Авторизация

Сайт Владимира Кудрявцева

 
» » Б.М.Кедров. Открытие периодического закона Д.Менделеевым

Б.М.Кедров. Открытие периодического закона Д.Менделеевым

  • Закладки: 
  • Просмотров: 4 150
  • печатать
  •  
    • 0

 Б.М.Кедров. Открытие  периодического  закона  Д.Менделеевым 


8 февраля исполнилось 180 лет со дня рождения русского ученого-полигистора Дмитрия Ивановича Менделеева. Помимо своего главного дела - химии, Дмитрий Менделеев оставил след в физике,  экономике и экономической географии, геологии, метрологии, агронауках, технологии нефтяной, угольной и металлургической промышленности.


А вот, к крепости русской водки российский гений никакого отношения не имеет, что бы ни гласила этикетка "Русского стандарта", лишь передавая старую затрепанную, но живучую легенду. 38 градусов - цифра, которую "назначило" водке правительство Россиие еще  в то время, когда Дмитрий Иванович, будучи ребенком, потреблял исключительно молоко, чай и компот. Каким же образом его имя "всплыло в рюмке"? Дело в том, что он - как метрик и экономист - был введен в комиссию по акцизам. А акцизы на водку начислялись тогда по градусам. В связи с чем Мендлееев и высказывал свои экспертные соображения.


Универсальность ученого - не только и не столько в энциклопедизме, сколько в способности совершить открытие, в котором предстает некий универсальный порядок вещей. Для Менделеева таким открытием стал периодический закон.


Философ, химик, историк науки акад. Б.М.Кедров написал несколько книг и массу статей о менделеевском открытии. "День великого открытия" (так называется самая его известная работа о Менделееве) Кедров расписывал и осмысливал поминутно.


Ниже приведен фрагмент из популярной книги Б.М.Кедрова "Творчество в науке и технике" (М., 1987), рецензентом которой был мой учитель В.В.Давыдов, друживший с Бонифатием Михайловичем.


В.К.


    



Что способствовало подготовке открытия? Мы начинаем с анализа великого менделеевского открытия, поскольку оно было детально и всесторонне изучено нами в течение многих лет по архивным материалам. Но сначала необходимо сказать несколько слов о его предыстории.


В ходе познания химических элементов можно четко выделить три последовательные ступени, о которых говорилось во введении. Начиная с глубокой древности и вплоть до середины XVIII века элементы открывались и изучались человеком порознь, как нечто единичное. С середины XVIII века начался постепенный переход к открытию и изучению их целыми группами, или семействами, хотя одиночные открытия элементов продолжались и позднее. Групповое их открытие и изучение основывалось на том, что у некоторых из них обнаруживались общие физические или химические свойства, равно как и совместное присутствие ряда элементов в природе.


Так, во второй половине XVIII века в связи с возникновением пневматической (газовой) химии были открыты легкие неметаллы, которые в обычных условиях находятся в газообразном состоянии. Это были водород, азот, кислород и хлор. В тот же период были открыты кобальт и никель в качестве природных спутников железа.


А уже с первых лет XIX века открытие элементов стало происходить целыми группами, члены которых обладали общими химическими свойствами. Так, посредством электролиза были открыты первые щелочные металлы — натрий и калий, а затем щелочноземельные — кальций, стронций и барий. Позднее, в 60-х годах, с помощью спектрального анализа были открыты тяжелые щелочные металлы — рубидий и цезий, а также более тяжелые металлы будущей третьей группы — индий и таллий. Эти открытия основывались на близости химических свойств членов открываемых групп, а потому эти их члены связывались между собою уже в самом процессе их открытия.


В начале того же XIX века было открыто семейство платиновых металлов (кроме рутения, открытого позднее)  в качестве природных спутников платины. В течение всего XIX века открывались редкоземельные металлы как члены единого семейства.




