Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не


Скачать 400.37 Kb.
НазваниеПериодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не
страница1/4
Дата публикации11.03.2013
Размер400.37 Kb.
ТипЗакон
userdocs.ru > История > Закон
  1   2   3   4
Лекция 2

Периодический закон и

периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке – и не только в непосредственной научной деятельности, но и в истории любой отрасли науки, в теории и логике познания, в психологии научного творчества, в области организации научного творчества и научной работы. Ведь вся наука складывается из практически бесконечного ряда больших и малых научных открытий, каждое из которых является результатом длинной цепи предшествовавших ему открытий различного масштаба и в свою очередь становятся исходным пунктом для последующего ряда новых открытий, вытекающих из него и представляющих его дальнейшее углубление и развитие.

По мере развития самой науки чрезвычайно усложняется и весь процесс совершения научного открытия. Соответственно усложняются пути и способы констатации того, действительно ли совершено новое открытие; действительно ли экспериментально обнаруженный факт или появление новой идеи можно и нужно считать новым открытием, а не частным, отдельным наблюдением, которое составляет лишь одну из основ будущего открытия.

В далеком прошлом такие вопросы или не возникали вовсе, или уж если возникали, то решались сравнительно легко и просто. Сама наука развивалась тогда иначе, чем в наше время. Её поступательное движение как бы состояло из отдельных ясно выраженных импульсов.

В истории каждого научного открытия различают два этапа: 1-этап – появление смутных предчувствий и установление частных закономерностей и 2-этап – сам факт открытия и его признание.

«Наука есть достояние общее,– писал Менделеев,– а потому справедливость требует не тому отдать наибольшую научную славу, кто первый высказал известную истину, а тому, кто умел убедить в ней других, показал её достоверность и сделал её применимую в науке. Научные открытия редко делаются сразу, обыкновенно первые провозвестники не успевают убедить в истине найденного, время вызывает действительного творца, обладающего всеми средствами для проведения истины во всеобщее сознание; однако не должно забывать, что он может являться благодаря труду многих и накопившейся сумме данных».

К середине XIX в. было открыто уже более 60 элементов, у большинства которых были изучены физические и химические свойства. Таким образом, был накоплен большой фактический материал, что привело к необходимости его систематизации. Первыми попытками систематизации элементов следует, по-видимому, считать установление их общих групповых свойств. Так, наиболее резко выраженный основной характер был обнаружен у соединений элементов, названных щелочными металлами, а способность к проявлению кислотных свойств – у соединений галогенов. Кроме того, для многих элементов были получены количественные характеристики, определяющие их свойства.

Мы рассмотрим три наиболее значительные работы, авторы которых оспаривали приоритет открытия периодического закона Д. И. Менделеева. Француз Александр де Шанкуртуа в 1862 г. впервые расположил элементы в порядке возрастания атомных весов и разместил их по спирали вокруг цилиндра. Каждый виток спирали содержал по 16 элементов; сходные элементы, как правило, попадали в вертикальные столбцы, хотя имели место значительные расхождения. Хотя работа А. де Шанкуртуа осталась незамеченной, выдвинутая им теория расположения элементов в порядке возрастания атомных весов оказалась плодотворной.

Двумя годами позже английский химик Джон Ньюлендс , руководствуясь этой идеей, разместил элементы в виде таблицы и заметил, что свойства элементов периодически повторяются через каждые семь номеров. Например, хлор похож по свойствам на фтор, калий – на натрий, селен – на серу и т. д. Данную закономерность Д. Ньюлендс назвал «законом октав», фактически предвосхитив понятие периода. К сожалению, Д. Ньюлендс настаивал на том, что длина периода (равная семи) является неизменной, поэтому его таблица содержит, наряду с правильными последовательностями, множество случайных пар (кобальт – хлор, железо – сера, и даже углерод – ртуть).

