СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Классификация металлов представляет собой довольно сложную проблему. И тому есть несколько причин. Основная из них состоит в отсутствии единого и четкого понимания сути и механизмов процедуры классифицирования, а также назначения и форм представления ее результатов. Зачастую их смешивают, определяя одним понятием, не акцентируя внимания на их сути. Нормы нашего языка рекомендуют действие и его результат обозначать различными терминами, и нам представляется справедливым обозначить процедуру термином «классифицирование», а ее результат - «классификация» или «система классификации». Последний термин более соответствует действительности, поскольку основная цель процедуры состоит в разбиении исследуемого множества объектов на подмножества, которые и составят систему. Можно предложить и более точную (но, к сожалению, более громоздкую) формулу - «система классификационных группировок». В конечном счете, сама формула не меняет сути результата процедуры классифицирования. Известно, что классифицирование преследует две цели - гносеологическую и потребительскую. Гносеологическую (познавательную) цель можно определить как стремление сформировать наиболее полную и многоплановую модель изучаемого множества объектов, а также, по возможности, его структуру и внутренние связи. Потребительская цель состоит, как правило, в использовании полученной модели или отдельных ее компонентов в реальных технологических процессах, например в обучении, исследовании группы объектов, анализе полученной информации и т.д., вплоть до тривиальных процедур механической сортировки. Формируемая модель классифицируемого множества представляет собой информационный комплекс, построенный с учетом признаков всех объектов множества, а механизм классифицирования представляет собой генерирование или сбор и оценку информации о каждом признаке каждого элемента этого множества. Начальный этап классифицирования состоит в формировании перечня признаков классифицируемых объектов, которые могли бы стать идентификаторами классификационных группировок. При этом может быть обнаружено, что определенную группу объектов или даже отдельные объекты характеризуют признаки, не присущие другим группам или объектам. Оценивая признаки по принадлежности, в рамках формируемого перечня их можно разделить на две категории – всеобщие и локальные (групповые). Локальный признак, в отличие от всеобщего, для определенной группы объектов принимает «нулевое» значение в то время, как для остальных объектов – «ненулевое». Это обстоятельство позволяет локальному признаку присвоить директивный статус, поскольку он априори определяет две группировки объектов с однозначно обозначенными значениями параметра – «да» и «нет», «присутствует» и «отсутствует». К категории директивных можно отнести также всеобщие признаки, значение которых выражено постоянной (или условно по-стоянной) величиной по общепринятой шкале оценок, например цвет – красный, зеленый и т.д. Всеобщие признаки, показатели которых изменяются в широком диапазоне значений и могут приобретать закономерную либо случайную величину, имеют статус дескриптивного. Использовать их в качестве идентификатора классификационных группировок можно лишь в том случае, когда они имеют строго фиксиро-ванную величину (например, номинальная стоимость банкноты, национальная принадлежность валюты и т.п.). Это условие можно считать естественным, но не исключительным. Любой дескриптивный признак может быть переведен в директивный искусственно. Для этого достаточно определить и идентифицировать диапазон значений, в котором может находиться величина данного признака. Тогда процедура классифици-рования будет состоять в составлении полного перечня объектов, об-ладающих признаком, обозначающим классификационную группировку, и имеющих установленную идентификатором группировки величину признака. Единственным признаком качества процедуры является полное отсутствие объектов, претендующих на размещение одновременно в различных классификационных группировках. Завершающая стадия классифицирования состоит в определении окончательной номенклатуры классификаци¬онных группировок (их количества и наименования), их места в общей системе группировок (наличие и характер связей между ними), а также принятии решения о продолжении или завершении процедуры. На практике нашли применение три вида классифицирования - ранжиро¬вание, простое (многоуровневое) и полное классифицирование. Ранжирование (прямое или обратное) представляет собой примитивное распределение объектов по значению единственного параметра. Место элемента в ранжированном множестве (ряду) определено принципом ранжирования – по нарастанию или убыванию значения параметра. Эту про¬цедуру применяют для моделирования множеств с фиксированным количеством объектов. В аспекте настоящей работы примером может служить множество химических элементов, ранжированных по величине атомной массы. Простое (многоуровневое) классифицирование представляет собой закономерную последовательность законченных процедур, в результате которых сформирована сложная система взаимосвязанных классификационных группи¬ровок, состоящая из ряда комплексов (по количеству выполненных процедур). Эти комплексы могут быть открытыми или закрытыми, в зависимости от того, возможно ли появление новых группировок при расширении исходного множества. На каждом новом уровне классифицированию подвергают все или отдельные ранее сформированные группировки. Количество группировок, объекты ко¬торых подвергают последующему классифицированию, и классификационные признаки, так же как и количество уровней классифицирования определяют индивидуально исходя из мотивов, назначения модели множества, номенклатуры объектов и рабочего перечня их признаков. Поэтому окончательная модель объекта классифицирования – система классификации, может принимать самые причудливые очертания. Полное классифицирование выполняют с соблюдением следующих правил: • Признаки, включенные в перечень, должны быть ранжированы по приоритету; • На каждом последующем уровне классифицируют все без исключения группировки по признаку из нормированного перечня, обладающему очередным приоритетом. • Классифицирование продолжают до полного исчерпания списка классификационных признаков. Модель множества, подвергнутого полному классифицированию, пред-ставляет собой идеальную систему ранжированных по приоритету классификационных признаков группировок, в пределах которой можно не только переназначать приоритеты признаков, но и подвергать каждую из группировок любому виду независимого классифицирования с использованием оригинальных наборов классификационных признаков. Приступая к классифицированию металлов необходимо иметь в виду, что металлы представляют только часть множества хими¬ческих элементов. Это озна¬чает, что вначале следует однозначно вычленить металлы из числа химических элементов. А это уже само по себе - сложная проблема. Даже среди химиков нет единого мнения относительно всеобщего признака, абсолютно точно разделяю¬щего металлы и неметаллы. Следовательно, обе классификационные группиров¬ки оказываются «размытыми». И даже если между ними разместить группировку с названием «переходные элементы» (термины «полуметаллы» и «металлоиды» уже не в чести), размытыми окажутся все три. Поскольку из двух зол принято выбирать меньшее, мировому сообществу, скорее всего, придется принимать решение о судьбе переходных элементов - кремния, германия, сурьмы и теллура. Такое соглашение поможет в решении остальных проблем. Более серьезную проблему представляет вопрос о сути объектов классифицирования. Иными словами - а что же мы классифицируем? Во-прос далеко не праздный, ибо от его решения зависит номенклатура признаков, которые можно или следует принять во внимание при составлении идентификаторов классификационных группировок, а также значения или диапазоны значе¬ний этих признаков. Объектную базу могут составить металлы как в атомарном, так и в конденсированном состоянии. И те, и другие имеют полное право быть классифицированными, однако классификационные группировки в каждом из этих случаев будут уникальными. В части классификации системы химических элементов в атомарном состоянии физики уже расставили все ак¬центы и точки над «i». Их рекомендации весьма полно и наглядно демонстрирует известная таблица химических эле¬ментов в ее «длинном» варианте. Ее вид физики-атомщики обосновали тем, что механизм формирования электронной составляющей конструкции атома претерпевает спонтанные изменения в результате накопления критического ко¬личества электронов на наружных уровнях. В итоге - четыре классификацион¬ные группировки, обозначенные индексами s- и р-подуровней наружной оболочки, d-подуровня предпоследней оболочки и f-подуровня пред-предпоследней оболочки. Изображают итоговую систему классификационных группировок в виде таблицы, «привязанной» к ранжированным по группам и порядковому номеру хи-мическим элементам Столкнувшись с конденсированной фазой химического элемента, человек обнаруживает у него совершенно иной комплекс признаков и характеристик, а информация о конструкции атома, об активном электронном уровне в подавляющем большинстве случаев отходит далеко на задний план. Для человека химический элемент превратился в вещество. Приоритетными становятся признаки прикладного характера, определяющие технологические и служебные возможности вещества, которое в данной ситуации приобретает статус материала. С позиций гносеологии приоритетными должны стать признаки, определяющие условия, механизмы и результаты перехода вещества из атомарного состояния в конденсированное. В перечень таких признаков входят температуры возгонки, кипения, плавления, сублимации; все теплофизи-ческие характеристики конденсированных фаз и фазовых переходов; типы и параметры кристаллических систем твердой фазы. Многие из этих признаков не утрачивают своих приоритетов и при потребительском подходе к классифицированию веществ. В этом случае к их числу следует добавить полный перечень физических, химических, технологических и эксплуатационных характеристик. В сложившихся к настоящему времени системах классификации металлов прослеживаются две группы признаков – технологические и геохимические. Первые включают такие всеобщие характеристики как плотность, температуру плавления. Значительно реже используют электрическую проводимость, теплопроводность, температуру перехода в свехпроводящее состояние и пр. Значения этих признаков определены с достаточной точностью и могут быть использованы при составлении идентификаторов классификационных группировок. В группу геохимических характеристик входят такие показатели, как распространенность в природе (кларк), способность образовать собст-венный минерал, возможность противостоять геохимическим агентам и пр. Значения отмеченных геохимических признаков отличаются завидной динамичностью, поскольку ни состав земной коры, ни закономерности и механизмы ее формирования полностью не изучены. Поэтому формировать идентификаторы на базе таких признаков для получения полной и стабильной модели нерационально. К сожалению, ни одна из современных систем классификации металлов не фиксирует значение классификационного признака, который однозначно определит принадлеж-ность конкретного металла к той или иной группе. Более того, поскольку признаки, выделяющие металлы из множества химических элементов, отсутствуют, классифицированию следует подвергнуть все множество химических элементов, а вопрос идентификации металлов можно будет решить в будущем. Такую возможность нам предоставляет принцип полного классифицирования, поскольку вероятность появления металлов в возможных классификационных группировках превышает 80%.

