由元素周期性的发展史感悟化学哲学

1  1个哲学基本问题

我们知道，世界是由物质构成的，化学是研究物质从元素向生命进化过程中的各个物质层次的组成、结构和变化的学科。但构成世界上纷繁复杂的事物的基本要素是什么?从远古时代起，人们就开始不懈地寻找这个哲学基本 问题的答案。迄今为止 ，有 2大理论体系对人们的影响最为深刻。

2  2大理论体 系

2．1 纯思辨哲学下的四原质和四原性说
在公元前4世纪，四原质说为亚里士多德所发展，他在四原质的基础上提出了四原性：冷、热、干、湿。公元前5世纪，安培多克勒提出四原质说，认为世界皆由水、火、气、土4种原质构成的。冷与干则是土，冷与湿则是水，热与干则是火，热与湿则是气。尽管现在看来，亚里士多德的四元论通讯联系人，是错误的，然而矛盾是事物发展的动力 ，错误 的理论若要发展，首先要能发现与原理论不相容的现象。亚里士多德的四元论能为人们广泛接受，并统治了人们长达2000多年，究其原因，主要是：
(1)亚里士多德的四元论具有感官表象的一致性。任何理论体系，若要为人们所接受，首先要符合感官与表象相容。亚里士多德的四元论——哲学理论体系能够解释当时认知水平下的很多现象，因此人们接受了四原质和四原性说。然而，感官往往具有欺骗性，看起来正确的理论未必经得起实验的检验。
(2)有利于检验理论正误的实验哲学尚未兴起。自然界所引起的变化是偶然的，而变化本身又是错综复杂的，纯思辨哲学不利于检验理论和推论的正误，而有利于检验理论正误的实验哲学尚未兴起 。
(3)宗教的盛行，质疑的习惯受到束缚。当时人们都倾向对未知的事物心怀恐惧，对一些无法解释的现象 ，习惯把它归因为超自然的力量，这样，心中的很多疑问仿佛就有了答案，未知的不安才得以消除。久而久之，人对超自然的主宰产生了畏惧，宗教一度盛行。后来，人们将教条信奉为真理，不容任何与宗教相违背的理论和质疑，因此科学发展的步伐变得缓慢。
(4)迟迟没有一套适合用于计算 的数字体系。1202年，意大利数学家利昂纳多·斐波纳契撰著了《计算手册》一书，阿拉伯十进位数学系统才得以在欧洲普及。化学的发展与天文学、物理学、数学有着必然的联系，没有一个适合用于计算的数字系统，数学的发展受到制约，从而使化学的发展也受到制约。

