XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Открытие и экспериментальное подтверждение периодического закона

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сафиуллина С.М. 1

---

1МБОУ Кудашевская ООШ Бугульминского муниципального района Республики Татарстан

Сафиуллина Ф.Х. 1

---

1МБОУ "Кудашевская ООШ" Бугульминского муниципального района Республики Татарстан

Работа в формате PDF

173 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Учение Д.И. Менделеева о периодичности изменения свойств химических элементов включает два фундаментальных понятия:

1) закон периодичности

2) сама периодическая система.

Закон отражает факт периодического изменения свойств элементов в соответствии с увеличением заряда ядра атома (прежде - атомного веса). Периодическую систему можно определить как упорядоченное множество химических элементов, их естественную классификацию, опирающуюся на периодический закон и являющуюся его графическим выражением.

В системе современных знаний о строении и свойствах вещества учение о периодичности занимает одно из центральных положений. За десятилетия своего существования оно постоянно эволюционировало. В этой работе я попыталась рассмотреть некоторые «страницы» истории учения о периодичности, которое развивалось на основе новых открытий и достижений в химии и физике и представляет собой ярчайший пример области тесного взаимодействия периодичности этих наук.

В истории науки известны многочисленные примеры совершенно неожиданных фундаментальных открытий. К их числу относятся, например, открытие рентгеновских лучей, радиоактивности и другие, объяснения которых выходило за рамки установившихся и общепринятых в науке представлений. Открытие Менделеева было также неожиданным для ученого мира, несмотря на то, что ему предшествовали многочисленные попытки классификации и систематизации элементов. Вначале даже друзья и ближайшие коллеги Д.И. Менделеева с полным равнодушием отнеслись к полученному ими листку с таблицей «Опыт с системой элементов...». Д.И. Менделеев же сразу увидел в найденном им обобщении - «системе элементов»- явные признаки фундаментального закона природы. Уверенность в научной значимости найденного обобщения выразилась в том, что он без колебаний положил составленную им «систему элементов» в основу плана второй части «Основ химии» и поместил таблицу в самом начале уже напечатанной первой части.

Доменделеевские попытки классификации элементов.

Почти во всех доменделеевских классификациях ставилась цель установить количественные соотношения между атомными весами различных совокупностей элементов. Например, «Триады» И. Деберейнера.

В 1829 г. немецкий химик Иоганн Деберейнер обнаружил существование нескольких групп из трех элементов (триад) со скудными химическими свойствами. В каждой триаде атомная масса среднего элемента оказалась приблизительно равной среднему арифметическому из атомных масс двух крайних элементов. Пары каждого элемента в триаде хлор, бром и йод окрашены и состоят из двухатомных молекул. Каждый из этих трех элементов соединяется с металлами и имеет соединительный вес, равный атомному весу этого элемента. Каждый элемент образует с кислородом ионы, обладающие одним отрицательным зарядом. Атомная масса брома (80) приблизительно совпадает со средним арифметическим из атомных масс хлора (35,5) и йода (127).

В таблице №1 указано сходство между элементами этой и других триад. Также Деберейнер установил еще особую триаду металлов - железо, кобальт и никель. Все элементы этой триады имеют очень сходные свойства и почти одинаковые атомные массы. Эти металлы используются для получения конструкционных материалов (сталей) и могут, подобно железу, обладать ферро магнитными свойствами: кроме того, в состояниях окисления +2 и +3 они образуют комплексные ионы, обладающие яркой окраской. Заслуга ученого состояла еще и в том, что он четко сформулировал представление о естественных группах элементов, т. е. об определенных совокупностях элементов с близкими химическими свойствами и это сыграло важную роль и в попытках классификации химических элементов, и в подготовке предпосылок возникновения учения о периодичности.

Таблица №1.

