王洛印

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)科技史與發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，哈爾濱，150080）

大河之源：法拉第對碳的氯化物的研究

王洛印

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)科技史與發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，哈爾濱，150080）

法拉第的純化學(xué)研究以其關(guān)于碳的氯化物的研究為起點，該項研究有其深厚的哲學(xué)思維理論背景，反映了法拉第一生貫穿始終的思維方式、研究特點和理論基礎(chǔ)，并對其以后的電磁學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響。通過分析《法拉第日記》及其他相關(guān)研究資料，梳理法拉第關(guān)于碳的氯化物研究的詳細(xì)過程，揭示其理論基礎(chǔ)和法拉第的科學(xué)思想及思維方式，說明其化學(xué)研究對日后電磁學(xué)研究產(chǎn)生的重要影響。

法拉第 《法拉第日記》 高氯化碳 低氯化碳 康德力學(xué)理論點原子

0 引 言

法拉第（M.Faraday，1791～1867）是經(jīng)典電磁學(xué)理論的奠基者，不僅在物理學(xué)領(lǐng)域作出了許多重要貢獻(xiàn)，在化學(xué)領(lǐng)域同樣有許多重要發(fā)現(xiàn)，是一位重要的化學(xué)家。不過，其化學(xué)研究的指導(dǎo)思想并不同于當(dāng)時主流的化學(xué)思想理論，有其鮮明的個人特色。迄今為止，國內(nèi)外科學(xué)史界對法拉第的研究較為深入，但大多集中于其電磁學(xué)研究方面，對其早期的化學(xué)研究則較少涉及，目前還未發(fā)現(xiàn)有人專門就法拉第關(guān)于碳的氯化物的研究進(jìn)行過專題研究。而縱觀法拉第一生的科學(xué)事業(yè)，可以發(fā)現(xiàn)指導(dǎo)其作出諸多重要發(fā)現(xiàn)的思想理論基礎(chǔ)，無論是在化學(xué)還物理學(xué)方面，都是連續(xù)統(tǒng)一的，其間沒有明顯的割裂和突變點?！斑@（李比希的評價）①括號中的注釋如非特別說明，均系筆者加注。意味著法拉第從事物理研究時，利用了其在化學(xué)學(xué)徒時期所學(xué)到的化學(xué)方法?！保?］如果對其早期的化學(xué)研究不作深入探究，從法拉第的整個科學(xué)生涯出發(fā)來全面考慮和評價其化學(xué)研究的價值與意義，就很難明確、清晰地說明法拉第科學(xué)思想的發(fā)展變化過程，而所作的相關(guān)論述也易陷入虛浮無力的境地。

《法拉第日記》作為研究法拉第的原始材料，具有重要的史料價值。而日記的最初部分也正是從碳的氯化物研究開始。1820年12月21日，法拉第在皇家學(xué)會宣讀了基于日記所撰寫的關(guān)于碳的氯化物研究的相關(guān)論文，并在會刊《哲學(xué)學(xué)報》上發(fā)表，這是他科學(xué)生涯的首次。［2］因此，從某種意義上說，法拉第關(guān)于碳的氯化物的研究是其純科學(xué)研究生涯的真正開始。其敘述風(fēng)格、研究特點以及內(nèi)部暗含的理論觀點基本上奠定了法拉第一生主要的研究特色和理論基礎(chǔ)。從《法拉第日記》入手，結(jié)合書信、私人筆記及其他相關(guān)研究材料，我們將嘗試還原法拉第的詳細(xì)實驗發(fā)現(xiàn)過程，并在此基礎(chǔ)上對其科學(xué)思想進(jìn)行探討。

1 研究碳的氯化物之緣起及其理論基礎(chǔ)

氯氣是瑞典化學(xué)家舍勒（K.W.Scheele，1742～1786）于1774年發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時他并沒有認(rèn)識到氯是一種元素。由于該物質(zhì)是一種氣體，且產(chǎn)自于鹽酸，依照當(dāng)時流行的燃素理論，舍勒稱該物質(zhì)為“脫燃素鹽酸氣”，意即某種未知元素的氧化物。1778年，拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743～1794）提出酸氧理論，認(rèn)為任何酸都具有酸性是因為含有氧的原因，該學(xué)說進(jìn)一步強(qiáng)化了舍勒所謂的“脫燃素鹽酸氣”應(yīng)該是氧元素與另一種元素的化合物的認(rèn)識。1810年，戴維（H.Davy，1778～1829）通過實驗發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)不可電解，由此確認(rèn)其為一種新元素。

自1810年至20年代，作為氯元素的確定者和命名者，戴維一直對該物質(zhì)及其化合物進(jìn)行密切關(guān)注和陸續(xù)研究。他和法拉第逐漸發(fā)現(xiàn)氯具有一些當(dāng)時流行的化學(xué)理論無法解釋的特性。按照當(dāng)時貝采利烏斯（J.J.Berzelius，1779～1848）的“電化二元論”，氧的電性和碳的電性相反，所以劇烈反應(yīng)燃燒，氯的化學(xué)性質(zhì)同氧相似，并且也可助燃，所以氯的電性也應(yīng)與碳相反，二者應(yīng)劇烈反應(yīng)燃燒。但實驗結(jié)果卻并不如此。

當(dāng)時化學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了碳、氫、氯的三元化合物，戴維之弟——約翰·戴維（J.Davy，1790～1868）也已制成光氣（COCl2），這充分說明氯和碳以及其他元素能形成三元化合物。如何解釋氯和碳能共存于三元化合物中，卻不能反應(yīng)形成二元化合物？當(dāng)時基于原子論及元素理論的主流化學(xué)理論認(rèn)為，由于氯、碳二元素之間不存在親和力或親和力很弱，所以無法形成二元化合物。而在三元化合物中，由于“碳與氧能形成化合物，氯與氧也能形成化合物。光氣作為一種三元化合物，氯和碳通過氧的媒介作用而綁定在一起，從而存在于一個穩(wěn)定的化合物分子中。氧的出現(xiàn)彌補(bǔ)了氯碳之間缺少的親和力，由此形成了穩(wěn)定的三元化合物”。［3］但戴維和法拉第則并不這樣認(rèn)為，他們認(rèn)為氯和碳能共存于一個三元化合物分子中，就足以說明這兩種元素之間的親和力決不會弱：

氯和碳之所以很難形成化合物，可能正如戴維爵士所指出的那樣，不是因為兩種物質(zhì)之間沒有或缺少親和力。因為存在氯、碳、氫所形成的三元化合物，所以可以得出結(jié)論，就是任何兩種物質(zhì)之間的吸引力決不會弱，并且戴維博士所發(fā)現(xiàn)的氯、碳、氧結(jié)合在一起的光氣，是另一個支持這種觀點的強(qiáng)有力的例證。［4］

戴維和法拉第持有的這種觀點，在當(dāng)時主流的化學(xué)理論來看，是荒謬和不可理解的。“僅僅一種化合物中出現(xiàn)三種物質(zhì)并不能說明兩種物質(zhì)之間的親和力大小?！保ǎ?］，121頁）研究法拉第的美國著名學(xué)者威廉斯（L.P.Williams）認(rèn)為，“這段話非常有趣，因為他揭示了法拉第工作的理論背景?！保ǎ?］，121頁）他在相關(guān)著作中詳細(xì)介紹了戴維和法拉第對波斯科維奇（R.G.Boscovich，1711～1787）“點原子理論”的認(rèn)識與應(yīng)用，認(rèn)為正是基于點原子理論所形成的關(guān)于物質(zhì)原子及分子的認(rèn)識，造成二人這種奇怪的觀點。點原子理論是戴維和法拉第二人研究純化學(xué)、特別是研究碳的氯化物的最重要的理論基礎(chǔ)。（［3］，73～80，121～122頁）

1.1 點原子理論

點原子理論是意大利學(xué)者波斯科維奇于1758年提出的一種理論，是為調(diào)和牛頓（I. Newton，1643～1727）引力理論與萊布尼茨（G.W.Leibniz，1646～1716）“單子論”而創(chuàng)造的一種中間理論。牛頓及其追隨者認(rèn)為，物質(zhì)由大量原子組成，這些原子類似完全彈性小球，完全堅硬，不可貫穿，由此帶來解釋上的一些難題。例如，如果原子是完全堅硬的，碰撞時形變就不可能發(fā)生，這在波斯科維奇看來是十分荒謬的。他借助“單子論”中的“單子”概念，認(rèn)為物質(zhì)是由類似單子的、不可分的點原子所構(gòu)成。這些點原子可以看作是數(shù)學(xué)上的一個點。點原子之間按照距離的遠(yuǎn)近，分別出現(xiàn)出不同的引力和斥力。如圖1所示，當(dāng)一個點原子從無限遠(yuǎn)處靠近另一個點原子，它們之間的距離大于H時，二者之間遵循平方反比關(guān)系的引力作用。H點是宏觀和原子世界的分界線。小于H，引力不再遵循平方反比關(guān)系。引力達(dá)到一個最大點后，又逐漸變小，至D點，作用力為零。從D點至A點，按照距離的不同，分別表現(xiàn)為斥力或引力，呈現(xiàn)幾個波峰波谷式的變化。從A點至兩原子之間距離無限近，作用力表現(xiàn)為斥力，隨著距離變小而不斷增大，在無限小時為無限大。（［3］，74～75頁）