Вполне естественно, что первые классификации элементов строились на основе общности их химических свойств. Так, еще в конце XVIII века А. Лавуазье разделил все элементы на металлы и неметаллы. Такого деления придерживался и И. Берцелиус в первой половине XIX века. Тогда же стали выделяться первые естественные группы и семейства элементов. И. Деберейнер, например, выделил так называемые «триады» (скажем, литий, натрий, калий — «триада» щелочных металлов и т.д.). К числу «триад» относились такие, как хлор, бром, йод или сера, селен, теллур. При этом вскрывались такие закономерности, что значения физических свойств среднего члена «триады» (его удельный и атомный веса) оказывались средними по отношению к крайним членам. Что же касается галоидов (галогенов), то агрегатное состояние среднего члена (жидкий бром) было промежуточным по отношению к крайним членам — газообразному хлору и кристаллическому йоду. Позднее число включаемых в одну группу элементов стало увеличиваться до четырех и даже пяти.


Вся эта классификация строилась на основе учета лишь сходства элементов внутри одной естественной группы. Такой подход давал возможность образовывать все новые подобные группы и раскрывать взаимоотношения элементов внутри них. Этим готовилась вероятность последующего создания общей системы, охватывающей все элементы путем объединения уже найденных их групп в одно целое.


Что препятствовало переходу от особенного ко всеобщему? Примерно к началу 60-х годов XIX века ступень особенности в познании элементов практически была уже исчерпана. Возникла необходимость перехода на ступень всеобщности в их познании. Такой переход мог быть осуществлен путем взаимного связывания различных групп элементов и создания их единой общей системы. Подобного рода попытки все чаще стали предприниматься в течение 60-х годов в различных странах Европы — Германии, Англии, Франции. Некоторые из этих попыток содержали в себе уже явные намеки на периодический закон. Таков был, например, «закон октав» Ньюлендса. Однако, когда Дж. Ньюлендс доложил о своем открытии на заседании Лондонского химического общества, ему был задан ехидный вопрос: а не пытался ли автор открыть какой-либо закон, располагая элементы в алфавитном порядке их названий?




Это показывает, насколько чужда была химикам того времени сама идея выйти за пределы групп элементов (особенного) и искать пути раскрытия общего закона, охватывающего их (всеобщего). В самом деле, чтобы составить общую систему элементов, надо было сближать и сопоставлять между собой не только сходные элементы, как это делалось до тех пор внутри групп, но все вообще элементы, в том числе и несходные между собою. Однако в сознании химиков прочно засела мысль, что сближать между собою можно только одни сходные элементы. Эта мысль настолько глубоко укоренилась, что химики не только не ставили перед собой задачи перейти от особенного ко всеобщему, но полностью игнорировали и даже не замечали первых отдельных попыток осуществить такой переход.


В итоге сложилось серьезное препятствие, вставшее на пути открытия периодического закона и создания общей естественной системы всех элементов на его основе. Существование подобного препятствия неоднократно подчеркивал сам Д. Менделеев. Так, в конце своей первой статьи о сделанном им великом открытии он писал: «Цель моей статьи была бы совершенно достигнута, если бы мне удалось обратить внимание исследователей на те отношения в величине атомного веса несходных элементов, на которые, сколько то мне известно, до сих пор не обращалось почти никакого внимания».


Спустя два с лишним года, подводя итог разработке своего открытия, Д. Менделеев вновь подчеркнул, что «между несходными элементами и не искали даже каких-либо точных и простых соотношений в атомных весах, а только этим путем и можно было узнать правильное соотношение между изменением атомных весов и других свойств элементов».


Спустя двадцать лет после открытия в своем Фараде-евском чтении Д. Менделеев вновь вспоминал о препятствии, стоявшем на пути к этому открытию. Он привел первые выкладки на этот счет, в которых «видны действительные задатки и вызов периодической законности». И если последняя «высказана с определенностью лишь к концу 60-х годов, то этому причину. должно искать в том, что сравнению подвергали только элементы, сходственные между    собой.    Однако мысль сличить все элементы по величине их атомного веса. Ч5ыла чужда общему сознанию.». А потому, отмечает далее Д. Менделеев, попытки, подобные «закону октав» Дж. Ньюлендса, «не могли обратить на себя чьего-либо внимания», хотя в этих попытках «видно. приближение к периодическому закону и даже его зародыш».