Немецкий учёный Лотар Мейер в 1870 г. построил график зависимости атомного объёма элемента от их атомного веса и обнаружил отчётливую периодическую зависимость, причем длина периода, вопреки закону октав, была переменной величиной.

Во всех этих работах много общего. А. де Шанкуртуа, Д. Ньюлендс и Л. Мейер открыли проявления периодичности изменения свойств элементов в зависимости от их атомного веса. Однако они не смогли создать единую периодическую систему всех элементов, поскольку в открытых ими закономерностях многие элементы не находили своего места. Никаких серьезных выводов из своих наблюдений этим учёным также сделать не удалось, хотя они чувствовали, что многочисленные соотношения между весами элементов являются проявлениями какого-то общего закона.

Между тем ни одна из попыток классифицировать химические элементы не выявила основной закономерности в их взаимном расположении и, следовательно, не могла привести к созданию системы, охватывающей все химические элементы и отражающие природу их сродства и различия. Этот общий закон был открыт великим русским химиком Д. И. Менделеевым. Решающую роль для выявления периодичности сыграл первый Международный химический конгресс (1860 г.), после которого стало ясно, что основной характеристикой химического элемента является его атомный вес.

При переходе от лития (Li) к фтору (F) происходит закономерное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических. Переход фтора (F) к следующему по значению атомного веса элементу натрию (Na) сопровождается скачкообразным изменением свойств и валентности: причем натрий во многом повторяет свойства лития, будучи типичным одновалентным металлом, хотя и более активным. Следующий за натрием магний (Mg) во многом сходен с бериллием (Be). Алюминий (Al) следующий за магнием, напоминает бор (B). Похожи, друг на друга кремний (Si) и углерод (C), фосфор (Р) и азот (N), сера (S) и кислород (О), хлор (Cl) и фтор (F).

При переходе к следующему за хлором в последовательности увеличения атомного веса элементу калию (К) опять происходит скачок в изменении валентности и химических свойств. Калий, подобно литию и натрию, открывает ряд элементов (третий по счёту), представители которого показывают глубокую аналогию с элементами первых двух рядов.

Итак, в естественном ряду элементов в порядке возрастания атомного веса химические свойства изменяются не монотонно, а периодически. Закономерное изменение свойств элементов в пределах одного отрезка естественного ряда (Li-F) повторяется и у других отрезков (Na-Cl, K-Br). Иначе говоря, сходные в химическом отношении элементы встречаются в естественном ряду через правильные интервалы, то есть повторяются периодически. Эта замечательная закономерность, обнаруженная Д. И, Менделеевым и названная им законом периодичности, была сформулирована следующим образом: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Периодичность (в переводе с греческого «периодический» – «появляющийся через определённый интервал»).

Открытый закон периодичности Д. И. Менделеев использовал для создания периодической системы элементов. 18 марта 1869 г. был составлен первый вариант таблицы. В ней 63 известных Д. И. Менделееву элемента были расположены в порядке возрастания атомных весов, и отражалась периодичность изменения свойств элементов. В таблице были оставлены пустые места для еще не открытых элементов, в том числе для элементов с атомными весами 45, 68 и 70 а.е.м. Д. И. Менделеев не только предсказал их существование, назвав экабором, экаалюминием и экасилицием, но и описал физические и химические свойства этих элементов, основываясь на их положении в периодической системе. В течение следующих 15 лет все три элемента были открыты. В 1875 г. был открыт галлий (экаалюминий), в 1879 г. – скандий (экабор) и в 1886 г. – германий (экасилиций). После этого периодический закон получил всемирное признание, а периодическая система стала неотъемлемой частью любого учебника по химии.

В самой первой таблице Д. И. Менделеева все элементы до кальция включительно – такие же, как в современных таблицах (за исключением благородных газов). Если далее исходить только из принципа увеличения атомных весов, то следующими элементами после кальция должны были быть ванадий (А = 51), хром (А = 52) и титан (А = 52).