圖1 點原子之間作用力示意圖（［3］，74頁）

當(dāng)然，波斯科維奇的點原子理論并非上所述的那樣簡單，實際情況要復(fù)雜得多。在其二百多頁的著作《自然哲學(xué)原理》中，他用詳盡的敘述和大量的幾何圖形等數(shù)學(xué)工具充分描述了點原子理論的內(nèi)容，并嘗試用該理論給出各種自然現(xiàn)象的一個總的解釋。［5］點原子理論可以很好地解釋原子的碰撞和物質(zhì)運(yùn)動。它一方面保留了牛頓理論原子的不可貫穿性，因為距離無限近時斥力無限大，所以穿透是不可能的；另一方面，由于點原子之間是連續(xù)的引力或斥力作用，且點原子只是數(shù)學(xué)的一個點，沒有大小，只表現(xiàn)為力的作用中心。而力的作用方式和大小用數(shù)學(xué)表述，這種處理方式既調(diào)和了自然哲學(xué)認(rèn)識論上的一些爭論，又借助數(shù)學(xué)方式增添了相當(dāng)多的科學(xué)因素。所以該理論出現(xiàn)后不久，即在學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了較大影響。

1820年之前，拉瓦錫創(chuàng)立的化學(xué)元素理論和道爾頓（J.Dalton，1766～1844）的原子論已在歐洲產(chǎn)生了重要影響，成為解釋各種化學(xué)現(xiàn)象以及氣體反應(yīng)的最主要的化學(xué)理論。作為稍晚于道爾頓的英國重要的化學(xué)家和物理學(xué)家，法拉第一生都不承認(rèn)道爾頓的原子論，并對拉瓦錫的化學(xué)理論相當(dāng)拒斥，說明法拉第一定在借助別的理論來指導(dǎo)其化學(xué)研究，威廉斯認(rèn)為該理論就是波斯科維奇的點原子理論。

1817年，法拉第通過實驗研究發(fā)現(xiàn)氣體除了比重不同之外，其他所有物理性質(zhì)基本相同。（［4］，5頁）按照道爾頓原子論，物質(zhì)是由大小和質(zhì)量不同的各種元素原子和虛空組成。據(jù)此推測，比重大的相對移動性應(yīng)該較弱，小的則強(qiáng)。通常條件下，實驗表明確實如此。但當(dāng)條件改變后，情況發(fā)生了變化。在氣體稀薄條件下，法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣體通過小孔或細(xì)管流動時，重氣體的流動速度并不慢，甚至還快：

乙烯與氫氣在通過時一樣容易，且?guī)缀跏且谎趸蓟蚱胀諝獾亩丁６趸急却蠖鄶?shù)較輕氣體逃逸地都要快。如果縮小小孔或細(xì)管的口徑，即使在更大的壓力下，依然得到類似的結(jié)果。單獨運(yùn)動產(chǎn)生的效應(yīng)受到其他因素的干擾，需要不同的時間。引起這些異常的原因可能是（氣體）在細(xì)管中時，力減少或增加了。（［4］，6頁）

法拉第這里所說的力，是每種氣體微粒具有的特殊的力。1818年，他進(jìn)一步的研究未發(fā)現(xiàn)原因，但是給出了這些異?，F(xiàn)象出現(xiàn)的嚴(yán)格條件。法拉第最后總結(jié)道：“也許所有這些效應(yīng)都可以由設(shè)想每一種氣體具有其特殊的某種膨脹力來說明?！保ǎ?］，10頁）

威廉斯認(rèn)為法拉第利用物質(zhì)微粒本身具有的一種特殊的力來說明該特殊效應(yīng)，正是符合了點原子理論的基本觀點。（［3］，88頁）不僅如此，威廉斯還試圖利用點原子理論來詳細(xì)解釋戴維和法拉第所持有的上文所述的論點，即如果存在三元化合物，就可以說明任意兩種元素之間的化學(xué)親和力很強(qiáng)，足以形成二元化合物。威廉斯認(rèn)為，在波斯科維奇及其后繼者看來，化學(xué)科學(xué)中所說的元素原子①這里所說的“原子”并不同于我們今天的“原子”概念，而是指化學(xué)反應(yīng)中的最小微粒，與現(xiàn)今“分子”概念有些類似。并不是簡單的一個點原子，而是一定數(shù)量的點原子組成的集合。這些點原子之間存在復(fù)雜的引力和斥力作用，當(dāng)集合在一起時，就會總體上呈現(xiàn)出復(fù)雜的、圍繞這些點原子集合的一層力的“外殼”。這種力的“外殼”及力作用模式?jīng)Q定了該元素的物理和化學(xué)性質(zhì)。不同元素原子的“力殼”和力作用模式不同，性質(zhì)就不一樣。只有兩種元素原子的“力殼”互補(bǔ)，才能夠發(fā)生反應(yīng)形成分子。分子也具有其特殊的“力殼”和力作用模式，從而決定了分子的性質(zhì)。例如該理論這樣說明水分子的形成：如圖2所示，一定數(shù)目的氫和氧的點原子的復(fù)雜組合分別構(gòu)成氫和氧元素原子，原子圖形外圍的實線表示該元素原子的“力殼”及力作用模式?？梢钥闯觯踉卦拥摹傲ぁ庇袃商幾顬橥怀?，表示這兩個地方作用力最大，最容易結(jié)合氫原子。而氫原子只有一處最為突出，所以氧原子和氫原子相遇時，氧的兩處如同一把鎖的兩個“鎖眼”，恰好契合兩個氫原子形成的兩把“鑰匙”，由此構(gòu)成一個水分子。圖中外圍的虛線表示水分子的“力殼”和力作用模式，決定水分子的性質(zhì)。（［3］，76～77頁）

威廉斯指出，法拉第和戴維就是在該理論指引下，形成了上文所述的觀點。元素原子周圍圍繞斥力和引力組成的復(fù)雜的“力殼”和力作用模式，很有可能碳和氯原子的“力殼”和力作用模式不能洽合，所以兩種物質(zhì)相遇時，不會形成二元化合物。但當(dāng)?shù)谌N元素出現(xiàn)并形成三元化合物時，就會改變兩種元素中某一種元素原子的“力殼”和力作用模式，從而兩種元素“力殼”彼此洽合。此后，即使第三種元素原子移去，兩種元素原子依然可以保持結(jié)合的狀態(tài)，因此氧、碳、氯等三元化合物的存在說明了氯和碳之間存在強(qiáng)大的親和力，兩種物質(zhì)可以形成二元化合物。（［3］，121頁）

圖2 點原子理論說明水分子的形成（［3］，76頁）

威廉斯的上述論述乍看上去甚為合理，但仔細(xì)分析一下，卻發(fā)現(xiàn)存在相當(dāng)多的漏洞。首先波斯科維奇所說的點原子沒有體積，只是數(shù)學(xué)上的一個點，而物質(zhì)又由這些點原子構(gòu)成，這在大多數(shù)科學(xué)家特別是實驗科學(xué)家看來，無法理解。其次，按照威廉斯的解釋，物質(zhì)元素原子由一定數(shù)目的點原子構(gòu)成。那么究竟由多少點原子構(gòu)成，如何構(gòu)成，原理如何，為什么物質(zhì)元素原子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒？當(dāng)時科學(xué)界應(yīng)經(jīng)計算出大多數(shù)已知元素的原子量，原子量各自不同，存在差異。如何用沒有體積，甚至沒有物質(zhì)屬性的點原子集合來解釋各種元素原子量的差別？再次，如果說每種元素的性質(zhì)由圍繞點原子集合的“力殼”或力的模式所決定，那么在三元化合物中，原子“力殼”卻發(fā)生了變化，這是否意味著元素的性質(zhì)可以發(fā)生改變？如果可以改變，“力殼”就不具備了專一性，何談自然界中各種元素的差異性呢？況且在氫氧合成水的說明中，如果說氧原子的“力殼”具有兩個突起，從而和兩個氫原子結(jié)合，那么如何說明有些元素形成的多種比例的化合物呢？例如氧和碳既可以以1：1比例結(jié)合，也可以2：1結(jié)合。

諸如上述的種種疑難問題，威廉斯并未給出有足夠說服力的解答，這必然導(dǎo)致對其解釋和論證的懷疑。而且他也在著作中表明，其上述論點純屬猜測，并無確鑿資料的支持。（［3］，135頁）

1844年1月，法拉第在《關(guān)于電傳導(dǎo)及物質(zhì)本性的一點思考》一文中明確表示：“……波斯科維奇的點原子對我來說比通常的概念有一個巨大的優(yōu)越性。他的點原子，如果我理解正確的話，僅僅是力的中心，而不是力所居留的物質(zhì)粒子?！保?］這個“優(yōu)越性”依照此觀點看來，“……物質(zhì)將會是完全‘連續(xù)’的，并且在考慮一塊物質(zhì)時，我們沒必要設(shè)想原子與它們之間的空間有任何區(qū)別”。（［6］，291頁）這是法拉第首次提到點原子理論對他的影響。但須注意的是，此時距離其研究碳的氯化物已過去了24年，如果以此來推測法拉第研究碳的氯化物之前的思想狀態(tài)，則未必準(zhǔn)確。況且即使法拉第在1820年之前確實受到點原子理論的影響，我們也需要考察其對點原子理論的認(rèn)識、接受過程及程度，其中是否摻雜有其他理論觀點，他為何在長達(dá)20多年的時間從未提到過該理論。這些問題都需要在資料考察的基礎(chǔ)上給出解釋，并由此還原法拉第在研究碳的氯化物之前的思想狀態(tài)。