Эти свидетельства самого Д. Менделеева для нас исключительно важны. Их глубокий смысл заключается в признании того, что основным препятствием на пути открытия периодического закона, то есть на пути перехода ко всеобщему в познании элементов, лежала привычка химиков, ставшая традицией, мыслить элементы в жестких рамках особенного (их сходства внутри групп). Такая привычка в мышлении не давала им возможности выйти за рамки особенного и перейти на ступень всеобщего в познании элементов. В результате открытие общего закона задержалось почти на 10 лет, когда, по свидетельству Д. Менделеева, ступень особенного была уже в основном исчерпана.


ППБ и его функция. Подобное препятствие, которое носит одновременно и психологический и логический (познавательный) характер, мы и называем познавательно-психологическим барьером (ППБ). Такой барьер необходим для развития научной мысли и выступает в качестве ее формы, удерживая ее достаточно долгое время на достигнутой ступени (в данном случае на ступени особенности) с тем, чтобы она (научная мысль) могла полностью исчерпать эту ступень и тем самым подготовить переход на следующую, более высокую ступень всеобщности.


Сейчас мы не можем рассматривать механизм возникновения подобного барьера и ограничимся лишь указанием на то, что он возникает автоматически. Однако после выполнения им своей познавательной функции он продолжает действовать и не снимается столь же автоматически, а как бы закрепляется, окостеневает и из формы развития научной мысли превращается в ее оковы. В таком случае научное окрытие происходит не само собой, легко и просто, но как преодоление стоявшего на пути познания препятствия,ППБ.


Сказанное мы относим пока что к данному разбираемому нами историко-научному событию и не ставим еще задачи выяснить, насколько часто подобная ситуация наблюдается. При этом мы идем не путем индуктивных обобщений,    основанных на    рассмотрении     множества различных открытий, а путем теоретического анализа пока только одного открытия, а именно — периодического закона. В дальнейшем нас будет интересовать, каким конкретным способом Д. Менделеев преодолел барьер, стоявший на пути процесса открытия, то есть на пути перехода со ступени особенного на ступень всеобщего в познании химических элементов.




Преодоление ППБ Д. Менделеевым. Периодической закон был открыт Д. Менделеевым 17 февраля (1 марта) 1869 года. (Очень подробно об открытии периодического закона рассказано в книгах Б. М. Кедрова «День одного великого открытия» и «Микроанатомия великого открытия». — Ред.) На обороте только что полученного им письма он стал делать выкладки, положившие начало открытию. Первой такой выкладкой была формула хлорида калия КС1. Что она означала?


Д. Менделеев писал тогда свои «Основы химии». Он только что закончил первую часть и приступил ко второй. Первая часть завершилась главами о галоидах (галогенах), в число которых входил хлор (О), а вторая начиналась главами о щелочных металлах, к которым относился и калий (К). Это были две крайние, диаметрально противоположные в химическом отношении группы элементов. Однако они сближены в самой природе путем образования, например, хлористых солей соответствующих металлов, скажем, поваренной соли.


Создавая «Основы химии», Д. Менделеев обратил на это внимание и стал искать объяснение этому в близости атомных весов. У обоих элементов — калия и хлора: К = 39,1, С1 = 34,5. Значения обоих атомных весов примыкали непосредственно одно к другому, между ними не было других промежуточных значений, атомных весов других элементов. Два с лишним года спустя после открытия, подводя итоги разработки, Дмитрий Иванович отмечает, что ключом к периодическому закону явилась идея сближения между собой по близости количественной характеристики (атомного веса) элементов, качественно совершенно несходных между собой. Он писал: «Переход от О к К и т. п. также во многих отношениях будет соответствовать некоторому между ними сходству, хотя и нет в природе других столь близких по величине атома элементов, которые были бы между собой столь различны».


Как видим, здесь Д. Менделеев обнажил скрытый смысл своей первой записи  «КС1»,  с которой     начался процесс открытия. Оговоримся, что нам неизвестно, что натолкнуло его на мысль о сближении калия и хлора по величине их атомного веса. Возможно, он вспомнил в этот момент, что писал о хлористом калии в конце первой или в начале второй части «Основ химии». Но возможно, и какое-либо иное обстоятельство навело его на мысль о сближении калия и хлора по атомному весу. Мы могли зафиксировать лишь ту запись на бумаге, которая появилась из-под пера Д. Менделеева, но не то, что предшествовало ей в его голове. Как увидим ниже, история науки и техники знает немало случаев, когда известен не только первый шаг к открытию, но и мысль, мелькнувшая в голове его автора в качестве наводящей. Пока же нам важно установить, в чем состоял барьер (ППБ) на пути к открытию периодического закона и как он был преодолен ученым.