2．2 实验哲学下门捷列夫的元素周期表
化学史上，共有 5个事件为元素周期表的发现奠定了物质基础:
(1）实验哲学的兴起给人们提供了正确的、行之有效的认识化学的方法。弗兰西斯·培根被马克思称为“英国唯物主义和整个近代实验科学的真正始祖”，他在《新工具》中阐述了感官的局限，指出“任何科学都是实验的科学，因为自然奥秘在实验过程中比在其自然活动时更加容易表露出来”1680年，荷兰的工匠制造出了第一批望远镜和光学显微镜，不仅促进了天文学、物理学和生物学的发展，更重要的是将皇家协会掀起的实验哲学推向高潮。在这种实验哲学的思潮下，化学得到了迅速的发展。人们开始用实验研究空气、水等的组成，并取得了突破性的进展:1784年左右，卡文迪许研究了空气的组成，发现空气中的氮气的体积占4/5，氧气占1/5。此外，他还确定了水的成分，从而肯定了空气是混合物而不是元素，水是化合物而不是元素，因为它们均不满足元素的重要特征:不可分性。至此，四原质说的权威受到了巨大的挑战，人们开始思考重新定义元素。
(2)元素“操作定义”的提出让人们认识到化学分析手段是限制认识和发现元素的最大障碍。受狄德罗的经验论哲学元素观的影响，拉瓦锡在《化学概论》(1789)中明确提出了元素的操作定义:用现有的化学分析手段都无法分解的物质，可姑且称为“元素”。按照这样的定义，化学家们渐渐意识到早在人们仅学会利用火进行化学分析的时候，就已经能分解出11种单质:铜、铁、金、锡、银、碳、硫、汞、铅、锌、秘。紧接着，化学家们陆续从矿物中发现了钻、镍、锰、钡、钥、钨等金属元素。
(3)电和光谱的突破为化学提供了新的化学分析手段，使分解活泼的碱土金属和发现天然资源高度分散的金属成为可能。1800年，戴维对伏打电堆做了改进，发现很多在火的作用下不分解的物质却经不起电的作用。1807-1808年，戴维用电化学方法分解出钠、钾、钡、钙、镁、惚 6种活泼金属，使分解某些活泼的金属化合物得以实现。对于那些天然资源高度分散的金属来说，它们的发现则有待于一种更为准确的分析工具的出现，而这种分析工具的出现要归功于约瑟夫·冯·夫琅禾费。在1814-1817年之间，巴伐利亚的一位技艺精湛的玻璃工匠约瑟夫·冯·夫琅禾费按照沃拉斯顿的方法，用他自己改进的透镜，制造了一个棱镜光谱仪。这台光学仪器的精密度空前得高，可以观察到60。多条暗线。紧接着，本生灯的发明、基尔霍夫和本生的偶遇使得夫琅禾费的光谱得到了很好的解释。本生和基尔霍夫证明，根据两谱线在光谱中的位置可以得知某种特定金属的存在，利用这种方法，极少量的金属都可以检测到。1860年，基尔霍夫出版了《以光谱观察法进行化学分析》，化学的发展又进人了一个崭新的时期。
（4)化学符号和命名的统一使得化学元素和化合物的命名既易记忆，又易理解和交流。1750年时化学词汇因各地的语言而异，在不同的国家各不相同，但没有哪一种是通用的;1850年开始采用一种世界公认的抽象符号。m[4[直到贝采里乌斯为便于书写和表示出物质化学成分的比值而采用字母符号，化学才有了一套科学的、便于书写和记忆的化学符号系统。
(5)原子论的提出和原子量测定的积累让人们得以从原子量和元素性质间找到关联。"1803年英国化学家道尔顿提出原子论后，受到科学界的普遍重视，原子论的核心是:每种元素以其原子的质量为其最基本的特征。”Cs7因此，测定原子量的工作成了当时化学的重点任务。由于氢气最轻，于是道尔顿选择了氢作为原子量的基准，确定氢的原子量为1。但是道尔顿无法找到确定化合物的组成依据，从而导致了测定工作的一系列错误。贝采里乌斯认为氢与许多元素无法直接化合，而氧却能与绝大多数元素直接化合，所以，他采用氧的原子量等于100作为原子量的基准，先后发表了包含41种、45种、50种元素的元素周期表。最后一张表实际上同现在的数值一样(除了碱金属和银的数值是现代数值的2倍)。1819年，杜隆、普蒂对贝采里乌斯测定的原子量进行了核实和修正。同年，贝采里乌斯的学生米希尔希里发现了同晶定律并据此确定了原来确定的Cr03和Fe03有误，应为Crz 03 .Fee 03，修正了铬、铁的原子量。1827年杜马根据阿伏加德罗定律测出一些气体的原子量，但由于认为所有单质蒸气都是双原子分子，他测出的砷、汞、磷、硫的原子量都是错误的。1860年，康尼查罗在蒸气密度法测定分子量的基础上，提出一个合理的测定原子量的方案。但当时的原子量的基准比较混乱，并且测定结果不十分准确，在当时测定的元素原子量中，被、钙、金、铂、饿、铱、忆、锢和饵9种元素的原子量数值是错误的，给后来元素周期律的发现制造了很大的困难。
“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到某种规律”。1829年，德贝莱纳对元素的原子量和化学性质之间的关系进行研究，发表了《三元素组》的学说;1862年，尚古多提出了元素的性质就是原子量的变化论点，创造了一个元素螺旋图，初步提出了元素的周期性;1864年，迈尔提出了六元素表，为元素周期表提供了雏形;1865年，纽兰兹将元素按原子量次序排列发现了八音律;1869年，人们已经发现了63种元素，门捷列夫按原子量的大小和元素的化学性质之间的关系列成一张表，这便是他的第一张元素周期表。门捷列夫的假说跟以往的假说相比具有明显的优势:一是对当时测得不准确的9种元素的原子量做了必要的修正;二是根据原子量的增长是有规律的这一科学假设，给周期表预留了6个空档，其中3个空档分别是类硼(抗)、类铝(稼)、类硅(锗);三是从当时的原子量测定数据来看，蹄比碘重，钻比镍重，门捷列夫根据这2对元素的性质，将它们的位置做了必要的调整。
门捷列夫所作出的科学假说的预见被证实，是元素周期律转化为理论的重要依据。当门捷列夫所预言的类硼(镜)、类铝(稼)、类硅(锗)得到证实，元素周期表才从科学假说转化为科学理论，散发出它特有的魅力。随着光谱分析和放射性研究的进展，化学完成了真正地将元素系统化、完善化、有序化的任务。