仔細(xì)分析法拉第1844年的論述，不難發(fā)現(xiàn)他對波斯科維奇點原子理論的認(rèn)識并不全面，且滲透有許多個人觀點?；厮葜?820年研究碳的氯化物之前，其相關(guān)認(rèn)識就難免更有偏差。作為一名有相當(dāng)深厚的哲學(xué)和宗教背景的數(shù)學(xué)家及物理學(xué)家，波斯科維奇在《自然哲學(xué)原理》一書中，全面介紹了點原子理論以及在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的關(guān)于物理力學(xué)的基本觀點和總的認(rèn)識。該著作充滿了復(fù)雜的幾何圖形及各種運(yùn)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了只有基本數(shù)學(xué)計算能力的法拉第的認(rèn)識水平。該書于1758年首次出版，1763年在威尼斯出版第二版，此后直至1922年才在倫敦出版第三版英文本。1820年之前，幾乎不懂?dāng)?shù)學(xué)又對其他語言知之甚少的法拉第，即使對波斯科維奇及其點原子理論有一定認(rèn)識，也極有可能只是表面的大致認(rèn)識，與原著所表述的并不一致。分析法拉第在研究碳的氯化物之前關(guān)于物質(zhì)和力的基本認(rèn)識，也可以證明這一點。

1.2 康德力學(xué)理論的影響

早在1816年，法拉第就在一次化學(xué)講座中表露出有關(guān)力與物質(zhì)的不同看法：

很明顯有三種引力，重力引力、電引力和磁引力，……看上去……足以說明我們所熟悉的物體間所有的趨向和附著現(xiàn)象?！瘜W(xué)科學(xué)就是建立在物質(zhì)凝聚力和親和力基礎(chǔ)之上，并且每一個化學(xué)聚合或親和現(xiàn)象也同時是一個引力現(xiàn)象?！酆弦突瘜W(xué)親和力從實質(zhì)上來說與重力引力是一樣的，電引力我不能下結(jié)論，但是我相信它們是一樣的。［7］

不難發(fā)現(xiàn)，法拉第受到了牛頓力學(xué)研究綱領(lǐng)的重要影響。法拉第將牛頓力學(xué)解釋引入到新興的電學(xué)、磁學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，認(rèn)為化學(xué)力和重力引力、電引力、磁引力都是一樣的，試圖用引力和力的相互作用來說明所有的自然現(xiàn)象，如果說這是受到波斯科維奇理論的影響，那么從根本上說，這種影響也是來源于更為久遠(yuǎn)的牛頓力學(xué)傳統(tǒng)。不過特別的是，由于法拉第幾乎不懂?dāng)?shù)學(xué)，且沒有受過正規(guī)教育，他所擁有的力與物質(zhì)的觀點與堅持牛頓傳統(tǒng)的大多數(shù)科學(xué)研究者并不相同。法拉第所認(rèn)識和研究的不是物質(zhì)與物質(zhì)之間的力作用關(guān)系，而是研究各種力及力與力之間的相互作用關(guān)系。在他看來，力不再是一種物質(zhì)屬性，而是一種實體，是一種物理實在。他不承認(rèn)牛頓的物質(zhì)實體性原子觀點而堅持力實體的連續(xù)作用理論。因此從力及力與力的相互作用出發(fā)來解釋各種自然現(xiàn)象，成為其自然科學(xué)研究的根本著力點和理論基礎(chǔ)。這種思想與認(rèn)識受到了康德力學(xué)理論的影響。

18世紀(jì)，機(jī)械論自然哲學(xué)在牛頓傳統(tǒng)的指引下，無論在物理還是天文學(xué)領(lǐng)域，都取得了巨大成功，同時帶來認(rèn)識論上的巨大變革。為了彌補(bǔ)物質(zhì)和精神二元論伴隨機(jī)械主義帶來的嚴(yán)重的宗教信仰危機(jī)，康德（I.Kant，1724～1804）建立了一套哲學(xué)體系，企圖將“浩瀚的星空和心中永恒的道德法律”整合在一起，從而消除二元論帶來的種種弊端，并規(guī)定科學(xué)研究的界限?？档略?781年的《純粹理性批判》中試圖對人類理性所達(dá)到的程度給出限定。通過嚴(yán)密的概念設(shè)定和命題分析，康德認(rèn)為自然哲學(xué)所說的時間和真空，是沒有經(jīng)過實驗檢驗的人類先天直覺的結(jié)果，因此不能應(yīng)用于理性主導(dǎo)的科學(xué)研究中。物質(zhì)概念和時空概念類似，也是人類直覺的結(jié)果，所謂的“物自體”和“精神”概念相似，是人類理性所不能達(dá)到的，是不可知的?？茖W(xué)所研究的空間是充滿了實體的，這種實體是力而不是物質(zhì)。物質(zhì)直覺來源于人類理性可以理解和檢驗的力和運(yùn)動。因此，從根本上來說，人類理性所能達(dá)到的最終界限只能是力，所以自然科學(xué)的基礎(chǔ)和處理原則只能是各種力，而不是存在于時空中的物質(zhì)。［8］

康德所說的力只有兩種作用形式，引力和斥力。引力和斥力的各種沖突產(chǎn)生了力的稀薄和濃縮，由此產(chǎn)生了自然界的各種現(xiàn)象。因此，空間中的任何一點，都是引力和斥力作用的結(jié)果?？臻g的連續(xù)性由力的連續(xù)性所決定，力彌漫于整個空間，綿延不斷。由于自然界的各種力只能表現(xiàn)為引力或斥力作用，所以我們?nèi)粘Ｉ钪兴^察到的各種力，無論是重力引力、電力、磁力還是熱力，都是可以互相轉(zhuǎn)化并最終保持統(tǒng)一不變。（［8］，239頁）由上述論述可見，康德力學(xué)理論應(yīng)用于自然科學(xué)研究中，產(chǎn)生了一系列命題和推論，與原子論有很大差異，并已基本暗含了能量的轉(zhuǎn)化和守恒觀點。

康德力學(xué)理論經(jīng)過柯勒律治（S.T.Coleridge，1772～1834）和戴維的詮釋與吸收（［3］，63～73頁），幾乎全部為法拉第所接受。［9］雖然戴維和法拉第都明確提到過點原子理論，但細(xì)察其有關(guān)表述，卻實際上一直在用各種力來解釋自然現(xiàn)象，其本質(zhì)不過是借助點原子概念來表述力作用方式的康德力學(xué)理論。例如威廉斯所認(rèn)為的點原子理論的基本觀點，即每一種物質(zhì)微粒都對應(yīng)一種特殊的力，都與其本身的力作用模式具有特殊的、密切的對應(yīng)聯(lián)系，這其實表述的是一種力微粒實體論觀點，看上去與康德力學(xué)思想更為近似。波斯科維奇理論的高度數(shù)學(xué)化，限制了法拉第對點原子理論的理解運(yùn)用：“從未受過科學(xué)的正規(guī)訓(xùn)練（幾乎沒有人這樣——作者原注），法拉第發(fā)展自己獨有的一套方法，用實驗方式探究自然現(xiàn)象并用一種非數(shù)學(xué)的方式加以詮釋，盡管其具有高度的立體和視覺可感性?！保?0］在這種情況下，法拉第不得不對點原子理論進(jìn)行改造：首先，點原子不再是一種數(shù)學(xué)描述，結(jié)合康德力學(xué)理論變成了哲學(xué)性的實體存在。例如1818年，法拉第就認(rèn)為：“……（力）粒子是力的集中，物質(zhì)由一種或幾種力組成，所以和物質(zhì)粒子不同，力粒子之間沒有空間?！保?1］很顯然，這里的“力粒子”即來源于點原子概念，但變成了一種實體性存在；其次，對點原子和原子等微粒之間的概念差別不作詳細(xì)界定，借助點原子之間的力作用方式來描述物質(zhì)微粒之間的作用方式，模糊點原子和原子等微粒之間的差別；再次，點原子之間相互作用的精密化數(shù)學(xué)表述變得簡化籠統(tǒng)，僅憑借概念意義上的引力和斥力作用進(jìn)一步細(xì)化康德理論的力作用方式，但不對具體的數(shù)學(xué)處理和詳細(xì)的作用方式進(jìn)行論述。

法拉第不接受道爾頓的原子理論，除了上文提到的實驗證據(jù)外，更根本的原因在于康德力學(xué)理論。該理論認(rèn)為空間是充滿了力的，而力是連續(xù)的，所以不存在虛空。因此道爾頓所認(rèn)為的物質(zhì)由虛空和原子實體組成的觀點，法拉第根本無法接受。而對于拉瓦錫學(xué)說，由于酸氧理論造成的缺陷，他們也不能接受。所以，必須尋求一種新的理論作為其化學(xué)研究的指導(dǎo)思想。借助點原子理論細(xì)化康德力學(xué)理論，用實體化的點原子或力粒子概念及簡便、模糊后的粒子間的力作用方式，來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象，遂成為戴維和法拉第研究化學(xué)的指導(dǎo)理論：