Еще одним из способов упорядочения множества химических элементов достигался посредством их классификации в виде таблиц. Так, в свое время известная систематика Бегье де Шанкуртуа, но его расположение химических элементов на оси «земного винта» выглядит надуманным и лишь незначительно здесь просматривается прообраз будущих

аналитических вариантов графического изображения периодической системы.

Особое место в предыстории учения о периодичности занимают работы Дж. Ньюлендса. Этот английский химик одним из первых расположил все известные элементы по мере увеличения их атомных весов. В августе 1864 г он заметил, что в этой последовательности восьмой элемент (фтор) напоминает по своим свойствам первый (водород), девятый напоминает второй и т. д. Подметив, что каждый восьмой элемент в построенной им последовательности напоминает по своим свойствам исходный элемент, с которого начинается счет, Ньюлендс стал сравнивать свои химические октавы (восьмерки) с музыкальными октавами и сам назвал установленную им закономерность законом октав, отразив его в следующей таблице (Таблица №2).

Таблица №2.

Периодическое повторение химических свойств элементов по октавам представлялось ему проявлением их глубинной гармонии в музыке, но такое сопоставление было необоснованно. Если бы Ньюлендс знал о благородных газах, периодическое повторение свойств элементов происходило бы не по октавам, а по девяткам элементов. По общему признанию ученых, попытка Ньюлендса явилась шагом в правильном направлении, тем не менее, к его схеме классификации элементов можно предъявить три серьезные претензии:

1. В таблице не нашлось места новым элементам, которые вскоре были открыты. Более того, в конце таблицы несколько раз пришлось поставить на одно и то же место по два элемента.

2. Таблица не открывала возможности научного подхода к определению атомных масс и не позволяла сделать выбор между их вероятными наилучшими значениями.

3. Некоторые элементы представлялись неудачно помещенными в таблице. Например, хром - Gr, недостаточно сходен с алюминием - А1, металлический элемент марганец - Мn, совсем не похож неметаллический фосфор - Р, а типичный металл железо - Fe, сопоставлялся с типичным не металлом серой- S.

Интересное высказывание ученого, относящееся к 1878 году: «Возможно, есть элементы, имеющие атомные веса настолько большие атомного веса урана, насколько уран выше водорода, и, с другой стороны, могут быть элементы, имеющие атомные веса, настолько меньшие атомного веса водорода, насколько водород ниже урана». После того как работы Д.И. Менделеева получили известность, Дж. Ньюлендс стал заявлять, что это он, а отнюдь не русский ученый открыл периодический закон. В 1887 г. Лондонское патриотическое общество присудило Ньюлендсу медаль Дэви «за открытие периодического закона химических элементов». Пятью годами раннее этой награды были удостоены Д.И. Менделеев и Л. Мейер «за открытие периодических соотношений атомных весов».

В 1868 г. соотечественник Дж. Ньюлендса У. Одлинг опубликовал таблицу элементов (таблица №3), которая имеет некоторое внешнее сходство с «Опытом системы элементов...» Д. И. Менделеева. Однако она содержит не все известные к тому времени элементы (46 из 62). Кроме того, Одлинг фактически никак не комментировал таблицу, видя в ней лишь одну из попыток определенной группировки элементов.

Таблица №3.

Среди отечественных исследователей, ставивших целью классификацию химических элементов можно назвать Германа Ивановича Гесса. Гесс изложил в седьмом, последнем издании своего знаменитого учебника «Основания чистой химии» (1849 г.), учение о периодичности. Обращаясь к классификации химических элементов, Гесс указывал, что подразделения последних на естественные группы должно опираться на знание их главных химических свойств и состава соединений с кислородом и водородом. «Эта классификация еще очень далека от того, чтобы быть естественной... но все-таки она соединяет элементы в группы весьма сходные, и с расширением наших сведений она может усовершенствоваться».

Приведенная классификация охватывала только неметаллы: что касается металлов, то Гесс полагал, что «…при настоящем состоянии науки нет возможности разделить их на группы вполне естественным образом». По существу, Гесс был единственным русским ученым, пытавшимся систематизировать химические элементы до Д.И. Менделеева.

