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元素周期律的發現史及其哲學意義和現實意義 
元素周期律的發現史及其哲學意義和現實意義 
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  摘要:化學概念和化學基本理論不僅是實踐發展的產物,同時也是抽象思維的結果。它們都是經過反復的抽象而逐步形成的。元素周期律的發現也是如此。本文從元素周期律的發現過程和元素周期律本身,探討其哲學意義:質量互變規律和否定之否定規律在元素周期律中得到了充分證實,而在自然界中具有普遍的意義。
  關鍵詞:元素周期律 哲學 質量互變 否定之否定
  隨著化學實踐的不斷發展,化學概念的內涵和外延也不斷地發生變化并得到補充和修正。任何一種化學理論也只能是相對完成的化學知識體系,它們同樣在化學實踐的推動下不斷深化,而不是停留在一個水平上。在化學實踐的推動下,需要不斷地再做理論的概括工作,既重新從現象的總和(包括新的化學現象)中抽取邏輯的出發點,并借助“綜合”把“具體”在思維中復制出來。
  由于化學分析的深入發展,化學家們發現了一系列的化學元素,邁爾、門捷列夫等人經過深入研究,把所有的化學元素納入到一個邏輯系統中,建立了元素周期律。
  元素周期律實現了無機化學認識由經驗到理論的飛躍,是化學史上的偉大轉折。它生動地反映出自然界的辯證發展規律,為辯證唯物主義自然觀提供了堅實的自然科學基礎。本文就元素周期律的發現史及其包含的內容,探討其哲學意義和現實意義。
    一、門捷列夫元素周期律
  隨著元素數目在十九世紀的增多,化學家們開始感到他們象是迷失在一座茂密的叢林中,每一種元素都具有不同的特性,他們找不到依據把這些元素按順序排列成一個表。由于科學的精髓就在于要從表面的雜亂中理出秩序來,所以科學家們一直想從元素的特性當中找出某種規律來。
  俄國化學家門捷列夫從雜亂無章的元素迷宮中理出了一個頭緒。1869年,他和德國化學家邁爾分別提出一個元素表,其所以稱為周期表,是因為這表中化學性質相同的元素周期性地重復出現。
  門捷列夫于1869年3月18日,發表了題為《元素屬性和原子量的關系》的論文,從而首次提出了化學元素周期表。論文中闡述了元素周期律的基本點:
  (1)按原子量的大小排列起來的元素,在性質上呈現明顯的周期性;
  (2)原子量的大小決定元素的特征,正象質點的大小決定復雜物質的性質一樣……因此,例如S和Te的化合物;Cl和I的化合物等,既互相類似又呈現出極明顯的差別;這與早期畢達哥拉斯學派“從幾何學的角度把數看成是擴大了的一個點或很小的一個球”[①]很相似,具有唯物主義的傾向。
  (3)許多未知單質是可以預料到的,例如預料到類似鋁和硅的原子量是位于65至75之間的元素。元素的某些同類元素將按它的原子量大小而被發現。
  (4)我們知道了某些元素的同類元素以后,有時可以修正該元素的原子量。   
  最初的周期表并不完備,然而它按原子量遞增的順序并把相似的元素排成一行而體現的元素周期性是令人信服的。在這張表中初步實現了使元素系統化的任務,把已發現的63個元素全列入表中,全表有66個位置,尚有四個空位只有原子量而沒有元素名稱。門捷列夫預言具有這些原子量的未知元素是存在的,他還對表中的釷、碲、金、鉍四個元素的原子量表示懷疑。
  又經過兩年的苦心努力,門捷列夫研制成一個橫排的化學元素周期表,這個橫排表和現代周期表已經非常接近。表中收入了當時已知的63種元素,并給當時尚未發現的化學元素留下了27個空位,他把所有的化學元素分為兩個短周期(氫和典型元素),五個長周期,八個族。還預言了許多尚未發現的化學元素的原子量及有關的化學性質。在以后的幾年中,他的預言得到了證實、鎵、鈧、鍺三種元素的發現,宣布了化學元素周期律的勝利,元素周期律為化學、物理和其它自然科學,提供了一個十分有效的理論武器。
  一個劃時代的科學理論的創立,往往需要許多科學工作者長期的連續的努力。周期律的發現,直接涉及到八位化學家。如果往上追溯,可以一直到波義耳和拉瓦錫,可見,科學的發現有它的社會歷史性,科學的發展水平也不能脫離社會歷史條件。當然,這并不排除科學理論的預見性,恰恰相反,真正的科學理論,不僅僅能解釋以往的事實,它還必須能預見未來。化學元素周律的發現,標志著人類對元素認識的系統化。進入現代以后,隨著人類對化學元素認識的深化,周期律又得到了進一步的發展。
    二、同位素的發現和周期律的發展
  十九世紀末,在物質結構的研究方面,出現了三大發現。這就是德國物理學家倫琴發現了X射線,法國物理學家克勒爾發現了天然放射性,英國物理學家湯姆生發現了電子。這三大發現,宣布了現代科學時期的到來,也為化學元素的研究開辟了更廣闊的道路。
  門捷列夫在確定化學元素在周期表中排列順序時,是按原子是由小到大排列的,但是后來發現有三處不能這樣排。這三處是碲(128)和碘(129)、鈷(58.9)和鎳(58.7)、氫(40)和鉀(39),這三處正確的排法是把原子量大的元素排在原子量小的元素前面。這和門捷列夫按原子量由小到大排列元素周期表的原則是相矛盾的。這是什么原因呢?
  莫斯萊解決了這個問題,他認為:化學元素排成周期表,不是按著原子量由小到大排列,而應當按著原子序數(乙)排列。而原子序數由莫斯萊定律確定。后來科學家們進一步發現,原子序數就是化學元素原子的核電荷數。
  而另一個問題,即原子量的小數問題,則是由同位素的發現而得到解決的。到目前為止,已知地球上的同位素共計有489種,其中穩定同位素264種,天然放射性同位素225種,另外還合成了人工放射性同位素2000多種。
  同位素確定之后,原子量的小數解釋起來就非常簡單了。通常所使用的各種元素的原子量,只是不同比例的幾種同位素的原子量的平均值。因擾了科學家們100多年的原子量的小數問題,最后還是由科學家們解決了。
  原子序數問題和原子量小數問題的解決,促進了元素周期律的發展,使人們對元素本質的認識深化了。還剩下的周期律的原因問題,即化學元素為什么按原子序數排列起來就呈現周期性呢?這個問題是隨著原了結構理論的發展而解決的。
  原子結構的現代理論,成功地解釋了各種元素原子的化學行為,構成了現代無機化學、量子化學的基礎。根據現在建立在量子力學基礎上的原子結構理論,周期律得到了圓滿的解釋。化學元素性質的周期性不過是原子殼層結構的周期性造成的,這樣,關于元素現有系列的理論完備了,元素的普遍聯系和相互關系也就清楚了。
    三、化學元素周期表的未來
  現在,建立在量子力學基礎上的周期律理論,應該說比門捷列夫原來的周期表有更強的預見性,從這點出發,完全有理由把化學元素周期表加以延長和擴展,首先可以把第七周期填滿,共32個元素,再根據電子殼層的排布,第121號元素以后要填次外層32個電子,這樣第八周期就會有33個元素的超錒系,整個第八周期應當有50個元素。同理第九周期也可以填,也包括50個元素。這樣,就有了化學元素周期律的擴展表。
  這個擴展表,是根據原子結構的量子力學模型數的邏輯延伸,這樣邏輯的延伸,在理論上是說得通的。至于說在實際中真會存在嗎?還需要科學理論的進一步發展才能最后得到解決。
    四、元素周期律的哲學意義
  按照周期律的現代解釋,元素的性質取決于該元素的核電荷數,并與核電荷數成周期性的依賴關系。從元素周期表來看,隨原子中核電荷數量的變化,引起元素以及由它們形成的單質和化合物的一系列物理、化學性質周期性的變化。從核電荷為1的氫數,每增加一個核電荷,就出現一個不同質的元素,從總的趨向來看,每一周期都是從一種最活潑的金屬開始(第一周期除外),到一種惰性元素終止,一共構成七個周期。在同一個周期里,元素具有相同數量的電子層,但隨著原子核電荷的遞增,最外層的電子數目也相應遞增,元素的金屬性由強到弱,非金屬性由弱到強;元素氧化物的水化物的堿性逐漸減弱,酸性逐漸增強;氣態氫化物的穩定性逐漸增強。而從同族元素來說,原子最外層的電子數相同,但隨著原子核電荷數的增加,在元素周期表中由上至下電子層數依次增加,而表現為金屬性逐漸增強,非金屬性逐漸減弱,這在主族元素中表現得尤為突出。這些性質充分證明了量的增加引起了質的飛躍,這一點在自然界中具有普遍的意義。這就證明了辯證唯物主義中的質量互變的規律。