假設(shè)確定的分子在一些吸引和排斥作用的點，如波斯科維奇所指出的那樣，擁有一定的極點。而且這些分子有重力和形狀，即重量和廣延，所有的化學(xué)現(xiàn)象都可以說明了。當(dāng)它們的吸引和排斥平衡時，（分子微粒）會形成球形的一團(tuán)?！瘜W(xué)結(jié)合決定于微粒在極點處的作用關(guān)系-如此，它們的球形吸引就會互相契合；不過我們要設(shè)想（微粒）有其固有的力（因此我們要設(shè)想對于磁鐵來說，鐵就具有其自然的極點——戴維注）-熱有助于化學(xué)反應(yīng)，是因為擴(kuò)展了物體并從而增大了球形作用范圍-電吸引和電排斥是微粒吸引的一種增加（所導(dǎo)致的結(jié)果）-導(dǎo)體、極……絕緣體……

（所有這些都?xì)w因于）極性溝通作用導(dǎo)致的晶體排列。［12］

正如上文威廉斯所指出的，分子或原子極點之間力的作用產(chǎn)生了化學(xué)的化合或分解現(xiàn)象。至于物質(zhì)分子或原子是如何從點原子形成的，點原子、原子、力微粒以及分子有何差別，作為數(shù)學(xué)上一個點的點原子為什么具有了重力和形狀？所有這些，戴維并未曾給予詳細(xì)地說明。

1821年之前的法拉第，名義上雖然是皇家研究所的“‘實驗室和礦物收集助手暨儀器設(shè)備主管’，但職責(zé)大多同以前一樣?！保?3］事實上，他依然與1813年剛進(jìn)入研究所工作一樣，大多數(shù)時間都是為戴維做實驗助手。其與戴維的關(guān)系與其說是同事，更不如說是師徒更為確切。他早期的研究方向基本上都來自于戴維的指導(dǎo)，其早期的科學(xué)思想也受到戴維的重要影響，其科學(xué)生涯的起步、成長與戴維的聯(lián)系異常緊密。“以戴維為榜樣，法拉第對科學(xué)產(chǎn)生興趣并進(jìn)入這個領(lǐng)域?！保?4］作為戴維實際意義上的學(xué)生和助手，法拉第在化學(xué)上的研究也大多承襲了戴維的研究方法和科學(xué)思想，并為其幾乎所有的化學(xué)研究定下了理論基調(diào)。戴維異于化學(xué)界主流的、極富哲學(xué)和詩人氣質(zhì)的化學(xué)思想理論籠統(tǒng)而又模糊，對于化學(xué)科學(xué)理論的發(fā)展沒有重要突破，這決定了他的貢獻(xiàn)主要在實際的化學(xué)發(fā)現(xiàn)方面。同樣的特點也存在于法拉第的化學(xué)研究之中。不過由于先天的不同及其后來的電磁學(xué)實驗研究，法拉第在某些方面思考的更深、更遠(yuǎn)。如果說戴維還存有部分原子或分子微粒的實體觀念，法拉第則逐漸拋棄了物質(zhì)微粒的實體觀念，而堅持力實體作用理論，這從上文其于1816、1818和1844相關(guān)論述可見一斑。

戴維和法拉第雖然反對道爾頓的原子論，但在化學(xué)研究過程中，他們公開顯露的思想依然不得不向主流化學(xué)理論靠攏。一方面借助點原子概念來調(diào)和實體原子論觀點，顯得不離經(jīng)叛道而符合傳統(tǒng)；另一方面，借助點原子理論中數(shù)學(xué)化的力作用模式細(xì)化和掩蓋實際的康德力學(xué)理論，讓每一種物質(zhì)微粒都對應(yīng)一種特殊的力的作用，以微粒之間引力和斥力作用來說明各種化學(xué)現(xiàn)象。至于具體是如何作用的，如何細(xì)化，由于戴維和法拉第根本無法理解波斯科維奇點原子理論的具體內(nèi)容，他們從未也無法給出明確的說明。戴維和法拉第對構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒按照情形的不同，分別有不同的稱謂。有時稱之為點原子、原子、分子，有時則稱之為力粒子、微粒等。眾多的稱謂反應(yīng)出他們內(nèi)心的矛盾。一方面說明化學(xué)現(xiàn)象時，不得不追隨化學(xué)界的主流思想理論，需要借用原子和元素等概念，雖然其解釋的本質(zhì)依然是力實體論解釋；另一方面，說明某些物理現(xiàn)象時，用力或力粒子的概念更加符合本質(zhì)的解釋及內(nèi)心的哲學(xué)理念。因此從根本上來說，他們所用理論的本質(zhì)依然是披著點原子理論外衣的康德力學(xué)理論。

縱觀法拉第整個科學(xué)生涯，多處都存有康德力學(xué)理論的影子。此后，伴隨著電磁學(xué)實驗研究的逐步深入，他的科學(xué)思想逐步發(fā)展和細(xì)化，并最終形成力線思想和場理論思想，這個過程其實也是康德力學(xué)理論的具體化和實驗驗證與發(fā)展過程。［15］然而康德力學(xué)理論從本質(zhì)上來說畢竟是一種科學(xué)哲學(xué)理論，無法得到實驗的有力證實。對于持有培根實驗科學(xué)傳統(tǒng)的英國科學(xué)界來說，該理論處于假說范疇，科學(xué)界不會輕易接受。而波斯科維奇利用點原子理論建立的自然哲學(xué)理論體系，相比康德理論，無論是用數(shù)學(xué)化的點原子還是用數(shù)學(xué)模型處理力學(xué)現(xiàn)象，都具有更為扎實的科學(xué)性和可操作性?？档吕碚撝写嬖诘哪：⒒\統(tǒng)和缺少科學(xué)操作性，注入點原子概念后，至少外表可以得到細(xì)化和夯實，避免了哲學(xué)表述中的泛化缺陷。在此基礎(chǔ)上發(fā)展和充實康德力學(xué)理論，使其表象上具備科學(xué)所需要的基本數(shù)學(xué)性和實在性，科學(xué)性顯得大為提高，就更容易為科學(xué)界理解和接受。

這套理論由于康德力學(xué)理論的哲學(xué)性而顯得普適性強(qiáng)。配合模糊性的“點原子”概念在不同背景下的不同稱謂，以及模糊后的微粒間的引力和斥力作用，使得該理論的應(yīng)用非常靈活，在不同情況下，視需要可以有不同的外觀和重心。既有理論深度又有科學(xué)外觀。然而，某種理論的解釋面越廣，其精密性必然越差。法拉第在其科學(xué)生涯的前中期極少表露其理論觀點，自然是意識到該理論的科學(xué)嚴(yán)密性不夠，貿(mào)然說出，必然招致科學(xué)界的敵意和反對。但是到了晚年，隨著其重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)越來越多，理論需求愈為迫切，同時其科學(xué)話語權(quán)也逐漸增強(qiáng)，其理論也在常年的思索和打磨下，注入了更多經(jīng)過實驗檢驗的個人觀點和思想，精密性和科學(xué)性大為提高。在這種背景下，闡述、總結(jié)自己的思想理論自然水到渠成且易為學(xué)界接受。

正是在該理論的指引下，戴維和法拉第模糊而籠統(tǒng)地認(rèn)為：既然氯、碳以及其他元素能形成三元化合物，則可以說明三種微粒之間能形成確定的引力和斥力作用關(guān)系。去除或用氯、碳二元素中的任意一種替代第三種元素后，碳氯微粒之間的作用距離和力作用模式并未發(fā)生變化，因此力的作用關(guān)系仍然保持大致不變。所以碳氯可以形成穩(wěn)定的二元化合物。由此出發(fā)，法拉第開始了碳的氯化物的研究。

2 對高氯化碳的研究

在當(dāng)時的實驗條件下，氯氣和炭黑很難直接反應(yīng)生成二元化合物。不過依照上文所提到的戴維和法拉第所堅持的理論，如果有第三種元素作為媒介，在三種元素形成穩(wěn)定的力的作用模式后，去除第三種元素，碳和氯的作用模式依然大致不變，就有可能生成碳和氯的化合物。法拉第所找到的第三種元素就是氫元素。

18世紀(jì)，荷蘭化學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氯氣能與乙烯反應(yīng)生成一種油狀液體，該液體遂被命名為“荷蘭油”，即我們今天所說的二氯乙烷。當(dāng)時科學(xué)家已經(jīng)測明此液體由碳、氫、氯三種元素組成。法拉第試著讓“荷蘭油”與過量氯氣反應(yīng)，希望用氯替代和去除三元化合物中的氫，由此生成碳的氯化物。1820年9月，法拉第首次利用該方法制得六氯乙烷，命名為“碳的氯化物”，發(fā)現(xiàn)低氯化碳后，改稱為“高氯化碳”（perchloride of carbon）。

