Периодический закон Д. И. Менделеева и распространенность элементов в природе

Д.И. был весьма разносторонним ученым. Он давно и очень сильно интересовался  вопросами сельского хозяйства. Он принимал самое близкое участие  в деятельности Вольного экономического общества в Петербурге (ВЭО), членом которого он состоял. ВЭО организовало в ряде северных губерний артельное  сыроварение. Одним из инициаторов  этого начинания был Н.В. Верещагин. В конце 1868 г., т.е. в то время как Д.И. заканчивал выпуск 2 своей книги, Верещагин обратился в ВЭО с просьбой прислать кого-нибудь из членов Общества для того, чтобы на месте обследовать работу артельных сыроварен. Согласие на такого рода поездку выразил Д.И. В декабре 1868 г. он обследовал ряд артельных сыроварен в Тверской губернии. Для завершения обследования нужна было дополнительная командировка. Как раз на 17 февраля 1869 г. и был назначен отъезд.

Д.И. сопоставлял не отдельные элементы, а группы элементов, имеющих сходные  свойства. Начал он с сопоставления  группы щелочных металлов и галоидов. Затем долго искал переход  от щелочных к щелочноземельным металлам. Он предполагал, что между ними должны находится т. наз. «переходные» металлы (Cu, Ag, Hg), а затем все же поставил щелочноземельные металлы после щелочных, минуя переходные. Далее последовали две неполные таблички элементов, составленные на одном листе бумаги, в которых Д.И. продолжал составлять из групп элементов и отдельных элементов, не вошедших в группы, варианты будущей таблицы.

Решающим шагом к открытию периодического закона стало то, что Д.И. попытался  сопоставить по величине атомных  весов группы несходных элементов. Изначально Д.И. предполагал строить свою систему на основе принципа атомности (валентности) элементов. Однако затем он перешел к принципу распределения на основе величины атомной массы элементов. Тем не менее, принцип атомности не был отброшен, он применялся вкупе с новым принципом. Так, Менделеев выстраивал свои групп на основе не только общности химических свойств элементов, но и на основе их одинаковой валентности. А при составлении будущих периодов таблицы, он отмечал закономерное изменение валентности от1 до 4 при переходе от Li к C, а затем вновь до 1 при переходе к F.

При составлении нижней неполной таблички элементов для Д.И. становилось  ясно, что решена была только первая, далеко не самая сложная задача –  размещение уже довольно изученных  элементов в центральной части  будущей таблицы. Предстояла же самая  сложная и трудная часть задачи с размещением элементов на периферии  формирующейся системы.

В результате составления набросков  двух неполных табличек элементов на отдельном листке бумаги выявилось  несовершенство метода, примененного для выработки полной таблицы  элементов, которая должна была охватить собой все элементы. При неясности  положения того или иного элемента, этот элемент приходилось бы передвигать  не один раз с места на место; тогда  табличка заполнялась бы вычеркиваниями и поправками, что не дало бы возможности  быстро ориентироваться при размещении новых элементов. Нужно было найти  какой-то более гибкий, более подвижный  способ, который позволял бы в любой  момент видеть картину распределения  элементов как бы в чистом виде, не заслоненную предшествующими  переносами, исправлениями и зачеркиваниями. Такой прием Д.И, нашел в карточках  с написанными на них элементами. Такие карточки легко можно было переставлять, имея перед глазами  всю картину распределения элементов, достигнутого в данный момент. Вместе с тем можно было в любой  момент обозревать карточки тех элементов, которые еще не попали в таблицу. Так возник прием, который А.Е. Ферсман очень удачно назвал «пасьянсом».

Все 63 карточки Д.И. разделил на четыре категории по признаку их распространенности и изученности. В 1-ю категорию  попало 14 элементов, которые распространены повсеместно и составляют главный  материал видимых тел: Al, C, Ca, Cl, Fe, H, K, Mg, N, Na, O, P, S, Si. В силу своей распространенности, эти элементы должны были входить в число хорошо исследованных. Во 2-ю категорию попали такие элементы (21), которые встречаются в свободном виде или в виде соединений, хотя и не распространены повсюду или встречаются в малых количествах: Ag, As, Au, B, Ba, Bi, Br, Co, Cr, Cu, F, Hg, I, Mn, Ni, Pb, Pt, Sb, Sn, Sr, Zn. Эти элементы также должны были входить в число хорошо изученных. В 3-ю категорию вошло 18 элементов редких, но хорошо исследованных: Be, Ce, Cd, Cs, In, Ir, Li, Mo, Os, Pd, Rb, Se, Te, Tl, Ur, Wo, Y. В 4-ю категорию вошло 10 элементов редких и мало исследованных: Di, Er, La, Nb, Rh, Ru, Ta, Th, Va, Zr. В дальнейшем Д.И. мог сделать некоторые перестановки элементов между первыми тремя категориями и последней категорией. Когда карточки всех 63 элементов были готовы, Д.И. не прибегая еще к «химическому пасьянсу», установил порядок включения в свою готовящуюся систему отдельных категорий элементов. Но так как все элементы были изображены теперь на карточках, то можно предположить, что разбивка их на различные категории выражалась в разбивке карточек на несколько кучек. Вероятно, в первую очередь в таблицу должны были войти наиболее изученные элементы, причем те, связи между которыми были бесспорно выяснены на предшествующей стадии открытия периодического закона. При определении порядка включения элементов в таблицу признак распространенности не имел существенного значения, тогда как решающее значение приобретал атомный вес. Сначала вносились в таблицу более легкие, а затем – более тяжелые элементы. Первая кучка – наиболее изученные элементы; следующие за ней две кучки – менее изученные элементы; из них вторая – «легкие», третья – «тяжелые» элементы; четвертая – слабо изученные элементы. Разбив карточки всех элементов на кучки, Д.И. определил этим общую последовательность составления таблицы элементов.