Становление учения о периодичности.

В процессе работы над учебником, названным «Основы химии» и был открыт периодический закон. Уже в первом сообщении об открытии закона Д.И. Менделеев отметил связь открытия с работой над «Основами химии»: «Предприняв составление руководства по химии, названного «Основы химии», я должен был остановиться на какой - нибудь системе простых тел, чтобы в распределении их не руководствоваться случайными, как бы инстинктивными побуждениями, а каким-либо определенным началом ».

Закончив в начале 1869 г. работу над первой частью «Основ химии», Менделеев сразу же приступил к составлению второй части курса. При разработке плана второй части учебника перед ним возникла проблема: в каком порядке следует расположить элементы при описании химических свойств их соединений, чтобы на основе фактического материала вскрыть общие связи между свойствами элементов и их соединений? При решении этой проблемы и была найдена «система элементов», которая стала основой плана второй части курса.

Принято во всем мире считать 1 марта 1869 г. датой открытия Д.И. Менделеевым периодического закона химических элементов. «Опыт системы элементов» был опубликован Д.И. Менделеевым сначала на отдельном листке, а затем включен в статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов», сообщение о которой было сделано на заседании Русского химического общества 6 марта 1869г., и которая была опубликована в первом томе «Журнала Русского химического общества» (вып. 2/3, с60-77).

Таблица №4.

В ней перечислены 8 выводов, содержащих важнейшие мысли ученого о периодичности. Первый из них формируется так: «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств». Это еще не формулировка закона, да и само понятие периодический закон в статье не употребляется.

«Цель моей статьи, - писал Д.И. Менделеев, - была бы совершенно достигнута, если бы мне удалось обратить внимание исследователей на те отношения в величине атомного веса исходных элементов, на которые, сколько мне известно, до сих пор не обращалось почти никакого внимания».

В течение последующих трех лет (1869-1871) Д.И. Менделеев теоретически и экспериментально разрабатывал учения о периодичности. В своей работе, «О количестве кислорода в соляных окислах и об атомности элементов» (1870), Д.И. Менделеев установил, что высшая валентность элемента в солеобразующем окисле также есть периодическая функция атомного веса. Все это позволило ему от «Опыта системы...» перейти к «Естественной системе элементов».

В марте 1870 г. Д.И. Менделеев высказал мысль, что атомный вес урана «следует увеличить в два раза и положить U=240, а в конце лета счел необходимым изменить атомные веса индия, церия, тория. Так уран оказался последним в естественном ряду элементов, верхней границей их системы. В начале декабря ученый в работе «О месте церия в системе элементов» приводит систему элементов, структура которой во многом соответствует короткой ее форме, и впервые отражает разделение групп элементов на подгруппы (главную и побочную), хотя четкого разграничения между ними не проводит. 29 ноября 1870 г. Д.И. Менделеев закончил статью «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов», о которой доложил 3 декабря 1870 г. на экстренном заседании Русского химического общества. Впервые система элементов называется естественной; четко формулируются представления о группах и периодах элементов, причем вычленяются малые и большие периоды и ориентировочно оценивается их «емкость» (7 и 17). Тем самым определяется понятие «место элемента в системе»; оно «маркируется» номерами рядов (периодов) и групп. В статье Д.И. Менделеева «К вопросу о системе элементов», датированная апрелем 1871 г., появляются термины «периодический закон» и «периодическая система»: «Было бы правильнее мою систему называть периодической, поскольку она вытекает из периодического закона». И здесь же впервые приводится четкая формулировка закона: «измеримые физические и химические свойства элементов и их соединений стоят в периодической зависимости от атомного веса элементов». Заметно, как много общего у этой таблицы с современной короткой формой (таблица №5). Этот краткий хронологический обзор свидетельствует, что учение о периодичности имело одного подлинного основателя - Д.И. Менделеева.