Добавим, что теперь мы можем более конкретно разъяснить, в чем состоял переход Д. Менделеева от особенного ко всеобщему в познании элементов. Под их несходством он фактически понимал их химические различия, а сближение несходного по их атомному весу достигалось на основании присущего им общего физического свойства — их массы. Таким образом, переход от особенного ко всеобщему соответствовал переходу от рассмотрения их с химической стороны к рассмотрению с физической стороны.


Ниже мы еще не раз вернемся к подобному же варианту. Однако этот случай нельзя трактовать как переход от учета одних лишь качественных различий элементов к учету количественного их сходства. Количественная характеристика элементов учитывалась уже на ступени особенного, как мы видели на примере «триад» и теории атомности.


Итог преодоления ППБ. Итак, отмеченный Д. Менделеевым барьер был успешно преодолен, и познание элементов в результате этого вышло за пределы ступени особенности и поднялось на ступень всеобщности. Заметим, что до этого момента сам ученый не видел, в чем именно заключается препятствие, стоявшее на пути к открытию периодического закона. В его подготовительных работах, в частности в планах «Основ химии», составленных до 17 февраля (1 марта) 1869 года, нет даже намека на то, что надо сближать друг с другом несходные элементы. Только после того, как он догадался, что ключ к решению всей задачи лежит в этом сближении, он понял, в чем заключалось и препятствие, лежавшее на пути к открытию, то есть, говоря нашим языком, что за барьер стоял на этом пути.




Переступив ППБ в первый раз, Д. Менделеев тут же начал в деталях осуществлять переход от особенного к только еще открываемому всеобщему (закону). При этом он показывал, как надлежит включать в строящуюся общую систему элементов одну их группу за другой, то есть сближать несходные между собой элементы по величине их атомных весов. Другими словами, все построение общей системы элементов совершалось в процессе последовательного включения особенного (групп) во всеобщее  (в будущую периодическую систему).


Позднее в «Основах химии» он писал по поводу приведенной им таблички:


F = 19;    С1 = 35,5;    Вг = 80;    J = 127. Na = 23;    К = 39;    Rb = 85;    Cs = 133. Mg = 24;    Ca = 40;    Sr = 87;    Ba = 137.


«В этих трех группах видна сущность дела. Галоиды обладают меньшими атомными весами, чем щелочные металлы, а эти последние —меньшими, чем щелочноземельные».


Так, осуществляя переход от ступени особенного на ступень всеобщего в познании элементов, Д. Менделеев довел до завершения свой замысел, включив в общую систему не только все уже известные тогда группы элементов, но и отдельные элементы, стоявшие до тех пор вне групп.


Замечу, что некоторые химики и историки химии пытались представить дело так, будто Дмитрий Иванович в своем открытии шел не от групп элементов (особенного), сопоставляя их одну с другой, а непосредственно от отдельных элементов (единичного), образуя из них последовательный ряд в порядке возрастания их атомных весов. Анализ многочисленных черновых записей Д. Менделеева полностью отвергает эту версию и неоспоримо доказывает, что открытие периодического закона было совершено в порядке четко выраженного перехода от особенного к всеобщему. Тем самым подтверждается, что барьер здесь возник именно как познавательно-психологическое препятствие, мешавшее выходу научной мысли химиков за пределы ступени особенного.


Обратим теперь внимание, что в итоговой периодической системе элементов представлены в единстве обе исходные противоположности — сходство и несходство (химические) элементов. Это можно показать уже на приведенной выше неполной табличке из трех групп. В ней по горизонтали располагаются химически сходные элементы (то есть группы), а по вертикали — химически несходные, но с близкими атомными весами (образующие периоды).




Так представление о ППБ и о его преодолении по-звовяет понять механизм и ход сделанного Д. Менделеевым великого открытия.