Д. И. Менделеев, однако, поставил после кальция знак вопроса, а следом поставил титан, изменив его атомный вес с 52 до 50. Неизвестному элементу, обозначенному знаком вопроса, был приписан атомный вес А = 45, являющийся средним арифметическим между атомными весами кальция и титана. Далее, между цинком и мышьяком Д.И. Менделеев оставил место сразу для двух ещё не открытых элементов. Кроме того, он поместил теллур перед йодом, хотя последний имеет меньший атомный вес. При таком расположении элементов все горизонтальные ряды в таблице содержали только сходные элементы, и отчетливо проявлялась периодичность изменения свойств элементов.

В последующие два года  Д.И. Менделеев значительно усовершенствовал систему элементов. В 1871 г. вышло первое издание учебника Д.И. Менделеева «Основы химии», в котором приведена периодическая система в почти современном виде, с группами и периодами. Там же появилась более знакомая нам формулировка периодического закона: физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса.

Существует несколько вариантов графического построения периодической системы. Наиболее распространены короткопериодный и длиннопериодный. Рассмотрим короткопериодный вариант таблицы. Он состоит из 10 горизонтальных рядов и 8 вертикальных столбцов, называемых группами. В первом горизонтальном ряду только два элемента – водород (Н) и гелий (Не). Второй и третий ряды образуют периоды по 8 элементов, причем каждый из периодов начинается щелочным металлом и заканчивается инертным элементом. Четвертый ряд также начинается щелочным металлом (калий), но в отличие от предыдущих рядов он не заканчивается инертным элементом. В пятом ряду продолжается последовательное изменение свойств, начавшееся в четвертом ряду, так что эти два ряда образуют один так называемый большой период из 18 элементов (от калия (К) до криптона (Kr)). Один большой период из 18 элементов составляют и последующие два ряда – шестой и седьмой (от рубидия (Rb) до ксенона (Xe)). В восьмом ряду после лантана идут 14 элементов, чрезвычайно сходных с ним по свойствам, называемые лантаноидами и выделяемые в самостоятельный ряд. Восьмой и девятый ряды образуют большой период из 32 элементов (от цезия (Cs) до радона (Rn)). Наконец, десятый ряд элементов составляет незавершенный 7 период. Он содержит лишь 23 элемента, из которых 14, очень сходные, по свойствам с актинием (Ас), выделены в самостоятельный ряд актиноидов.

В вертикальных столбцах таблицы – группах – располагаются элементы, обладающие одинаковой валентностью в высших оксидах (она указана римскими цифрами). Каждая группа разделена на две подгруппы, одна из которых (главная) включает элементы малых периодов и чётных рядов больших периодов, а другая (побочная) образована элементами нечётных рядов больших периодов.

Различия между главными и побочными подгруппами ярко проявляются в крайних группах таблицы. Так, главная подгруппа I группы, включает очень активные щелочные металлы, энергично разлагающие воду, тогда как у элементов побочной подгруппы – меди (Сu), серебра (Ag), золота (Au) – проявляется малая активность в химических процессах. VIII группа элементов, занимающая особое положение, состоит из основной подгруппы благородных газов и побочной подгруппы, включающей девять элементов, разделенных на три триады очень сходных друг с другом элементов. У элементов главных подгрупп с увеличением атомного веса наблюдается усиление металлических свойств и ослабление неметаллических.

Согласно формулировке периодического закона периодичность изменения свойств касается не только химических элементов, но и образуемых ими простых и сложных веществ.

^ Строение атома
Периодический закон и периодическая система элементов послужили мощным толчком к исследованиям строения атома, которые изменили представление о законах мироздания и привели к практическому воплощению идеи использования ядерной энергии.

К моменту открытия периодического закона только лишь стали утверждаться представления о молекулах и атомах. Причем атом считался не только наименьшей, но и элементарной (то есть неделимой) частицей. Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью. В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил, что материалы, содержащие уран, засвечивают в темноте фотопластинку, ионизируют газ, вызывают свечение флюоресцирующих веществ. В дальнейшем выяснилось, что этой способностью обладает не только уран. П. Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента: полоний и радий.