氯氣和荷蘭油放入一蒸餾瓶中，置于日光下，很快發(fā)生反應(yīng)，容器呈現(xiàn)有霧狀，氯氣顏色消失。氣體由于反應(yīng)中放出一點熱，看上去增多了一些。氣體中含有大量的鹽酸氣（即氯化氫氣體），并有一點光氣的氣味。（可能有氧氣混入——法拉第注）

有樹枝狀晶體逐漸形成；可以水洗，溶于酒精并（濃縮后）形成晶體。

該物質(zhì)透明-無色-有揮發(fā)性，結(jié)晶后形成平滑的、有時長達(dá)半英寸的樹枝狀晶體-它①該處出版者標(biāo)注為（字跡模糊），意指在法拉第的手稿中此處不能辨認(rèn)。放于光下有強(qiáng)烈的芳香味，很像人造樟腦-溶于冷酒精，更多溶于熱酒精-從熱溶液中析出后呈樹枝狀或斜方晶狀（四邊形？——法拉第注）晶體。［16］

該實驗用今天的化學(xué)方程式可表示為：C2H4Cl2+4Cl2→C2Cl6+4HCl。法拉第除了制得碳的氯化物，還觀測了該物質(zhì)的一些性質(zhì)，結(jié)果與現(xiàn)今的觀測大多吻合。

由于乙烯可以與氯氣反應(yīng)生成“荷蘭油”，而“荷蘭油”又與氯氣生成碳的氯化物，所以自然可以想到氯氣能與乙烯直接反應(yīng)生成高氯化碳：

……先充滿氯氣，再放入乙烯-形成油-后放入更多的氯氣-置于光下-注入水，等等-很多該物質(zhì)形成。（［16］，3頁）

自10月4日開始，法拉第又分別在10月5、6、7、9、13、14、和18日，通過多個實驗在多種條件下制得高氯化碳，并且發(fā)現(xiàn)過量氯氣與乙烯無論在有無陽光照射的情況下都可以生成高氯化碳；乙烯、氯氣與生成的鹽酸氣的氣體體積比約為1：5：4，這個結(jié)果與現(xiàn)今一致。當(dāng)然實驗由于客觀條件所限，乙烯不可能與氯氣完全反應(yīng)，從而全部轉(zhuǎn)化為高氯化碳，不過出現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏差大多都在誤差允許范圍之內(nèi)。他10月14日的實驗非常具有代表性：

準(zhǔn)備好三個小蒸餾瓶。1號瓶放入11.5立方英寸氮氣，然后用抽氣機(jī)抽干。放入1立方英寸乙烯與10.25立方英寸氯氣（其不純度為1/48——法拉第注），半小時后，又放入2立方英寸氯氣。（密閉后）放入水中，置于陽光下直至晚上，白天幾乎沒有陽光。16日觀察。

2號瓶放入11.75立方英寸氮氣，……16日觀察。

3號瓶放入12立方英寸氮氣，……17日早上觀察?！?/p>

1號瓶置于氯氣上：沒有（氯氣）進(jìn)入。放入水銀中①用水銀槽代替水槽，使瓶口沒入水銀中，水銀會吸收反應(yīng)剩余的氯氣，所以最后蒸餾瓶中剩下的就是氣壓下降、體積膨脹的鹽酸氣和氮氣等氣體雜質(zhì)。，并且讓氯氣的吸收整夜都在進(jìn)行。

2號瓶置于氯氣上：有0.5立方英寸氯氣進(jìn)入——放入水銀中，如上那樣吸收，16日觀察。（［16］，18頁）

放置幾天后，法拉第分別在16日和17日觀察實驗結(jié)果：

星期六的兩個小蒸餾瓶，即從那時其瓶口一直沒入水銀中的瓶子是1號和2號瓶。1號瓶中，水銀進(jìn)入瓶口，升至比外面高13.5英寸的刻度，氣壓為29.3。水銀升入瓶頸中，達(dá)到的刻度（說明體積）等于3立方英寸。膨脹的鹽酸氣、氮氣等為8.5立方英寸。經(jīng)過水吸收后，在常壓下約形成0.8+②意即稍多于0.8立方英寸。立方英寸的氮氣，等等。因此訂正后的數(shù)量是：氮氣0.8+立方英寸，鹽酸氣3.688立方英寸，氯氣7.032立方英寸，好實驗。

2號瓶……，非常好的實驗，兩者都非常接近。（［16］，20頁）

3號瓶最后……經(jīng)（水銀）吸收訂正后的氣體數(shù)量是：氯氣7.325立方英寸，鹽酸氣4.327立方英寸，氮氣0.75立方英寸。很接近。（［16］，22頁）

上述實驗以1號瓶為例。首先放入氮氣然后抽干的目的是排出瓶里的空氣，以免空氣中的氧氣與物質(zhì)反應(yīng)形成光氣雜質(zhì)。隨后放入氯氣和乙烯，使它們充分反應(yīng)，再用水銀吸收未反應(yīng)的氯氣，剩余的氣體為生成的、體積膨脹后的鹽酸氣和氮氣等雜質(zhì)氣體。這些氣體置于常壓下，可以計算出體積V。用水吸收后，剩余的就是未反應(yīng)的氮氣等雜質(zhì)氣體，約為0.8立方英寸。V-0.8=鹽酸氣的真實體積3.688，隨后用總體積減去鹽酸氣和氮氣等雜質(zhì)的體積，就可以得到剩余的氯氣的體積為7.032立方英寸。因此參與反應(yīng)的乙烯、氯氣分別是1和10.25+2-7.032=5.218立方英寸，生成3.688立方英寸鹽酸氣。由于實驗持續(xù)了幾天，加之外界氣壓有變化，所有計算出的氣體體積有一定偏差，但是總的看來大致符合1：5：4的體積比例。由上述三個實驗可以看出，法拉第此時已經(jīng)完全掌握了制取高氯化碳的方法，并已明確了發(fā)應(yīng)物和生成物之間的比例關(guān)系。

制得高氯化碳后，根據(jù)反應(yīng)氣體的體積比及元素相對質(zhì)量，實際上就可以確定化合物中碳和氯的組成比例。不過法拉第并沒有這樣做，而是讓高氯化碳通過一些高熱的金屬或氧化物，反應(yīng)后生成碳或含碳?xì)怏w以及氯化物，然后分別計算出碳和氯兩種元素的質(zhì)量。該方法的實驗結(jié)果與上述實驗結(jié)果相對照，可以更為有力地說明碳和氯在高氯化碳中的組成比例。

1820年10月16日，法拉第將5格令①grain，1格令=65毫克的高氯化碳晶體通過高熱的鐵，欲從生成的氣體中計算出碳的含量，然后利用硝酸銀溶液沉淀氯化物，由此計算出氯的含量。但由于操作和實驗步驟不完全準(zhǔn)確，這天所做的兩個實驗都沒有取得有價值的結(jié)果。（［16］，20頁）此后，法拉第又分別在10月20、24、28、31和11月1、2日等時間內(nèi)做了大量的類似實驗，分別使高氯化碳通過高溫的鋅、氧化鋅、過氧化銅等物質(zhì)，這些實驗有的獲得了比較準(zhǔn)確的結(jié)果。他10月31日的實驗較有典型性：

使5格令固體高氯化物通過綠色玻璃管中的過氧化銅：通過熱水收集到2.65立方英寸的氣體。其中1/37是一氧化碳，剩余的是碳酸氣②即二氧化碳?xì)怏w。，這些=0.34格令碳。現(xiàn)在看一下銅中有多少氯；加入硝酸銀產(chǎn)生17.7格令氯化銀=4.36格令氯+③“+”意即“以及”。一點物質(zhì)在通過時未分解。（［16］，34～35頁）

如果按照現(xiàn)在的數(shù)據(jù)來計算5格令高氯化碳中碳和氯的含量，則分別為0.51和4.49格令。因為實驗中有些許物質(zhì)未分解，且生成的氣體有少許散失，還有一點物質(zhì)與玻璃管在高溫下也發(fā)生了反應(yīng)等，導(dǎo)致實驗結(jié)果稍有偏差。不過總體上開來，法拉第的實驗結(jié)果與理論數(shù)據(jù)還是相當(dāng)接近的。最終他通過多個實驗得出的結(jié)論是：高氯化碳的組成將會是——3比例的氯和2比例的碳。（［4］，46頁）考慮到法拉第所采用的氯和碳的原子量分別是33.5和5.7（［4］，50頁），他得出這個結(jié)論也不足為奇。不過他由此以及其他因素所得出的一些推論，則深刻地反映了其化學(xué)研究的基本觀點和理論基礎(chǔ)，筆者將在下文相關(guān)處予以說明。

大致從1820年9月至11月22日，法拉第幾乎每天都做一些實驗，對高氯化碳進(jìn)行觀察和研究。他發(fā)現(xiàn)制得的高氯化碳非常穩(wěn)定，一般條件下不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)：“（高氯化碳）溶于酒精溶液不呈酸性-遇硝酸銀溶液不產(chǎn)生沉淀。”（［16］，4頁）11月3日，法拉第“將一些純化過的高氯化碳與氫氣放在一個干燥的蒸餾瓶里，置于陽光下，12月20日觀察”。（［16］，36頁）20日發(fā)現(xiàn)“高氯化碳和氫氣所在的蒸餾瓶一直放在光下，一直到現(xiàn)在。不過沒有反應(yīng)發(fā)生”。（［16］，41頁）這種穩(wěn)定性可以說明“……氯和碳之間的親和力（affinities）非常強(qiáng)”（［3］，122頁）。而高氯化碳不與氫氣發(fā)生反應(yīng)，除了可以說明親和力強(qiáng)之外，還可以說明氫作為媒介使乙烯與氯氣反應(yīng)生成碳氯化合物之后，并不會因為氫的再次出現(xiàn)而使氯碳之間的親和力發(fā)生變化，因此該反應(yīng)不具有可逆性。這些在法拉第看來，都說明了氯、碳、氫三元化合物在去除氫之后，形成碳氯化合物，碳氯之間的親和力并不會因為氫的去除而減弱，反而加強(qiáng)了。這足以說明碳氯之間存在強(qiáng)烈親和力作用，所有能夠形成穩(wěn)定的二元化合物。法拉第雖然偶爾用“親和力”概念解釋物質(zhì)之間的反應(yīng)關(guān)系，但縱觀其整個科學(xué)生涯尤其是1821年之前思想狀態(tài)，他更多的是用“力”（power）這一概念來表述其科學(xué)思想，說明物質(zhì)之間的反應(yīng)關(guān)系。（［3］，81～90頁）他所說的“親和力”從本意上來說也與今天專門的化學(xué)概念意義不同，更多指的是一種物質(zhì)之間的引力作用（attraction power）關(guān)系。至于具體是如何作用的，法拉第并未給予詳細(xì)的說明。利用籠統(tǒng)的力的作用關(guān)系來解釋物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，與其在1816年的表述一樣，可以看出，這根源于康德力學(xué)理論的影響。

法拉第還“將已預(yù)先紅熱過的燈黑放在一個蒸餾瓶里，充滿氯氣，用吹管拉出瓶頸①用吹管吹酒精燈火焰，產(chǎn)生高熱以熔化玻璃，由此密封玻璃容器。并全部密封好。放在屋頂上，一直受到陽光的影響”（［16］，44頁）。兩年多后的1822年4月4日，他發(fā)現(xiàn)“燈黑沒有任何受影響的跡象-氯氣像以前一樣顏色鮮明”（［16］，64頁）。即使到了同年5月10日再打開觀察，也沒有發(fā)生任何變化。這個實驗說明氯和碳很難直接反應(yīng)，必須借助于氫的媒介作用才能形成化合物，當(dāng)然這種作用不是氫氣單質(zhì)的作用，而是碳和氫形成化合物后，在已經(jīng)構(gòu)成了一定的力作用模式下才能起到的媒介作用。從這些研究，不難看出法拉第研究碳的氯化物的理論基礎(chǔ)。

3 對低氯化碳及其與高氯化碳關(guān)系的研究

法拉第在研究高氯化碳的過程中還發(fā)現(xiàn)了一種液體，他后來認(rèn)識到該液體是另外一種碳的氯化物，于是分別將固體和液體氯化物命名為“高氯化碳”和“低氯化碳”（protochloride of carbon）。

1820年10月14日，法拉第在日記中首次記載了低氯化碳的發(fā)現(xiàn)：

使一些固體物質(zhì)通過紅熱的玻璃管進(jìn)行蒸餾，放出氯氣，常溫下變成液體，沒有碳析出。懷疑可能是低氯化物-通電，發(fā)現(xiàn)是很好的絕緣體-將一點該物質(zhì)放在氯氣中，但看上去并不吸收-有很強(qiáng)的揮發(fā)性。戴維爵士在場。

……

使一些固體物質(zhì)通過玻璃管中加熱至赤紅的無色水晶，很多液體化合物生成，而且像被（析出的）木炭染上一點顏色，并且生成的氯氣幾乎完全溶入水中。

管中的水晶由于木炭的形成而在某個地方變黑，形成一個明亮的表層。灼燒-一些固體物質(zhì)消失了。液體物質(zhì)下降到管子的底層，加熱固體物質(zhì)使其升華，再一次在管壁的某些地方凝聚，但是數(shù)量很少-冷卻，在管壁結(jié)晶成弧線形，明顯比固體物質(zhì)更穩(wěn)定。（［16］，18～19頁）

法拉第在日記中記載戴維參與了該實驗，且類似的記載在日記中不止一處，從這里可以看出其早期的化學(xué)研究受到戴維的指導(dǎo)和重要影響。在上述第一個實驗中，法拉第通過加熱高氯化碳獲得了低氯化碳。第二個實驗中，有一部分高氯化碳分解，形成低氯化碳和氯氣。一部分則完全分解形成木炭和氯氣。還有一部分未發(fā)生反應(yīng)，這一部分經(jīng)過升華純化，法拉第不清楚它是更純凈的高氯化物還是其他物質(zhì)，其實這只是高氯化碳外觀上產(chǎn)生了一點差異。

在隨后的實驗中，法拉第分別在10月17、18、21、24、26日等時間內(nèi)多次制成并研究了低氯化碳，其中10月24日的實驗描述道：

使一些高氯化碳通過充滿細(xì)碎無色水晶、加熱至紅熱的綠色玻璃管子-目的是形成液體。沒有木炭析出，只有液體和氯氣生成。氯氣漂白放在里面的石蕊試紙。液體淺黃色且溶有大量的氯氣，僅利用手溫加熱使其放出-加熱后氯氣大量放出。驅(qū)除后，繼續(xù)加熱，物質(zhì)揮發(fā)-變成蒼白色-不是太具有揮發(fā)性-沉淀出一些晶體-沸點溫度下不與鋅、碳酸鈣反應(yīng)。硝酸銀在一周或兩周內(nèi)都不與其反應(yīng)-也不和水反應(yīng)。

（［16］，31～32頁）

這個實驗中，法拉第獲得低氯化碳液體后，繼續(xù)加熱得到的其實是兩種碳的氯化物的混合物。它們都不與硝酸銀反應(yīng)，這在法拉第看來，足以說明兩種氯化物都十分穩(wěn)定，即碳和氯在兩種物質(zhì)中的親和力非常強(qiáng)。

與研究高氯化碳的過程類似，法拉第在制得低氯化碳后，基本上采用了類似的實驗及方法對其性質(zhì)與組成進(jìn)行測定研究。認(rèn)識到“純凈的低氯化碳是一種非常清澈的液體，絕對無色。比重為1.5526，是電的絕緣體”（［4］，47頁），等等。他還對低氯化碳與多種物質(zhì)的反應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，這些研究大多與高氯化碳的實驗研究類似，這里不再贅述。法拉第于11月16日的一個實驗，簡單有效地測定出了低氯化碳中兩種物質(zhì)的含量：

2.7 格令純凈的低氯化物通過紅熱的重晶石-燃燒并產(chǎn)生明亮的火焰，幾乎沒有什么木炭產(chǎn)生-冷卻后，所有的重晶石溶于稀硝酸中，過濾并加硝酸銀沉淀，產(chǎn)生9.4格令干燥的氯化銀=2.32格令氯，應(yīng)該是2.307，非常好的實驗。（［16］，38頁）

通過一系列的類似實驗及碳和氯的原子量，法拉第最后得出結(jié)論：“這些實驗說明液體低氯化碳的組成應(yīng)該是1比例的氯和1比例的碳?！保ǎ?］，50頁）

至此，法拉第已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種碳的氯化物并分別測定了組成。另一個需要解決的問題就是明確二者之間的相互關(guān)系。在研究高氯化碳過程中，法拉第已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高氯化碳在高溫下可以生成低氯化碳。1820年11月16日，他通過實驗發(fā)現(xiàn)低氯化碳在一定條件下也可以生成高氯化碳：

將一些液體氯化物①即低氯化碳。和氯氣放進(jìn)一個干燥的2號蒸餾瓶里?！?1月14日的2號蒸餾瓶昨天和今天一直露天放置?，F(xiàn)在有大量的晶體形成，且液體幾乎完全消失。晶體一些為樹枝狀，一些為方片狀，一些在顯微鏡下則呈斜長方形。蒸餾瓶置于空氣上，1.5立方英寸進(jìn)入，容器充滿。因此氯氣被吸收，并有高氯化物形成-然后檢查蒸餾瓶里的空氣-沒有鹽酸氣-物質(zhì)升華-溶于酒精且遇水沉淀-有氣味等等，是固體氯化物。（［16］，37～38頁）

兩種碳的氯化物在不同條件下可以互相轉(zhuǎn)化，所不同的只是氯的含量。上文已經(jīng)提到過，法拉第認(rèn)識到高氯化碳由2比例的碳和3比例的氯組成。而低氯化碳的組成比例是1：1。由此明顯可以看出，二者應(yīng)該相差1比例的氯。法拉第不僅認(rèn)識到而且多次用實驗證明了這一點，他10月20日的一個實驗就是一個很好的實驗：

使5格令高氯化物通過一根加熱至赤紅的、約5英寸長的綠色玻璃管，產(chǎn)物收集到硝酸銀溶液里-仍有一點固體氯化物剩余-然后收集形成的氯化銀并干燥，稱重為2.5格令=0.615①即0.615格令氯。。這幾乎和上一個實驗一樣。（高氯化碳）三份分解，四份不分解。應(yīng)該是高氯化物失去一個比例的氯。用晶體在綠色管子中再試一次。（［16］，27頁）