3 3次演进

到了20世纪，人们认识到世界上的事物均由元素周期表上的100多种化学元素组成。至此，在回答“构成世界上纷繁复杂的万事万物的基本要素是什么”这个哲学基本问题过程中，完成了从错误到正确的第一次演进。
在回答了“是什么”后，紧接着要回答的就是“为什么”的问题:元素的性质为什么会周期性递变?根据构建在量子力学基础上的现代原子结构理论，这一问题已经得到很好的解释，这就完成了从“是什么”到“为什么”的第二次演进。
第三次演进就是阐述“怎么样”的问题:电子与原子核之间是如何作用形成不同的元素?原子与原子之间又是如何作用形成不同的物质?尽管价键理论、分子轨道理论、金属能带理论在近几年已经得到了较好的发展，但是，人们仍需更深人地研究才能更好地回答这一问题。

4  4次突破

化学学科的发展，有赖于实验哲学的兴起和其他学科特别是物理学科的发展，也有赖于化学分析手段和认知的发展。化学分析手段和认知的突破，常常能促使化学发展进人崭新的阶段。火、电、光谱运用于化学分析和量子化学的突破为化学的发展树立了4个里程碑。

5  5点启示

纵观元素周期表形成的始末，可以得到以下5点启示:
(1)从亚里士多德的四原质说到门捷列夫的元素周期表可以看到理论体系发展的一般过程:为了解释人们所观测的现象，找到纷繁复杂的表面背后的有序统一和内在规律，人们试图将科学发现纳人一个理论体系，这一理论体系与现有的认知水平是否一致决定着它能否被人们接受。随着认识手段和方法的提高，人们的认识不断深人，进而发现一些用原有理论无法解释的现象，为了调和这一矛盾，则必须改进这一理论体系或提出一个新的理论体系。可见，真理具有绝对性和相对性，矛盾是真理发展的内在动力，真理发展的过程是否定之否定。
(2)人们对真理的内在特征、发展动力和发展过程的理解程度，决定着人们发现矛盾时的态度和化学史观。未能认识到真理具有相对性的人，错把真理奉为永恒不变，当矛盾出现的时候，要么会怀疑自己的发现出错，要么将自己的发现牵强附会于旧的理论体系当中，从而错失发展理论体系的机会。未能认识到真理的绝对性的人，当矛盾出现的时候，往往会对原有理论体系产生怀疑，从而提出比原有理论更完善的理论，对原有理论的提出者和信奉者予以全盘否定和嘲讽的态度，完全忘了原有理论在当时的历史条件和认识水平上也是正确的，现有理论随着科学的进步和认知的深人也有可能被证明有误。可见，真理具有时代性，我们不能用后天之明去片面批判前人走过的弯路。养成唯物的历史的化学史观是每一位化学学习者和研究者的任务。
(3)从元素周期律的发现始末，可以归纳出科学的化学理论发展必须经历5个阶段:量的积累阶段、假说阶段、验证阶段、完善阶段、解释阶段。
(4)沿着元素周期表发现这条主线，可以看到化学学科是在围绕“是什么、为什么、怎么样”这3个问题完善和发展起来的。把握这点，可以更好地将各种化学学科分支研究的内容进行关联和整合。化学学科的分支在不同的方向予以侧重:研究元素周期律和元素化学性质的是无机化学，研究C和H, O, S等元素的化合物的性质和结构的是有机化学，研究各种分析手段的是分析化学，解释元素周期律和研究原子间的内在结构的则是结构化学，研究化学反应的动力学和热力学问题的则是物理化学。
(5)核电荷数量的变化引起元素质的变化，100多种元素，通过原子间的不同结合，形成了千千万万种物质。物质间的内在关联和有机统一的组合，又构成了纷繁复杂的生物体和非生物体。即基于一定基本元素的、内在的、关联的、依法的、多维的有机组合构成了多样的物质体系。把握“元素是基础，多维的关联组合是关键”这一原则，就可以掌握构建其他系统的方法、认识其他系统的视角和创造新物质的方法。