科学发现的方法及意义

肖 婷 叶云招 刘永桃

摘要本文回顾门捷列夫元素周期表的发现过程,分析元素周期律发现过程中所运用的主要科学方法,并以此为基础,研究门捷列夫的科学发现所具有的哲学现实意义及启示。

关键词科学发现 元素周期律 哲学意义

中图分类号:O6-64文献标识码:A

1 周期表理论思想的由来

十九世纪,最早提出元素分类问题的是德国科学家德贝莱纳,他对元素的原子量和化学性质之间关系进行研究,提出三元素组的分类方法。其中每组内三元素间化学性质相似,最外层电子数相同,中间一个原子量数与化学性质介于前后两元素之间。德贝莱纳的这个发现,尽管存在许多局限性,但可以肯定的是,他能以量和质两方面将元素原子量和化学性质联系起来,此举措对后来的研究指明了方向。

此后,化学家们对德贝莱纳的发现进行了补充和完善,并提出各类观念。1850年德国药物学家培顿科弗提出了各元素原子量值之差,常常为8或8的倍数。1860年,弗兰克兰等提出了原子价的概念,为人们在寻找化学元素之间内在联系创造有利的条件。1865年,英国人纽兰兹编排了按原子量大小顺序变化的“八音律”表,该表每隔8个元素,元素的化学性质就近似重复一次,呈类似音乐八音度般的规律变化。

不同时期的发现,从德贝莱纳的三元素组到纽兰兹的“八音律”化学家们逐渐对化学性质与元素原子量间的联系做探索研究,为化学元素周期律的发现奠定了基础,终于在1869年2月17日,俄国化学家门捷列夫的元素周期表问世,在题为《元素属性和化学原子量的关系》文中系统阐述了元素周期律的基本论点。

2 元素周期律发现的过程和主要方法

著名的原苏联哲学家、化学家、科技史家鲍·米·凯德洛夫说过:“门捷列夫元素周期律的主要发现被公认为是自然科学发展中的转折点。这绝不单纯是改变了元素之间相互联系的概念,而且有某种更大的意义即它为四分之一世纪之最后 ‘爆发的自然科学最新革命做好了准备,其更大的意义在于,它摧毁了科学家特别是化学家固有的思维方式,为自然领域研究开辟了一条全新的途径。”①

作为自然科学发展的里程碑,门捷列夫究竟是运用怎样的方法发现这一规律的?发现的过程又是怎样的?恩格斯曾做过以下论述:“门捷列夫不自觉的运用黑格尔的量变转化为质变的规律,完成了科学上的一个勋业,这个勋业可以和勒维烈计算的尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位”。②门捷列夫自己也明确表示,在研究化学物质的同时,特别注重其质量和特征两方面。物质的质量集中在原子的原子量中。因而,门捷列夫将原子量与化学性质结合起来并寻找其中的联系,用联系发展的观念看待问题,主张元素的性质和它们的原子量之间存在着必然联系和客观规律。寻找元素的性质及其相似性与原子量间的关系必然是最直观、最简捷的方法。

掌握正确的科学方法对揭露元素间的规律联系至关重要。此后,门捷列夫应用以往的相似元素分类的方法,试着按原子量递增递减规律,将已发现的63种元素进行排序,再把化学性质相似的元素上下对齐。由此发现,每一横行的化学性质相似,每一纵行的化学性质从金属过渡到非金属,整个元素呈周期性变化。但对于当时所发现的全部元素而言,并不能按照原子量大小顺序简单地加以排序,门捷列夫便尝试着对不符合周期规律的原子量作修改,有些元素间跳跃性太大,他直觉对这种变化产生疑惑,并肯定在这其中一定存在某种缺漏元素,且大胆的对尚未发现的化学元素进行预言,精确估算其原子量的数值、化学性质等,并给这些未知元素留下空位。

此时的门捷列夫从形式上“打破”传统的按原子量大小递增递减顺序排列的机械方法,应用自己在研究元素排列位置中的卓越见识,通过相邻两个周期间既不能相同,又不能重复,而是由低级到高级、由简单到复杂的发展过程,大胆预测未知元素等。突出表现了门捷列夫的智慧和把他的理论转化为科学方法的惊人预见性。后来,由于科学家们的努力终于发现了这些未知元素的存在与先前门捷列夫所预言的完全吻合。

我们可以把门捷列夫的整个创造发现过程归于三种思维方法,即上升法、综合法、和比较法。在科学研究中,创造性思维过程是一个从简单到复杂、从低级到高级、从抽象到具体的上升过程,并沿着正确的方法、严格的程序从已知通向未知,从熟悉过渡到不熟悉的领域。正确的思维方法才是门捷列夫走向成功的关键。门捷列夫应用上升法首先以NaCl这个“细胞”为开端,从研究Na和Cl的关系出发,进而研究Na组和Cl组的关系,再过渡到研究与之相邻的Ca组,以及扩展到更外面的元素族的关系。并为建立新的元素体系提供理论基础。他根据前人提出的以原子量的大小顺序为依据,试图把两种化学性质不相似的元素靠近做比较研究。而后,门捷列夫还用此方法把金属与非金属连接起来。从最强的金属Na组和最强的非金属Cl组开始到最弱的非金属O组,随之到更弱的过渡元素N组,再到金属元素Al组、Mg组等,使些没安置的元素归于其位。上升法确实是门捷列夫编制元素体系的重要手段,更是向未知领域进军的关键所在。③

