出版社,1985 年版,第 123 页。
① 柏廷顿:《化学简史》,商务印书馆,1979 年版,第 211 页。
题:“同性相斥,异性相吸”。尽管这反映了亲合观的深化,但它本身遇到 了许多困难,如它无法解释两氧原子间的结合。实际上,在有机化学中,电 化二元论遇到更多经验事实的证伪。
二、基团、核团说中的亲合观 在有机化学中,活力论或生命力信仰长期影响人们的思想。与此抗争的一个因素是下述观念的逐步确立:“同样一些化学定律既支配生物界,也支 配非生物界”。①基因概念的形成和发展与此密切相关。贝采里乌斯在 1817 年认识到,“所有有机物质是复合基的氧化物,植物物质的基一般含有碳和 氢,动物物质的基一般含有碳、氢和氮。”①后来,发现新基团,并用电化二 元论加以解释开始成为有机化学的研究主题。由此建立起来的“基团理论就 像当时支配无机化学的理论一样,其基本原理是电化学理论的二元论”。② 基团被分成两类:形成碱的电正性基团和形成酸性氧化物的电负性基团。于 是,基团间的亲合力是静电引力,这就使亲合概念的适用范围得到了扩展。
对基团学说及其理论基础电化二元论的证伪可举出杜马(J·B·A·Dumas) 等人对取代反应的发现。例如,电负性的氯竟能取代有机物中电正性的氢! 鉴于此,杜马毅然主张抛弃电化二元论的亲合观,并提出:“我们可以将化 合物比成一个行星系,并假定各个质点靠相互吸引而保持在一起。”③这种设 想中的亲合力类似于牛顿引力。相应地,日拉尔(C·F· Gerha-rdt)明确 主张用牛顿亲合观取代贝采里乌斯亲合观。罗朗(A.Laurent)在主张用核团 理论代替基团理论时,实际上试图用波义耳的契合亲合观来取代贝采里乌斯 的亲合观,因为他把原子核设想为棱柱形,碳、氢原子分别位于角和棱上; 氯取代氢时,棱柱不变形,产物保持原物类型。换言之,杜马、日拉尔和罗 朗等在反对贝采里乌斯的亲合观时,使牛顿或波义耳的亲合概念的适用范围 得以扩大,但在内涵上却无深化。后来使亲合概念内涵发生巨大变化的是原 子价和化学键概念的提出(1852 和 1856 年)。
三、原子价、化学键与亲合观
1852 年,弗兰克兰(E·Frankland)指出:“不论化合的原子的性质如 何,吸引元素的化合力(如果可以用这个术语的话)总是要同样数目的原子 才能满足。”①所谓化合力(bining power)当时也用亲合单位(affinity unit)表示,后被称为化合价或原子价(valency;valence;quantivalence)。
1856 年他又提出键(bond)的概念来表示原子的结合。对价和键的概念的发展起过决定性作用的一个因素是凯库勒在 1858 年提出了两个命题:其一是碳 原子为四价,其二是碳原子间可键合。到 1861 年,布特列洛夫提出了化学结 构概念,认为化学结构是原子靠亲合力形成的稳定体系。随后,双键、三键 的发现,芳香族结构问题的解决,变价观念的确立,立体结构的研究等推动 着化学亲合观向前发展。
正如张嘉同所说:“原子价和化学键,二者既有联系又有区别。前者表 征一原子结合其他原子的数量,后者表征原子之间结合的力量或强度。它们① 肖莱马:《有机化学的产生和发展》,科学出版社,1978 年版,第 17 页。
① 柏廷顿:《化学简史》,商务印书馆, 1979 年版,第 230 页。
② 肖莱马:《有机化学的产生和发展》,科学出版社,1978 年版,第 20 页。
③ 同上,第 28 页。
① 莱斯特:《化学的历史背景》,商务印书馆,1982 年版,第 204 页。
从不同方面反映出原子结合成具有一定组成和结构的物质的性质,是作为形 成和保持化合物分子原因的化学亲合力的具体体现。这两个概念将化学亲合 力与关于物质的组成和结构的经验资料联系起来,从而发展了对化学亲合力 的认识,并使之具体化。”②因此,原子价和化学键概念的出现使亲合概念发 生了涵义深化的演变,并有新语词来加以表达。化学史表明,在电子的发现 揭示了电运动的物质基础并打破了原子不可分的观念以后,力学和电学的亲 合力概念在关于原子价和化学键的研究中得到了统一和深化。
至此所论亲合概念有侧重于反映静态、局部和吸引的特点。相反,在物 理化学中以热力学为主要理论基础的亲合概念则表现出反映动态、整体并兼 容排斥因素的特征。①而且亲合概念“和整个热力学一样,已经是一个统计概 念。”②下文将表明,相应的亲合概念被归结为各种形式的能量,故我们以“亲 合能”译之。
② 张嘉同:“从化学亲合力到现代化学键理论,”《北京师范大学学报》(自然科学版),1982 年第 4 期。
① 盛根玉:“近代化学家的思维方式和研究方法的历史考察”,《自然辩证法研究》,1987 年,第 3 期。
② 莱斯特:《化学的历史背景》,商务印书馆,1982 年版,第 231 页。