Конкретнее это открытие можно представить как преодоление барьера, разрывавшего до тех пор элементы на такие противоположные классы, как металлы и неметаллы. Так, уже первая    менделеевская запись «КС1» свидетельствовала о том, что здесь сближены между собою не вообще несходные элементы, а элементы двух противоположных классов — сильный металл с сильным неметаллом. В итоговой развернутой системе элементов сильные металлы заняли левый нижний угол таблицы, а сильные неметаллы — правый верхний угол. В промежутке же между ними расположились элементы переходного характера, так что открытие Д. Менделеева и в этом отношении преодолевало барьер, мешавший выработать единую систему элементов.




Преодоление еще одного барьера. До сих пор мы говорили о барьере, стоявшем на пути познания от особенного ко всеобщему. Условно такой путь можно сравнить с индуктивным. Однако после открытия закона и даже в самом процессе его открытия возможен был обратный путь — от общего к особенному и единичному, который мы столь же условно можем сравнить с дедуктивным. Так, до открытия периодического закона атомный вес какого-либо элемента устанавливался как нечто сугубо единичное, как отдельный факт, могущий быть проверенным лишь опытным способом. Периодический же закон давал возможность проверять, уточнять и даже исправлять полученные эмпирически значения атомного веса в соответствии с местом, которое должен занять данный элемент в общей системе всех элементов. Например, подавляющее большинство химиков вслед за И. Берцелиусом считало бериллий полным аналогом алюминия и приписывало ему атомный вес Be = 14. Но место, соответствующее этому значению атомного веса в строящейся системе, было прочно занято азотом: N=14. Пустовало же другое место — между литием (Li=7) и бором (В=11) в группе магния. Тогда Д. Менделеев исправил формулу окисла бериллия с глиноземной на магнезиальную, в соответствии с чем получил вместо Ве= = 14 новый атомный вес — Ве=9,4, то есть значение, лежащее между 7 и 11. Тем самым он показал, что всеобщее (закон) позволяет устанавливать единичное — свойство отдельного элемента, которое подчинено этому закону, причем устанавливать без нового обращения к опытному исследованию,


По этому поводу сам ученый писал через 20 лет после открытия своего закона: «Веса атомов элементов, до периодического закона, представляли числа чисто эмпирического свойства до того, что. могли подлежать критике лишь по методам их определения, а не по их величине, то есть в этой области приходилось   идти ощупью, покоряться акту, а не обладать им.»




Можно сказать, что сугубый эмпиризм, или «покорение фактам», исключал возможность определять величину атомного веса, исходя из теоретических соображений, и требовал идти только опытным путем. Соответственно сказанному выше такое препятствие назовем тоже своеобразным барьером, который заставлял химиков быть рабами фактов, подчиняться им, но не владеть ими. Д. Менделеев в ходе построения своей системы преодолел этот барьер, показав, что всеобщее (закон) может служить критерием правильности установленного факта.


При этом и в данном случае мы видим, что на ступени эмпирического познания подобный барьер играет положительную роль (пока эта ступень не исчерпана), препятствуя неоправданному выходу научной мысли за пределы фактов, в область умозрительных натурфилософских построений. Когда же ступень односторонне проводимых эмпирических исследований исчерпана, названный барьер становится препятствием для дальнейшего прогресса научной мысли и должен быть преодолен. Это мы покажем ниже еще на одном примере, который продемонстрировало все то же открытие Д. Менделеева.


Еще о переходеот всеобщего к единичному и особенному. Речь идет о возможности наперед предсказывать не открытые еще элементы с их свойствами на основании пустых мест в только что построенной периодической системе. Уже в день открытия периодического закона Д. Менделеев предсказал три таких неизвестных еще металла; среди них — аналог алюминия с предположительным атомным весом ? = 68. Вскоре после этого он вычислил теоретически, опираясь нз открытый им закон (всеобщее), многие другие свойства этого металла, назвав его условно экаалюминием, в том числе его удельный вес. равный 5,9 — 6, летучесть его соединений (откуда заключил, что он будет открыт с помощью спектроскопа). Именно так и открыл новый металл (галлий) П. Лекок де Буабодран в 1875 году.