Таблица №5.

Но до сих пор и теперь соавторство в открытии периодического закона нередко приписывают Л. Мейеру. Сторонники Л. Мейера ссылаются на его таблицу, составленную им в 1868 г., но опубликованную только после его смерти (таблица №6). Видно, что по многим параметрам она не может конкурировать с менделеевской естественной системой. Тем не менее, кривая атомных объемов Л. Мейера оказалась действительным вкладом в учение о периодичности, ибо стала первым графическим выражением периодического закона в виде характерной периодической кривой.

Таблица №6.

Укрепители периодического закона.

Регулярные исследования, связанные с периодическим законом, начались, конечно, в лаборатории самого Д.И. Менделеева. Их начал его ближайший помощник Г.Г. Густавсон, впоследствии известный профессор. Работали Г.Г. Казанцев, Н.Н. Каяндер, И.Г. Богуский и другие. Почему Менделеев сам не обнаружил элементы, им предсказанные. Он пытался это делать. Об этом говорят его письма к горнопромышленникам Урала и Сибири, содержащие просьбы прислать некоторые минералы, заказы на соединения редких металлов, которые он направлял в западноевропейские фирмы по производству химических реактивов. Но такие работы требовали много сил и времени, квалифицированных помощников. В России не было таких условий. Практическое подтверждение теоретических выводов, осуществленных в России, было в основных чертах найдено на Западе. Многие редкие элементы были изучены в Скандинавии, недра которой содержат их в большом количестве, или в Германии с ее хорошо развитой химической промышленностью. Есть и еще одно обстоятельство. Развитие периодического закона, проникновение его в новые области бурно развивающейся химии выдвигали новые проблемы, за решением которых Менделеев как автор закона должен был тщательно следить. Открытие новых элементов (галлия, скандия, германия), дискуссии о положении урана и бериллия в периодической системе, положение редкоземельных элементов, вопросы происхождения элементов, открытие инертных газов, явление радиоактивности электрона - вот перечень только самых основных достижений, которые были осуществлены жизни Менделеева и которые получили его всестороннюю оценку.

В 1875 г. после того, как в «Докладах Парижской академии наук» появилось сообщение П.Е. Лекок де Буабодрана об открытии им 27 августа 1875 г. нового элемента, названного «галлием», Менделеев обратил внимание на это сообщение и в своих выступлениях в Русском химическом и физическом обществах 4 и 6 ноября того же года высказался, что вновь открытый элемент, несомненно, предсказанный им экаалюминий, и вновь повторил рассчитанные им на основе периодической системы численные значения, характеризующие основные свойства этого элемента [6, с250]. В том же, 1875 г. в третье издание «Основ химии» Менделеев ввел специальную главу, посвященную периодическому закону. В предисловие к этому изданию он отметил: «Когда (в 1869 г.) я предлагал ее в первом издании этого сочинения, во мне еще не было полной уверенности в общей применимости основного начала, выражаемого словами: свойства атомов и частиц зависят, прежде всего от их массы, теперь эта уверенность родилась» .

Вскоре выяснилось, что предсказанные Менделеевым физико-химические численные характеристики галлия оказались более точными по сравнению с найденными Буабодроном экспериментально. После знакомства с работами Менделеева де Буабодрон провел исследования с более чистыми препаратами. После открытия этого элемента периодический закон привлек к себе большой интерес в кругах химиков. Открытие галлия ознаменовало подлинный триумф и периодического закона.

Знаменательна история последнего из подробно предсказанных Менделеевым элементов - германия. Менделеев придавал экасилицию особое значение: этот элемент он стремился даже найти сам, для чего изучал разнообразные минералы, в которых, по его мнению, можно было ожидать присутствия экасилиция. Однако Менделеев искал будущий германий в титановых минералах, тогда как он присутствует в минералах, содержащих серебро. Немецкий химик К. Винклер совершенно случайно в феврале 1886 г. обнаружил новый элемент в аргиродите. Зная о периодическом законе, он сразу же начал «примерять» свойства полученного элемента к «пустым» клеткам таблицы. Лишь после всестороннего обсуждения свойств нового элемента (в нем приняли участие Д.И. Менделеев, Л. Мейер и В. Рихтер) было окончательно установлено, что новый элемент в точности отвечает экасилицию Менделеева.