К моменту раскладывания «пасьянса» открытие периодического закона вступило в свою решающую фазу. Определяющая роль атомного веса при сопоставлении  групп несходных элементов выяснилась в полной мере. Центральная часть  будущей системы элементов сформировалась в своей основе. Осталось «только» одно: доказать всеобщий характер того принципа, который уже был доказан  в его применении к центральной  части таблицы. Но это «только» составляло главную, непреодолимую еще трудность  при создании периодической системы  элементов.

При доведении до конца построения своей таблицы элементов Д.И. продолжил  применять тот же прием сопоставления  групп несходных элементов, с  помощью которого он начал строить  эту таблицу в первых записях, сделанных на письме Ходнева, и в  обеих неполных табличках. Так, путем  преставления карточек элементов на основе имеющихся уже сведений, и был открыт периодический закон.

Когда периодический закон был  открыт, и была составлена система  элементов в первом ее варианте, оставалось оформить достигнутый результат  в виде чистой таблицы, по которой  другие ученые могли бы ознакомиться с открытием, сделанным Д.И. При переписывании таблицы набело Д.И. внес следующие изменения: элементы в ней располагались не в порядке убывания, а в порядке возрастания атомных весов, т.е. более тяжелые элементы подписывались под более легкими, а на тех местах, где были пропуски и где можно было предполагать не известные еще элементы, Д.И. поставил знак вопроса и предположительно вычислил атомные веса.

Отдав в типографию для набора рукопись «Опыта системы элементов», Д.И. не мог  уехать из Петербурга на сыроварни  до тех пор, пока не пришла корректура. Для набора требовалось время, и  это время Д.И. использовал для  того, чтобы обобщить и обработать сделанное им открытие в виде статьи, изложив в ней то, что было заключено  в «Опыте системы элементов». К  моменту написания статьи Д.И. составил уже много различных вариантов  системы элементов, основанной на их атомном весе. Свою статью он озаглавил  «Соотношение свойств с атомным  весом элементов»

В своей статье Д.И. писал: «Убедясь предыдущею таблицею в том, что атомный вес элементов может служить опорою их системы, я первоначально расположил элементы в непрерывном порядке по величине атомного веса и тотчас заметил, что существуют некоторые перерывы в ряду таким образом поставленных элементов». Анализируя это и другие высказывания Д.И., можно сделать вывод о том, что Д.И. сначала составил свой «Опыт системы элементов» (путем сопоставления групп элементов), а затем убедился, что атомный вес может являться основой системы элементов. После этого Д.И. приступил к дальнейшему исследованию открытой им закономерности, и это свое дальнейшее исследование начал с того, что расположил все элементы в непрерывный ряд по возрастанию их атомных весов. Это опровергает мнение некоторых химиков, будто сначала Д.И. составил общий ряд элементов по величине их атомного веса, и только после этого он заметил периодичность в изменении свойств; затем он разделил общий ряд на периоды и составил из этих отрезков свой «Опыт системы элементов». Все содержание статьи неоспоримо свидетельствует о том, что в этой статье Д.И. отразил, обобщил и подытожил тот путь, каким он шел в день 17 февраля 1869 г. При создании периодической системы элементов.

4. Применение Д.И. Менделеевым методов научного познания

Научное открытие такого масштаба, как открытие периодического закона, не могло бы совершиться в столь краткий  срок, если бы его автор не владел в совершенстве подлинно научным  методом познания, методом научного исследования явлений природы.

1) Метод  восхождения.

Метод восхождения  отвечает движению познания от непосредственно  данного, исходного, к раскрываемому лишь опосредованно, при помощи абстрактного мышления. Следовательно, метод восхождения в самой общей форме выражает то обстоятельство, что развитие мысли в ходе научного познания, как и всякое развитие совершается не хаотически, а в определенном направлении, строго последовательно. Сам Д.И. писал: «Познание и полное обладание предметами состоит из трех степеней: 1) наблюдение, констатирование факта, я вижу, но не знаю, как сделать, отчего и пр. Ему соответствует описание, изучение факта. 2) Соотношение факта с некоторыми другими – закон, этому соответствует измерение. 3) Теория – связь внутренняя с цельным миросозерцанием… начинается гипотезою, кончается теоретическим открытием новых явлений, выводом всего из одного положения. Этому соответствует предсказание явления в совершенной его точности, открытие новых явлений».

Таким образом, становится понятно, что, вопреки существующим в нашей литературе мнениям, Д.И. не был приверженцем только индуктивного метода. Индукцию в ее правильном понимании Д.И. не противопоставляет дедукции, а фактически рассматривает в единстве с ней.

При таком  методе познания происходит переход  от простейших «клеточек», как их назвал сам Д.И. к более общим законам. Такой «клеточкой» стало рассмотрение в 1-ой части «Основ химии» поваренной соли NaCl. Можно сказать, что, выбрав NaCl в качестве исходного вещества при изложении систематической части химии, Д.И. выбрал нечто простое, обычное, множество раз встречающееся в практике человека. Именно такой и должна быть «клеточка» науки, с которой следует начинать изложение этой науки. Дело в том, что в этом соединении уже были даны в их естественной связи (химической) представители двух наиболее характерных, причем полярно противоположных, химических элементов – Na и Cl отправляясь от соотношения обоих этих элементов, существующего в самой природе, Д.И. нашел сразу ключ к дальнейшему развитию своей творческой мысли. Именно отсюда вытекала необходимость сопоставить две группы наиболее несходных между собой элементов – галогенов и щелочных металлов.

Следует еще отметить, что на всем протяжении совершаемого открытия Д.И. строго придерживался  выработавшейся последовательности –  переходить от известного к неизвестному и от более известного к менее известному.

Всякий  закон в науке устанавливается  в итоге обобщения. Тем самым  рассмотрение метода восхождения непосредственно  приводит к рассмотрению другого, связанного с ним метода, который можно  назвать методом обобщения.

2) Метод  обобщения. Переход от особенного  ко всеобщему.

Путь  познания любого закона природы исторически, вполне закономерно проходит отдельные  ступени. В общем случае таких  ступеней можно выделить три:

а) Исходным является собирание или накопление отдельных, единичных фактов, относящихся  к изучаемому кругу явлений. Регистрируя  каждый такой отдельный факт, мы высказываем полученный нами результат  в форме единичности.

б) По мере накопления отдельных фактов во избежание  того, чтобы не образовался неразличимый хаос данных, мы группируем или классифицируем собранный материал. Мы соединяем  все сходное в одну особую группу, отличая ее от столь же особых категорий  или групп. Соответственно этому  мы выражаем достигнутый теперь результат  в форме особенности.

в) Разбивка известных фактов на разобщенные  между собой особые группы по признаку их особых свойств и на основе учета  сходства, противопоставленного различию, лежит в основе искусственных  или формальных классификаций. Естественная же классификация предполагает прежде всего нахождение общего признака или общей основы, лежащей в фундаменте всего данного круга явлений, и объединяющей собой все разобщенные группы. В соответствии с этим за ступенью особенности всегда следует та высшая ступень познания, на которой открывается закон природы. Открывая закон природы, мы выражаем достигнутый результат в форме всеобщности.

Таким образом, путь познания закона – это путь движения научной мысли от единичности (свойства отдельных элементов) к  особенности (группы сходных по свойствам  элементов) и от особенности к  всеобщности (периодический закон).

Развитие  научного познания, идущего от единичного через особенное ко всеобщему, может быть охарактеризовано в соответствии с тем, как логически соотносятся между собой различные звенья в общей цепи поступательного движения научной мысли. Если совокупность всех взаимосвязанных элементов принять за целое, то разбивку элементов на различные обособленные между собой группы мы можем рассматривать как деление целого на части. В таком случае переход от отдельных, обособленных групп к общей системе выступит как переход от анализа к синтезу. Напротив, вычленение или выделение из общей системы отдельных групп элементов будет означать обратное движение от синтетического подхода к аналитическому. По сути дела вся стадия разбивки элементов на их естественные группы представляет собой стадию анализа, если ее рассматривать по отношению ко всей совокупности химических элементов. Но вместе с тем, если ее брать по отношению к отдельным элементам, она выступает уже как подготовка перехода к синтезу через объединение элементов в некоторые новые единицы – группы, из которых, как из строительных кирпичиков можно будет построить здание целостной, охватывающей все элементы системы, т.е. осуществить теоретический синтез. В ходе открытия периодического закона и создания системы элементов выпукло проявилась взаимосвязь между синтезом и анализом в познавательном процессе – подготовительная функция анализа и заключительная синтеза.