Однако удельный вес галлия он нашел значительно меньшим по сравнению с предсказанным. Поэтому заключил, что галлий — это вовсе не экаалюминий, предвиденный автором закона, а какой-то совершенно другой металл. В результате менделеевское предсказание объявлялось не подтвержденным. Но это не обескуражило Д. Менделеева. Он сразу догадался, что галлий восстанавливался с помощью металлического натрия, у которого удельный вес очень мал, меньше, чем у воды. Легко было допустить, что первые порции восстановленного галлия были недостаточно хорошо очищены от примесей натрия, который и снизил полученное в опыте значение удельного веса найденного металла. Когда же П. Лекок де Буабодран, следуя совету Дмитрия Ивановича, очистил свой галлий от примесей, то найденное новое значение его удельного веса в точности совпало с предсказанным и оказалось равным 5,95.




Получилось так, что Д. Менделеев своим теоретическим взором видел новый элемент лучше, нежели П. Лекок де Буабодран, державший этот элемент в руках. Таким образом, и здесь барьер, выступающий как слепое, некритическое отношение к любым полученным на опыте данным, был преодолен, а периодический закон выступил как критерий проверки правильности данных опыта.


Иногда дело представляется так, что сначала Д. Менделеев шел в своем открытии путем индукции (от частного к общему), а потом — путем дедукции (от общего к частному). В действительности же уже в ходе самого открытия нового закона он все время проверял правильность еще только строящейся общей системы элементов посредством дедуктивных умозаключений, как это мы видели на примере бериллия и будущего экаалюминия. Это значит, что индукция и дедукция у Д. Менделеева как логические приемы не были разорваны между собою, а функционировали в полном согласии и единстве, органически дополняя друг друга.


Можно сказать, что до Д. Менделеева в сознании химиков утвердился своего рода барьер, который исключал возможность какого-либо предвидения новых элементов и целенаправленного их поиска. Такой барьер тоже был разрушен сделанным открытием. «До периодического закона, — писал ученый, — простые тела представляли лишь отрывочные, случайные явления природы, не было поводов ждать каких-либо новых, а вновь находимые в своих свойствах были полной неожиданной новинкой. Периодическая законность первая дала возможность видеть неоткрытые еще элементы в такой дали, до которой не вооруженное    этой    закономерностью химическое зрение да тех пор не достигало, и при этом новые элементы, еще не открытые, рисовались с целой массой свойств».



Итак, из анализа истории великого открытия мы уже можем сделать определенные выводы, ответить на вопросы, которые мы поставили в конце нашего методологического введения:


1.  ППБ действительно существуют.


2.  Они возникают и действуют, не допуская преждевременного выхода за рамки данной ступени развития, пока она себя не исчерпала  (ступени особенности).


3.  Поскольку, однако, эта функция ППБ выполнена, сами ППБ становятся тормозом для дальнейшего прогресса науки (для перехода ко всеобщему), а потому они преодолеваются, что и составляет самую суть научных открытий.


Но, разумеется, мы отлично понимаем, что нельзя ограничиться разбором одного только открытия, хотя бы и великого, для подтверждения выдвинутого положения о ППБ как общего. Для этого нужно, конечно, рассмотреть другие открытия, причем в достаточно большом числе. Этим мы и займемся в следующих главах, причем начнем издалека.


  • Опубликовал: vtkud
Читайте другие статьи:
Краткие итоги-2011
06-01-2012
Краткие итоги-2011

Добавить в избранное: новый портал, посвященный проблемам творчества
19-10-2011
Добавить в

Закон об образовании
01-08-2011
Закон об образовании

Школьный эксперимент начнётся с четвероклассников
31-07-2009
Школьный

Виктор Шадрин. О душе и не только
18-10-2008
Виктор Шадрин. О

Обсудим на сайте
иконка
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
  • Календарь
  • Архив
«    Октябрь 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031 
Октябрь 2017 (31)
Сентябрь 2017 (38)
Август 2017 (49)
Июль 2017 (77)
Июнь 2017 (60)
Май 2017 (45)
У нас
  • Популярное
  • Мимо главной
Облако тегов
Наши колумнисты
Андрей Дьяченко Ольга Меркулова Илья Раскин Светлана Седун Александр Суворов
  • Реклама
  • Статистика


  • Яндекс.Метрика
Блогосфера
вверх