С учетом отмеченных обстоятельств, наше внимание было сконцентрировано на использовании в качестве базовых классификационных признаков привычных, общепринятых технологических характеристик. Наличие фактических данных о значениях этих признаков делает задачу вполне выполнимой. Настоящая работа является естественным продолжением исследований, начатых кафедрой «Цветная металлургия и конструкционные материалы» Донецкого национального технического университета (ДонНТУ) в 2007 году и связанных с попыткой уменьшить, а по возможности и устранить условности и произвол в системе классификации цветных металлов. Начальный этап этой работы [1] предполагал попытку использовать объективные признаки, основанные на современных представлениях о структуре атомного ядра: • величина заряда ядра атома; • количество уровней в электронной структуре; • схема (очередность) заполнения орбиталей; Модель системы элементов (таблица элементов), построенная с учетом принятых классификационных признаков , в первом при-ближении, совпадает с известной «длинной» таблицей [2] и подтверждает тезис о периодичности в семействе химических элементов, которая была заявлена Д.И.Менделеевым и подтверждена не только химиками, но и физиками. Видна явная периодичность в заполнении электронных орбиталей – в построении электронной компоненты конструкции атома. Здесь четко обозначились четыре группы элементов, различающиеся схемой формирования электронных систем. Вместе с тем, обозначились и «возмутители» закона периодичности. С одной стороны это – водород с гелием, место которых в системе элементов до сих пор не определено однозначно, а с другой – элементы, у которых электронные формулы построены с нарушением общего принципа. Их размещение в группах f и d никак нельзя назвать закономерным. На следующем этапе были предприняты попытки положить в основу классифицирования химических элементов наиболее известные признаки конденсированной фазы (твердой или жидкой) с целью ориентировать систему классификации на отраслевое применение. Анализ данных о температурах плавления и кипения элементов и полученные результаты позволили разработать принцип формирования и идентифицирования классификационных группировок на базе ранжированного ряда объектов (в данном случае – химических элементов). В общих чертах, он включает следующие требования: • количество диапазонов должно быть удобным для формирования благозвучного и приемлемого наименования классификационных группировок; • границы диапазонов должны быть выражены целым числом; • диапазоны должны иметь примерно равную протяженность; • классификационные группировки должны содержать примерно равное количество элементов.