4 對其他碳的氯化物及碘、碳化合物的研究

雖然法拉第對兩種碳的氯化物及其相互關(guān)系有了準(zhǔn)確的認(rèn)識，但由于其所采用的原子量以及實驗觀測中出現(xiàn)的一些問題，導(dǎo)致他認(rèn)為肯定還存在其他碳的氯化物，并由此產(chǎn)生了一系列錯誤認(rèn)識，深刻地反映出其化學(xué)研究的思維方式和理論背景。

法拉第所采用的碳的原子量為5.7，大致為現(xiàn)在真實值的一半，在此基礎(chǔ)上計算出的碳和氯在低氯化碳和高氯化碳中的組成比分別是1：1和1：1.5，而不是真實值的1：2和1：3。出現(xiàn)1.5在法拉第看來是不能想象的。他認(rèn)為應(yīng)該還存在另一種組成比為1：2的碳氯化合物，而一直所認(rèn)為的1：1.5的高氯化碳正是兩者混合形成的。此外，在實驗觀測中，法拉第最初發(fā)現(xiàn)高氯化碳是樹枝狀晶體，后來他發(fā)現(xiàn)除了樹枝狀，還有一些方片狀或斜長方形晶體。外觀的差異使法拉第錯誤地認(rèn)為這種晶體正是他要尋找的物質(zhì)：“我禁不住認(rèn)為這種斜長方形的晶體就是我所要找的那種碳的氯化物。”（［16］，38頁）兩種因素綜合起來，愈加堅定了存在另外一種碳氯化合物的想法，即他所謂的真正的高氯化碳。低氯化碳正是與其作用形成了碳氯比為2：3的碳氯化合物。在日記中，法拉第用形象的圖示表示出三者之間的相互關(guān)系：

圖3 日記中有關(guān)三種碳氯化合物形成和相互關(guān)系的文字及圖示（［16］，44頁）

正如圖3所描述的，法拉第用1個“口”代表1比例氯，“—”代表1比例碳。1個“口”與1個“—”組成的低氯化碳和兩個“口”、1個“—”、目前還未找到的高氯化碳，形成3個“口”、兩個“—”、目前已經(jīng)制得的高氯化碳，在法拉第看來，這個過程就像數(shù)學(xué)上的加減法一樣自然。1個一氯化碳加上1個二氯化碳恰好形成1個三氯化二碳。因此，一氯化碳和二氯化碳是碳氯化合物構(gòu)成的基本因子，任何中間形態(tài)的碳氯化合物都是這兩種物質(zhì)以不同比例結(jié)合而形成的。這種結(jié)合不是簡單意義上的混合，而是基本因子借助微粒之間的引力和斥力作用牢固結(jié)合而形成的化合物。法拉第的這種思維方式和解釋與貝托萊（C.L.Berthollet，1748～1822）根據(jù)親和力定律所提出連續(xù)化合物理論頗為相似。而指導(dǎo)貝托萊進(jìn)行化學(xué)研究的正是各種親和力、靜力等力學(xué)理論。［17］依照法拉第的力學(xué)作用理論，一氯化碳和二氯化碳分子可以通過它們之間復(fù)雜的引力和斥力作用而結(jié)合成穩(wěn)固的三氯化二碳分子，而三氯化二碳也可以分解形成二氯化碳和一氯化碳，但是在變化過程中，力的總量不變，所以物質(zhì)的總量也不變。至于分子之間的力的作用模式究竟如何，在現(xiàn)有法拉第的文獻(xiàn)中找不到明確的說明解釋，這又一次體現(xiàn)了指導(dǎo)法拉第化學(xué)研究的籠統(tǒng)而模糊的康德力學(xué)理論。

在堅信存在另外一種、碳氯比為1：2的碳氯化合物的思想指引下，法拉第通過多種方式，“……持之以恒地尋找這種化合物”（［4］，51頁）。他讓低氯化碳和氯氣在強(qiáng)陽光照射下反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有一些斜長方形晶體生成，但由于季節(jié)原因，生成的物質(zhì)太少而未能檢測。（［4］，51頁）他不遺余力地利用松節(jié)油（［16］，32～33頁）、乙醚（［16］，44～45頁）、石蠟（［16］，64頁）、萘（［16］，67頁）等碳?xì)浠衔锱c氯氣反應(yīng)，試圖找到這種所謂真正的“高氯化碳”。這些實驗時斷時續(xù)地一直延伸至1822年，然而最終都無法證實這種碳氯化合物的存在。這些實驗反映出指導(dǎo)法拉第化學(xué)研究的力實體作用理論，而根本沒有化學(xué)有機(jī)反應(yīng)的物質(zhì)微粒結(jié)構(gòu)概念。

1821年6月1日，一位工廠主送來一些樣品，請法拉第檢測其成分組成。經(jīng)檢測分析，（［16］，46～48頁）法拉第認(rèn)為這是一種新的碳氯比為2：1的化合物，并相信“它的構(gòu)成增加了發(fā)現(xiàn)另外一種碳氯化合物的可能性，即由2份氯和1份碳所構(gòu)成的物質(zhì)”（［4］，56頁）。依照法拉第所依據(jù)的力實體作用理論，化合物的組成完全取決于力的作用，而力的作用是連續(xù)的，所以化合物的組成也應(yīng)該是連續(xù)多樣的。多一種化合物的存在無疑增加了另一種同質(zhì)化合物存在的可能性?，F(xiàn)在看來，法拉第所檢測的這種物質(zhì)其實是碳氯比大致為1：1的某種物質(zhì)或某些物質(zhì)的混合物。就像法拉第將自己發(fā)現(xiàn)的“苯”命名為“二碳化氫”（bi-carburet of hydrogen）（［16］，213頁）一樣，由于采用的碳的原子量差不多是真實值的一半，他所發(fā)現(xiàn)的所有碳氯化合物的碳氯比均為真實值的二倍，由此導(dǎo)致的一些認(rèn)識和結(jié)論錯誤，深刻地反映了其化學(xué)研究的康德力學(xué)理論背景。

氯和碘是戴維于19世紀(jì)初先后確認(rèn)并加以認(rèn)真研究的兩種元素。經(jīng)過系列的實驗研究，戴維和法拉第發(fā)現(xiàn)氯和碘有非常類似的化學(xué)性質(zhì)。這促使法拉第在發(fā)現(xiàn)兩種碳的氯化物之后，推測“……有可能存在碳的碘化物，而且利用一種元素（氯）所獲得成功的方式，提供了另一種元素（碘）同樣可以取得成功的最好保證”（［4］，51頁）。他自然而然地利用制備碳的氯化物的方法以制取碳的碘化物。1821年3月5日，法拉第“將一些碘放入乙烯中，并露天放于陽光下：一直留在那兒”（［16］，43頁）。10月22日觀察發(fā)現(xiàn)：

沒有碳的碘化物形成，只有一些碘的碳?xì)浠?。取樣分析?格令物質(zhì)升華并經(jīng)過加熱的銅屑，有碘化銅形成并釋放出純乙烯。氣體體積總計為1.37立方英寸。由于100立方英寸的乙烯重30.15格令-因此1.37立方英寸應(yīng)重0.413格令；4-0.413=3.587的碘，3.587：0.413：：①“約等于”之意。117.75：13.55；接近2比例的乙烯，因此這種化合物含有1比例的碘117.5+2比例的乙烯13.4。（［16］，58頁）

不考慮法拉第采用的原子量錯誤而只從其定量計算分析來看，該反應(yīng)的實質(zhì)是兩個碘原子加成到一個乙烯分子上，生成二碘乙烷。

獲得碘、碳、氫三元素化合物并非法拉第的根本目的，他最想獲得的是碳的碘化物。自10月23日至27日，他嘗試通過多種方式以獲取該物質(zhì)。例如將低氯化碳通過紅熱的碘化鉛，或?qū)⒌饣?、高氯化碳等物質(zhì)混合加熱，等等。（［16］，58～59頁）“然而，我依然沒有成功地獲得碳的碘化物，但我打算在今年陽光更好的季節(jié)里繼續(xù)這些實驗，并期望獲得這種化合物?！保ǎ?］，53頁）法拉第后來是否繼續(xù)了這些實驗研究不得而知，其實驗日記及論文中皆沒有相關(guān)記載，因此該研究最后很可能無果而終，他獲得的只是“碘的碳?xì)浠铩保ǎ?］，53頁）。