Катодные лучи, открытые В. Круксом и Дж. Стоней в 1891 г. предложил назвать электронами – как элементарные частицы электричества. Дж. Томсон в 1897 г., исследуя поток электронов, пропуская его через электрическое и магнитное поля, установил значение величины е/m – отношение заряда электрона к его массе, что привело ученого Р. Милликена в 1909 г. к установлению величины заряда электрона q = 4,8∙10-10 электростатических единиц,  или 1,602∙10-19 Кл (Кулон),  а   соответственно  и  к массе электрона –

9,11∙10-31 кг. Условно рассматривают заряд электрона как единицу отрицательного электрического заряда и присваивают ему значение (-1). А.Г. Столетовым было доказано, что электроны входят в состав всех атомов, имеющихся в природе. Атомы электронейтральны, то есть в целом не обладают электрическим зарядом. А это значит, что в состав атомов, кроме электронов должны входить положительные частицы.
^ Модели Томсона  и Резерфорда

         


^ Эрнест Резерфорд  (1871 – 1937)


Одна из гипотез о строении атома была выдвинута в 1903 г. Дж.Дж. Томсоном. Он полагал, что атом состоит из положительного заряда, равномерно распределённого по всему объёму атома, и электронов, колеблющихся внутри этого заряда, подобно семечкам в «арбузе» или «пудинга с изюмом». Для проверки гипотезы Томсона и более точного определения внутреннего строения атома в 1909-1911 г.г. Э. Резерфорд совместно с Г. Гейгером (впоследствии изобретателем известного счётчика Гейгера) и студентами поставили оригинальные эксперименты. Сфокусировав пучок a-частиц на поверхность тонкого металлического листка, они наблюдали за тем, что происходит, когда этими летящими с большой скоростью a-части-цами простреливается металлическая фольга. На основании результатов эксперимента была предложена ядерная модель атома, согласно которой большая часть массы атома сосредоточена в центре (ядре), а внешние части атома, то есть подавляющая часть пространства атома, заняты электронами. Ядерная модель атома Э. Резерфорда называется еще планетарной моделью, так как напоминает нашу солнечную систему, где планеты вращаются вокруг Солнца. Атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

d:\modul1\общая химия\stratoma.jpg

Планетарная модель строения атома

 Суть планетарной модели строения атома можно свети к следующим утверждениям:

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома;

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.);

3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и, в конце концов, упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следует, что модель Э. Резерфорда в чём-то ошибочна.
  1   2   3   4

Похожие:

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconЗакон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева....
...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconЗакон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconЗакон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Элементы содержания контрольно-измерительных материалов по химии (ноябрь 2012, 11 класс)
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconПроблема относительной распространенности химических элементов на...
Периодической системы Д. И. Менделеева: 76 (70) Н, 23 (28) Не и 1 (2) приходится на долю более тяжелых элементов. Относительная распространенность...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не icon1. В    порядке    увеличения    восстановительной    способности   ...
Общая характеристика металлов главных подгрупп I – III групп в связи с их положением в периодической системе химических элементов...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconХимический состав клетки. Микро- и макроэлементы
Каждая клетка содержит множество химических элементов, участвующих в различных химических реакциях. Химические процессы, протекающие...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconКто создал человека и для чего
Насколько известно современной науке атомы лежат в основе всех веществ. Количество атомов ограничено, они приведены в периодической...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconЭнергетика химических реакций. Основной закон термохимии, следствие...
Энтропия и её изменения при химических реакциях. Энергия Гиббса, направленность химических реакций
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconВопросы к зачету по химии за 1 полугодие для 9-го класса
...
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке и не iconО науке религия и наука еще о науке о современной науке наука и искусство о воспитании
Меня наказывают, стало быть наказывать хорошо, говорит себе ребенок и при первом случае применяет это к делу
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница