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元素周期律的发现史及其哲学意义和现实意义 
元素周期律的发现史及其哲学意义和现实意义 
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  摘要:化学概念和化学基本理论不仅是实践发展的产物,同时也是抽象思维的结果。它们都是经过反复的抽象而逐步形成的。元素周期律的发现也是如此。本文从元素周期律的发现过程和元素周期律本身,探讨其哲学意义:质量互变规律和否定之否定规律在元素周期律中得到了充分证实,而在自然界中具有普遍的意义。
  关键词:元素周期律 哲学 质量互变 否定之否定
  随着化学实践的不断发展,化学概念的内涵和外延也不断地发生变化并得到补充和修正。任何一种化学理论也只能是相对完成的化学知识体系,它们同样在化学实践的推动下不断深化,而不是停留在一个水平上。在化学实践的推动下,需要不断地再做理论的概括工作,既重新从现象的总和(包括新的化学现象)中抽取逻辑的出发点,并借助“综合”把“具体”在思维中复制出来。
  由于化学分析的深入发展,化学家们发现了一系列的化学元素,迈尔、门捷列夫等人经过深入研究,把所有的化学元素纳入到一个逻辑系统中,建立了元素周期律。
  元素周期律实现了无机化学认识由经验到理论的飞跃,是化学史上的伟大转折。它生动地反映出自然界的辩证发展规律,为辩证唯物主义自然观提供了坚实的自然科学基础。本文就元素周期律的发现史及其包含的内容,探讨其哲学意义和现实意义。
    一、门捷列夫元素周期律
  随着元素数目在十九世纪的增多,化学家们开始感到他们象是迷失在一座茂密的丛林中,每一种元素都具有不同的特性,他们找不到依据把这些元素按顺序排列成一个表。由于科学的精髓就在于要从表面的杂乱中理出秩序来,所以科学家们一直想从元素的特性当中找出某种规律来。
  俄国化学家门捷列夫从杂乱无章的元素迷宫中理出了一个头绪。1869年,他和德国化学家迈尔分别提出一个元素表,其所以称为周期表,是因为这表中化学性质相同的元素周期性地重复出现。
  门捷列夫于1869年3月18日,发表了题为《元素属性和原子量的关系》的论文,从而首次提出了化学元素周期表。论文中阐述了元素周期律的基本点:
  (1)按原子量的大小排列起来的元素,在性质上呈现明显的周期性;
  (2)原子量的大小决定元素的特征,正象质点的大小决定复杂物质的性质一样……因此,例如S和Te的化合物;Cl和I的化合物等,既互相类似又呈现出极明显的差别;这与早期毕达哥拉斯学派“从几何学的角度把数看成是扩大了的一个点或很小的一个球”[①]很相似,具有唯物主义的倾向。
  (3)许多未知单质是可以预料到的,例如预料到类似铝和硅的原子量是位于65至75之间的元素。元素的某些同类元素将按它的原子量大小而被发现。
  (4)我们知道了某些元素的同类元素以后,有时可以修正该元素的原子量。   
  最初的周期表并不完备,然而它按原子量递增的顺序并把相似的元素排成一行而体现的元素周期性是令人信服的。在这张表中初步实现了使元素系统化的任务,把已发现的63个元素全列入表中,全表有66个位置,尚有四个空位只有原子量而没有元素名称。门捷列夫预言具有这些原子量的未知元素是存在的,他还对表中的钍、碲、金、铋四个元素的原子量表示怀疑。
  又经过两年的苦心努力,门捷列夫研制成一个横排的化学元素周期表,这个横排表和现代周期表已经非常接近。表中收入了当时已知的63种元素,并给当时尚未发现的化学元素留下了27个空位,他把所有的化学元素分为两个短周期(氢和典型元素),五个长周期,八个族。还预言了许多尚未发现的化学元素的原子量及有关的化学性质。在以后的几年中,他的预言得到了证实、镓、钪、锗三种元素的发现,宣布了化学元素周期律的胜利,元素周期律为化学、物理和其它自然科学,提供了一个十分有效的理论武器。
  一个划时代的科学理论的创立,往往需要许多科学工作者长期的连续的努力。周期律的发现,直接涉及到八位化学家。如果往上追溯,可以一直到波义耳和拉瓦锡,可见,科学的发现有它的社会历史性,科学的发展水平也不能脱离社会历史条件。当然,这并不排除科学理论的预见性,恰恰相反,真正的科学理论,不仅仅能解释以往的事实,它还必须能预见未来。化学元素周律的发现,标志着人类对元素认识的系统化。进入现代以后,随着人类对化学元素认识的深化,周期律又得到了进一步的发展。
    二、同位素的发现和周期律的发展
  十九世纪末,在物质结构的研究方面,出现了三大发现。这就是德国物理学家伦琴发现了X射线,法国物理学家克勒尔发现了天然放射性,英国物理学家汤姆生发现了电子。这三大发现,宣布了现代科学时期的到来,也为化学元素的研究开辟了更广阔的道路。
  门捷列夫在确定化学元素在周期表中排列顺序时,是按原子是由小到大排列的,但是后来发现有三处不能这样排。这三处是碲(128)和碘(129)、钴(58.9)和镍(58.7)、氢(40)和钾(39),这三处正确的排法是把原子量大的元素排在原子量小的元素前面。这和门捷列夫按原子量由小到大排列元素周期表的原则是相矛盾的。这是什么原因呢?
  莫斯莱解决了这个问题,他认为:化学元素排成周期表,不是按着原子量由小到大排列,而应当按着原子序数(乙)排列。而原子序数由莫斯莱定律确定。后来科学家们进一步发现,原子序数就是化学元素原子的核电荷数。
  而另一个问题,即原子量的小数问题,则是由同位素的发现而得到解决的。到目前为止,已知地球上的同位素共计有489种,其中稳定同位素264种,天然放射性同位素225种,另外还合成了人工放射性同位素2000多种。
  同位素确定之后,原子量的小数解释起来就非常简单了。通常所使用的各种元素的原子量,只是不同比例的几种同位素的原子量的平均值。因扰了科学家们100多年的原子量的小数问题,最后还是由科学家们解决了。
  原子序数问题和原子量小数问题的解决,促进了元素周期律的发展,使人们对元素本质的认识深化了。还剩下的周期律的原因问题,即化学元素为什么按原子序数排列起来就呈现周期性呢?这个问题是随着原了结构理论的发展而解决的。
  原子结构的现代理论,成功地解释了各种元素原子的化学行为,构成了现代无机化学、量子化学的基础。根据现在建立在量子力学基础上的原子结构理论,周期律得到了圆满的解释。化学元素性质的周期性不过是原子壳层结构的周期性造成的,这样,关于元素现有系列的理论完备了,元素的普遍联系和相互关系也就清楚了。
    三、化学元素周期表的未来
  现在,建立在量子力学基础上的周期律理论,应该说比门捷列夫原来的周期表有更强的预见性,从这点出发,完全有理由把化学元素周期表加以延长和扩展,首先可以把第七周期填满,共32个元素,再根据电子壳层的排布,第121号元素以后要填次外层32个电子,这样第八周期就会有33个元素的超锕系,整个第八周期应当有50个元素。同理第九周期也可以填,也包括50个元素。这样,就有了化学元素周期律的扩展表。
  这个扩展表,是根据原子结构的量子力学模型数的逻辑延伸,这样逻辑的延伸,在理论上是说得通的。至于说在实际中真会存在吗?还需要科学理论的进一步发展才能最后得到解决。
    四、元素周期律的哲学意义
  按照周期律的现代解释,元素的性质取决于该元素的核电荷数,并与核电荷数成周期性的依赖关系。从元素周期表来看,随原子中核电荷数量的变化,引起元素以及由它们形成的单质和化合物的一系列物理、化学性质周期性的变化。从核电荷为1的氢数,每增加一个核电荷,就出现一个不同质的元素,从总的趋向来看,每一周期都是从一种最活泼的金属开始(第一周期除外),到一种惰性元素终止,一共构成七个周期。在同一个周期里,元素具有相同数量的电子层,但随着原子核电荷的递增,最外层的电子数目也相应递增,元素的金属性由强到弱,非金属性由弱到强;元素氧化物的水化物的碱性逐渐减弱,酸性逐渐增强;气态氢化物的稳定性逐渐增强。而从同族元素来说,原子最外层的电子数相同,但随着原子核电荷数的增加,在元素周期表中由上至下电子层数依次增加,而表现为金属性逐渐增强,非金属性逐渐减弱,这在主族元素中表现得尤为突出。这些性质充分证明了量的增加引起了质的飞跃,这一点在自然界中具有普遍的意义。这就证明了辩证唯物主义中的质量互变的规律。
  事实上,质量互变规律在整个化学领域都起作用,并且比其它学科表现得尤为突出。正因为如此,化学才被称为研究物质由于量的构成变化而发生质变的科学。
  “肯定和否定是相互对立相互排斥的。在它们的相互对立、相互排斥和相互斗争中,当肯定的方面处于优势时,事物保持其原有的性质和自身的存在,一旦否定的方面在发展中取得支配地位,就使事物转化到自己的对立面,达到对事物自身的否定。”[②]周期律不仅揭示了质量互变的规律,还表明了化学元素发展的趋势是从肯定到否定,再到否定之否定,这样波浪式、螺旋式、周期性向前发展的。这种运动变化过程和趋势正是否定之否定的规律这个“辩证法的精华”[③]揭示的内容。
  从元素周期律看到,随着元素原子核电荷数的递增,元素的性质在发生否定之否定的周期性变化。
  一是随着原子核电荷数的增加,元素在常温下的物理状态呈现由固态(锂、铍、硼、碳)——气态(氮、氧、氟、氖)——固态(钾、钙)的复归过程。
  二是随原子核电荷数的增加,形成元素由金属类——非金属类——金属类;元素的化学性质出现由活泼——惰性——活泼的回复变化过程。
  从元素周期表来看,每一周期元素的某些特性都在下一周期重复出现,如排在每一周期之首的碱金属锂、钠、钾、铷、铯的化学性质都十分相似,但这不是完全的重复,而是一种上升的螺旋式的前进运动,是更高一级的复归。
  化学元素呈现的周期性变化,典型地说明了否定之否定规律在自然界的普遍性。
    五、元素周期律的现实意义
  元素周期律在化学发展史上有着重要的科学价值。它的发现,是化学上(特别是无机化学)一次重大的综合,形成了有内在联系的统一体系。它为研究化学元素、化学变化过程奠定了理论基础。把各种元素的性质和它们在周期表中的位置对应起来,把各类元素的自然体系,用周期表的逻辑体系反映出来。这本身在化学的发展中就具有划时代的意义。
  元素周期律具有强大的逻辑力量和惊人的预见性。这样一来,使人们对化学元素和有关化合物的研究从盲目性中解放出来,从而增强了无机化学研究的目的性和自觉性,有了周期律作为指导思想,就能够有目的、有计划地向未知元素进军。
  化学元素周期律揭示了自然界的伟大规律,它指出了化学元素的发展具有惊人的周期性。而从化学的角度看,化学元素又是构成化学世界的基础,如果它的变化具有周期性,那末,各种复杂的化学物质的运动变化,也都会有不同程度的同期性。从这个意义上说,周期律又成了人类探导自然界周期发展的钥匙。
  元素周期律的重要性不仅仅是总结了前人的工作,将许多似乎漠不相干的事实用一个共同的原则联系来,并且指出了研究方向。没有这个定律,化学不可能达到今天的完整地步。
  〔说明〕 
  本文主要参考了《化学史简明教程》,郭保章 董德沛着(北京师大出版社) 
  〔引文注解〕 
  ①克莱因《古今数学思想》第一册,P34
  ②李秀林等《辩证唯物主义和历史唯物主义原理》
  ③《列宁全集》第55卷,P197
                      (作者单位:本校化学系)
                         审稿:刘世彬
  
  
  
黔南民族师专学报(哲社版)都匀056-058,062B2自然辩证法钟才宁19951995 作者:黔南民族师专学报(哲社版)都匀056-058,062B2自然辩证法钟才宁19951995
2013-09-10 21:18

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