在对化学元素周期表的研究中,任何单个元素要列入一般体系都须预先组成自然组,否则元素周期律就不可能被发现。就是说门捷列夫在编制元素体系时首先做的工作就是对化学元素中的种种特性作比较分析,然后将相似同类元素加以组合形成各个元素组,进而在比较研究各个不相似的同类元素组的基础上加以综合考察,最后才能显示出元素周期律的自然体系。门捷列夫的综合法表明,只有对个别元素加以组合,认识了各族元素的特殊本质才能进一步概括,认识元素的共同本质。

门捷列夫借助比较法在周期律的发现中表现在三方面:首先使一组元素与相邻另外两组元素彼此之间能联系起来,保证原子量很接近而且不能插入任何其他元素组的可能;其次是确保每组元素与上下组元素和相邻组元素之间起着过渡作用;最后使相邻各组元素的原子价数值处于1-4或4-1间的中间状态。以此就能很清晰地看出某一元素在整个周期表中的位置,以及这种元素与相邻(上下)的或某一周期的相邻元素一切关系的综合。④比较法最终的目的在于揭露毗邻元素间的联系以确定元素在周期表中的位置。

3 元素周期表的现实哲学意义

化学元素周期表在后来一次次的检验中向前发展,在原子结构的研究中获得了理论解释,形成了一个完整的体系,其建立的伟大意义在于:门捷列夫并非把自然界中的各元素看成是单独的、孤立的、互不相联系的偶尔的堆积,而是把各元素通过寻找一定的内在规律联系起来,看作有机的统一整体。以此更强有力地说明了门捷列夫所具备的辩证唯物主义自然观的思想。

恩格斯在《自然辩证法》中对人类历史发展两方面和思维本身一般规律。它们可以简化为三个规律:量转化为质和质转化为量的规律;对立的相互渗透规律;否定的否定规律。⑤元素周期律以科学的事实论证了对立统一规律,质量互变规律和否定之否定规律。下面就门捷列夫发现元素周期律的过程中三规律的应用加以简单分析。

任何事物内部都包含对立与统一,即相互排斥和相互依赖两方面,只有这样才能构成事物运动推动事物发展。在元素周期律中也无不例外的存在矛盾的对立与统一。即两组元素之间的金属性与非金属性;还原性与氧化性;核外正电荷的得失电子的能力等都表现在相互对立面,当然这其中也包含着统一面,金属与非金属间,氧化性与还原性间相互作用后由一种元素变化成另一种元素,两者间既相互联系又相互排斥,二者缺一不可。

质量互变规律认为客观存在的一切事物是质和量的统一,事物由于自身内部矛盾发生质变和量变,量变引起质变,质变引起新的量变,如此循环往复。纵观元素周期律的发现可知,元素的性质取决于该原子核外电荷数,随着电荷数的不断增加,元素化学性质发生周期性变化。如:核外每增加1个电荷数就会出现不同性质的另一种元素,从金属、非金属最后止于惰性气体,从左至右金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强……一系列性质的变化充分证明了量变所引起的质变的飞跃。

否定之否定规律指自然界中任何事物既有肯定面也有否定面。肯定是事物保持存在,否定是推翻事物的存在。起初,肯定处于比较稳定的主导位置,否定处于非主导位置,经过系列变化否定则占据了主导位置,事物发生了质的变化。肯定与否定间不断的自身否定,从而达到否定之否定状态。从化学元素周期表的第一族金属元素锂可看出,随着核外电荷数的不断增加,第一族元素则变成了气体元素氧,物理性质发生改变,核外电荷数增加就又变成了下一族的钠元素了,尽管和锂元素属同一族但还存在着化学性质的不同,即比锂更强的金属性。以此类推否定前者肯定后者,周而复始。波浪式、螺旋式、周期性向前发展,这种变化趋势正是辩证唯物主义中的否定之否定规律所揭示的内容。更深入地论证了门捷列夫发现化学元素周期律的正确性。

总之,化学元素周期律的发现具有很大的现实科学意义。元素周期表的发现促进了无机化学的重新兴起,它的建立使化学研究把各有机的零散的元素有机的结合形成统一整体,从本质上揭示各种化学元素间的区别、联系,实现了无机化学从感性到理性的飞跃;元素周期律的发现是元素学说和整个物质学说的根本的变革,对整个化学的发展起不可估量的作用,它将是化学上的一颗明珠永远照亮科学进步的道路。

注释

①鲍·米·凯德洛夫.科学发现—以门捷列夫元素周期表为例.社会科学文献出版社,2002.

②恩格斯.自然辩证法.于光远等,译.人民出版社,1984.10:81.

③钱时惕.重大科学发现个例研究.科学出版社,1987.8:195.

④钱时惕.重大科学发现个例研究.科学出版社,1987.8:197.

⑤恩格斯.自然辩证法.于光远等,译.人民出版社,1984.10:75.

参考文献

[1] 赵春艳.从元素周期表的发现过程探讨科学与哲学的关系.克山师专学报,2003.3.

[2] 玄兆坤.对化学元素周期律中哲学问题的思考.承德民族师专学报,2003.5.

[3] 韩福芹.元素周期表蕴含的教育功能.边疆经济与文化,2008.11.

[4]钟才宁.元素周期律的发现史及其哲学意义和现实意义.黔南民族师专学报(哲社版),1995.2.

[5] 刘建统.科学技术史.国防科技大学出版社,1986.

[6] 顾越岭.科学发现的奥秘.科学出版社,2007.

[7] 赵树智,宋汉阁.科学的突破.科学出版社,1998.11.