 СБОР, ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ МАТЕРИАЛА

В качестве источника информации о значении показателя твердости химических элементов использовали широко известные справочники [3…5]. Представленные в этих источниках данные использовать в исходном виде не представляется возможным по следующим причинам: • методы определения величины твердости варьируются (Бринелль, Роквелл, Виккерс…); • величины твердости приведены в виде диапазонов значений; • по ряду химических элементов величины твердости не определены. Поэтому были реализованы следующие шаги: • при наличии соответствующих пересчетных таблиц данные о ве-личине твердости были переведены в систему Бринелля (МПа); • диапазоны значений заменены средними значениями; • отсутствие данных проигнорировано, поскольку этот факт не имеет существенного значения при ранжировании данных. При формировании идентификаторов классификационных группировок были использованы справочные данные о значениях базовых характеристик. Задача была решена в два этапа: 1. определение возможности расчленения всего ряда значений параметра на независимые диапазоны. 2. оптимизация границ диапазонов. На первом этапе все принятые во внимание химические элементы были ранжированы по величине твердости с последующим графическим моделированием характера изменения величины признака в ранжированном ряду. Полученная модель представлена на рис. 3. Для обнаружения потенциальных границ диапазонов значений оценили характер изменения градиентов признака в ранжированном ряду. С целью оптимизации использовали значения относительных градиентов. Данные, приведенные на рис. 4, отмечают наличие всплесков градиентов, отвечающих существенным «скачкам» значений параметров.

Размещение сформированных таким образом классификационных группировок на платформе «длинной» таблицы химических элементов показано на рис.1. Эти данные могут быть использованы при необходимости корректирования границ классификационных группировок.

Рис. 1. Распределение классификационных группировок по твердости

             на платформе таблицы химических элементов.

ВЫВОДЫ

1. Предложена система классификационных группировок металлов по твердости. 2. Предложены идентификаторы классификационных группировок металлов по твердости – их наименования и диапазоны значений соответствующего параметра. 3. Отмечено отсутствие корреляции между величиной твердости и атом-ным номером химического элемента.

ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ:

 1.    Г.Корицкий, Н.Маняк, Ю.Реков. И.Червоный  К вопросу о классификации металлов. Вісті академії інженерних наук України, №2 (39), 2009, ст. 28…33.

2.    А. В. Мануйлов, В. И. Родионов  Основы химии. Электронный учебник. http://www.hemi.nsu.ru/  (Новосибирский Государственный университет)

3.    Химическая энциклопедия  в 5-ти томах. Под ред. И.Л.Кнунянца т1…5, –М. : «Советская энциклопедия», 1988

4.    Свойства элементов. В двух частях. Ч.1 Физические свойства. Справочник. 2-е изд. Под ред. Г.В.Самсонова. –М., :Металлургия. 1976, 600с.

5.    Свойства элементов. Справочник. Под общ. ред. М.Е.Дрица –М., :Металлургия. 1985, 672с.