  事實上,質量互變規律在整個化學領域都起作用,并且比其它學科表現得尤為突出。正因為如此,化學才被稱為研究物質由于量的構成變化而發生質變的科學。
  “肯定和否定是相互對立相互排斥的。在它們的相互對立、相互排斥和相互斗爭中,當肯定的方面處于優勢時,事物保持其原有的性質和自身的存在,一旦否定的方面在發展中取得支配地位,就使事物轉化到自己的對立面,達到對事物自身的否定。”[②]周期律不僅揭示了質量互變的規律,還表明了化學元素發展的趨勢是從肯定到否定,再到否定之否定,這樣波浪式、螺旋式、周期性向前發展的。這種運動變化過程和趨勢正是否定之否定的規律這個“辯證法的精華”[③]揭示的內容。
  從元素周期律看到,隨著元素原子核電荷數的遞增,元素的性質在發生否定之否定的周期性變化。
  一是隨著原子核電荷數的增加,元素在常溫下的物理狀態呈現由固態(鋰、鈹、硼、碳)——氣態(氮、氧、氟、氖)——固態(鉀、鈣)的復歸過程。
  二是隨原子核電荷數的增加,形成元素由金屬類——非金屬類——金屬類;元素的化學性質出現由活潑——惰性——活潑的回復變化過程。
  從元素周期表來看,每一周期元素的某些特性都在下一周期重復出現,如排在每一周期之首的堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫的化學性質都十分相似,但這不是完全的重復,而是一種上升的螺旋式的前進運動,是更高一級的復歸。
  化學元素呈現的周期性變化,典型地說明了否定之否定規律在自然界的普遍性。
    五、元素周期律的現實意義
  元素周期律在化學發展史上有著重要的科學價值。它的發現,是化學上(特別是無機化學)一次重大的綜合,形成了有內在聯系的統一體系。它為研究化學元素、化學變化過程奠定了理論基礎。把各種元素的性質和它們在周期表中的位置對應起來,把各類元素的自然體系,用周期表的邏輯體系反映出來。這本身在化學的發展中就具有劃時代的意義。
  元素周期律具有強大的邏輯力量和驚人的預見性。這樣一來,使人們對化學元素和有關化合物的研究從盲目性中解放出來,從而增強了無機化學研究的目的性和自覺性,有了周期律作為指導思想,就能夠有目的、有計劃地向未知元素進軍。
  化學元素周期律揭示了自然界的偉大規律,它指出了化學元素的發展具有驚人的周期性。而從化學的角度看,化學元素又是構成化學世界的基礎,如果它的變化具有周期性,那末,各種復雜的化學物質的運動變化,也都會有不同程度的同期性。從這個意義上說,周期律又成了人類探導自然界周期發展的鑰匙。
  元素周期律的重要性不僅僅是總結了前人的工作,將許多似乎漠不相干的事實用一個共同的原則聯系來,并且指出了研究方向。沒有這個定律,化學不可能達到今天的完整地步。
  〔說明〕 
  本文主要參考了《化學史簡明教程》,郭保章 董德沛著(北京師大出版社) 
  〔引文注解〕 
  ①克萊因《古今數學思想》第一冊,P34
  ②李秀林等《辯證唯物主義和歷史唯物主義原理》
  ③《列寧全集》第55卷,P197
                      (作者單位:本校化學系)
                         審稿:劉世彬
  
  
  
黔南民族師專學報(哲社版)都勻056-058,062B2自然辯證法鐘才寧19951995 作者:黔南民族師專學報(哲社版)都勻056-058,062B2自然辯證法鐘才寧19951995
2013-09-10 21:18

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