法拉第對碳的氯化物及碘化物的研究從其化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)來看，屬于有機(jī)反應(yīng)中的加成和取代反應(yīng)類型。據(jù)此，有一些研究認(rèn)為法拉第注意到取代反應(yīng)或加成反應(yīng)的存在，并在此基礎(chǔ)上制成碳的氯化物及其他相關(guān)物質(zhì)：“他通過氯和乙烷及乙烯的取代反應(yīng)，先后制出了六氯乙烷和四氯乙烯?！保?8］這種說法并不正確。首先，法拉第是通過氯氣和乙烯而不是乙烷反應(yīng)，制出六氯乙烷和四氯乙烯。這個過程既有取代反應(yīng)，又有加成反應(yīng)。其次，法拉第研究碳的氯化物的指導(dǎo)思想及理論是雜糅點原子概念的康德力學(xué)理論，和1834年杜馬（J.B.A.Dumas，1800～1884）基于系統(tǒng)的鹵代反應(yīng)研究而提出取代學(xué)說沒有絲毫聯(lián)系。法拉第全部基于力粒子實體作用模式的觀點進(jìn)行思考和研究，絲毫沒有取代學(xué)說所基于的有機(jī)結(jié)構(gòu)和鹵代反應(yīng)概念，他對取代反應(yīng)和加成反應(yīng)的實質(zhì)完全沒有認(rèn)識。在他看來，氫只是作為一種媒介元素，促成碳氯化合物力學(xué)結(jié)構(gòu)的形成，研究的重心在于碳和氯而不是氯和氫。再次，在取代學(xué)說建立初期，曾受到了以貝采利烏斯為代表的電化二元論觀點持有者的強(qiáng)烈攻擊。取代學(xué)說認(rèn)為帶負(fù)電的氯取代了帶正電的氫，而性質(zhì)卻無基本變化，這是電化二元論所不能容忍的。不須說在19世紀(jì)20年代初杜馬等根本沒有提出取代反應(yīng)學(xué)說，即使當(dāng)時科學(xué)界有類似觀點或思想，作為電化二元論的支持者，戴維和法拉第也會持堅定的反對態(tài)度。綜上所述，雖然說法拉第所研究的化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是有機(jī)反應(yīng)中的加成反應(yīng)和取代反應(yīng)，但如果據(jù)此就認(rèn)為法拉第認(rèn)識到這些反應(yīng)類型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了該系列的研究，或者在研究后認(rèn)識到這些反應(yīng)類型，則是一種和事實完全不符的認(rèn)識。

5 結(jié) 語

通過對《法拉第日記》及其他資料進(jìn)行研究和分析，我們對法拉第研究碳的氯化物的過程及其科學(xué)思想有了更為清楚的認(rèn)識。綜合分析法拉第在這一階段的研究工作，可以得出如下認(rèn)識。

（1）法拉第研究碳的氯化物的指導(dǎo)思想主要是康德力學(xué)理論。他之所以開始研究碳的氯化物是因為氯元素表現(xiàn)出的一些不同于氧元素的異常性質(zhì)。而基于康德力學(xué)理論，以及當(dāng)時戴維和法拉第對氯元素的認(rèn)識，這些異?，F(xiàn)象只是表象而非事實本質(zhì)。按照該理論，每一種物質(zhì)微粒都對應(yīng)一種特殊的力作用模式，氯和碳的力作用模式?jīng)Q定了它們可以形成復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)，能形成化合物。而最終碳的氯化物的制備也似乎說明了該理論的有效性，從而促進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展完善。這一系列研究制得了碳的氯化物及其他相關(guān)物質(zhì)，證明了氯、氧二元素在化學(xué)性質(zhì)上的相似性，指出了拉瓦錫酸氧理論的錯誤，在科學(xué)界產(chǎn)生了一定影響。［19］從而在一定程度的現(xiàn)實意義上為化學(xué)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展清除了一些障礙。

（2）法拉第對康德力學(xué)理論的吸收利用主要是基于其哲學(xué)思想上的本體論意義。在研究碳的氯化物之前，法拉第就已對康德力學(xué)理論的根本意義有了深刻認(rèn)識。在19世紀(jì)20年代，他主要研究化學(xué)，當(dāng)時指引學(xué)科未來方向的理論是道爾頓的原子論和元素理論。雖然由于情勢所迫法拉第不得不做一些妥協(xié)，引用一些模糊的原子或分子概念，似乎堅持了原子的實體觀念。但本質(zhì)上是他一直用力學(xué)理論來指導(dǎo)其化學(xué)研究，而力的連續(xù)性使其一生拒斥物質(zhì)的原子實體觀念，這大大限制了他的化學(xué)研究和成就。但法拉第的力思想理論還是在逐漸發(fā)展。自1831年開始集中研究電磁學(xué)之后，伴隨實驗研究的逐步推進(jìn)，其力思想理論不斷得到發(fā)展和完善。從力開始至力線、力場直至力的實體觀念，力思想理論一直在其科學(xué)研究中存在并漸趨彰顯，這無一不體現(xiàn)了康德力學(xué)理論對法拉第科學(xué)研究造成的深遠(yuǎn)影響。

（3）法拉第對波斯科維奇點原子理論的認(rèn)識和吸收是有其獨特的目的和局限性。在碳的氯化物的研究過程中，他吸收的只是表面的點原子概念和點原子之間簡單、模糊后的引力和斥力作用模式。法拉第的這種處理方式，既隱藏和細(xì)化了其背后的康德力學(xué)理論，表現(xiàn)出與主流化學(xué)理論的某種妥協(xié)性，又反映出其科學(xué)思想上力作用理論的一以貫之性，并對其以后的科學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響。

（4）法拉第對碳的氯化物的研究體現(xiàn)了其卓越的實驗技能。與戴維大多采用新方法導(dǎo)致許多新發(fā)現(xiàn)不同，法拉第的大多數(shù)化學(xué)實驗的設(shè)施和技術(shù)并不超前，但他嚴(yán)密而系統(tǒng)的實驗設(shè)計、精巧而嫻熟的實驗操作以及認(rèn)真而詳細(xì)的觀察記錄相比于戴維則有過之而無不及。這些卓越的實驗技能在以后的電磁學(xué)研究中增添了更多新的元素，進(jìn)一步發(fā)展完善并逐漸打上其鮮明的個人印記，這是其能在科學(xué)研究過程中做出許多偉大發(fā)現(xiàn)的一個重要原因。［20］

致謝 感謝姜振寰先生的指導(dǎo)與幫助，感謝審稿專家的修改意見。

1 Cantor G，Gooding D，F(xiàn)rank A JL J.Faraday［M］.London：Macmillan，1991.45.

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4 Faraday M.Experimental Researches in Chemistry and Physics［M］.London：Taylor&Francis，1859.34.

5 Boscovich R J.AHistory of Natural Philosophy［M］.Cambridge：The M.I.T，1966.134～183.

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7 Faraday M.General properties ofmatter，‘Chemistry Lectures’［R］.Lecture 1，17 January 1816，IEE MSSC 2：30～31.

8 康德.純粹理性批判［M］.鄧曉芒譯，楊祖陶校.北京：人民出版社，2004.186～193.

9 Thomas JM.Michael Faraday and the Royal Institution：the Genius of Man and Place［M］.Bristol and Philadelphia：Institute of Physics Publishing，1991.7～12.

10 Frank A JL J.Michael Faraday：A Very Short Introduction［M］.New York：Oxford University Press，2010.4.

11 Jones H B.The Life and Letters of Faraday［M］.Vol.2.London：Longmans，1870.280.

12 Davy H.Common place book［Z］.London：Royal Institution，Davy MSS.，1814～1815.

13 Martin T.Faraday［M］.London：The Camelot Press Ltd，1934.46.

14 Knight D M，Davy and Faraday：Fathers and Sons［C］//David G，F(xiàn)rank A.J.L.James（Eds）.Faraday Rediscovered：Essays on the Life and Work of Michael Faraday，1791～1867.Basingstoke：Macmillan；New York：Stockton，1985.43.

15 王洛印，胡化凱，孫洪慶.法拉第力線思想的形成過程［J］.自然科學(xué)史研究，2009，28（2）：157～169.

16 Faraday M，Thomas Martin（Ed）.Faraday's Diary［M］.Vol.1.London：G.Bell and Sons，Ltd，1932～1936.2.

17 Noretta K（editor in chief）.New Dictionary of Scientific Biography［M］.Vol.1.New York：Charles Scribner’s Sons，2007.264～265.

18 吳祺.法拉第與化學(xué)［J］.《化學(xué)教育》，2002（4）：47.

19 Faraday M，F(xiàn)rank A JL J（Ed）.The Correspondence of Michael Faraday［M］.Vol.1.London：Institution of Electrical Engineers，1991.203，213，217，221，231，293.

20 王洛印.法拉第的電磁學(xué)實驗研究——根據(jù)《法拉第日記》進(jìn)行的分析［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009. 127～129.

Origin of the Main Stream：Faraday's Research on Chlorides of Carbon

WANG Luoyin
（Harbin institute of Technology，Research Center of History of Science and Technology and Development Strategy，Harbin 150080，China）

Faraday startshis researcheson pure chemistry from the research on chloridesof carbon.Basing on a deep background of philosophical idealism，his research relects his theoretical basis，mode of thinking，and research characteristics during the whole of his scientific career，and plays a very important role in his research on electricity and magnetism afterwards.With an analysis of Faraday’s Diary and other correlated materials on electricity，this article introduces in detailed the process of his research on chlorides of carbon，reveals its theoretical basis and his scientific ideas，and then illustrates the great impact of his research on chlorides of carbon for his research on electromagnetism.

Faraday，F(xiàn)araday’s Diary，perchloride of carbon，protochloride of carbon，Kant’s force theory，point atoms

N091：O4-091

A

1000-0224（2014）02-0239-18

2012-05-07；

2014-04-18

王洛印，1978年生，山東莒南人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)科技史與發(fā)展戰(zhàn)略研究中心講師，研究方向為物理學(xué)史和西方科學(xué)史。