Рассмотрение таблицы №7 показывает, что Менделееву удалось очень точно предсказать физические и химические свойства не достававшего в его системе элемента. Этому элементу отводилось место периодической таблице под кремнием, Si и над оловом Sn. Физические свойства германия представляют собой как раз нечто среднее между свойствами кремния и олова.

Таблица 7.

Заключение.

Блестящее подтверждение предсказанных Менделеевым свойств не открытых еще элементов является одной из наиболее ярких страниц истории науки. Оно не только послужило основным фактором для признания периодического закона, но и укрепило в среде ученых сознание значения широких теоретических обобщений в науке.

Потребовалось немало времени для теоретического обоснования периодического закона. Еще при жизни Менделеева, в 90-х г. 19 века были открыты инертные газы. В конце 90-х г. была открыта радиоактивность. Возникли неожиданные проблемы, казалось, подрывавшие основные принципы построения периодической системы. Однако периодический закон выдержал и это испытание. В 1913 г. Г. Мозли ввел порядковый номер элементов, что позволило установить места всех известных тогда элементов в системе. Наконец, в 20-х г. Н. Бором была разработана квантово-корпускулярная структура электронных оболочек атомов, ставшая теоретической основой периодического закона.

Уверенность Менделеева в справедливости и научной значимости найденной им системы элементов была не интуитивной. Он сделал свои знаменитые предсказания на основе веских фактов, частично им же самим установленных. Основываясь на системе, он исправил атомные веса ряда элементов и указал их точные места. Обнаружив пустые клетки в системе, он смело и уверенно предсказал свойства ряда еще не открытых элементов. Он совершил научный подвиг, приведший к всеобщему признанию периодического закона - основы современного естествознания. На склоне лет Д.И. Менделеев мог с уверенностью заявить: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает».

Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым 1 марта 1869 г. в результате многолетней работы по отысканию принципов систематизации элементов и изучения самых различных их свойств. Этой работе Д.И. Менделеев посвятил 15 лет непрерывного труда. Открытие было совершенно им не случайно, так как в его деятельности органически сочетались теория и практика, знание физической стороны явления, математическая интуиция и философское осмысление. В менделеевском открытии слились воедино три линии развития химии:

1) поиски систематики различных объектов химии (от атомов до кристаллов) в их взаимосвязи - понятие «химический элемент» их объединило;

2) изучение индивидуальности элементов, особенно мало применявшихся тогда редких элементов, что позволило раскрыть понятие элемент-аналогии;

3) изучение взаимосвязи свойств с составом и строением соединений, что привело к формированию целостного учения о периодичности.

Список литературы.

1. Р. Дикерсон, Г. Грей, Дж. Хейт Основные законы химии.- М.: Мир, 1982.

2. Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии. М.: Наука, 1979.

3. Лисневский Ю.И. Атомные веса и возникновение ядерной физики. М.: Наука, 1984.

4. Гесс Г.И. Основание чистой химии 7-е изд. Спб., 1849

5. Трифонов Д.Н. Страницы истории учения о периодичности. Химия в школе №4,1983.

6. Менделеев Д.И. Избр. соч. Т. 11.Л.: Госхимиздат, 1934.

7. Трифонов Д.Н. Становление учения о периодичности . Химия в школе №5, 1983.

8. Менделеев Д.И. Периодический закон. М.: Изд. АН СССР, 1958.

9. Соловьев Ю.И. История химии в России. М.: Наука , 1985.

10. Ю.Макареня А.А., Рысев Ю.В. Д.И. Менделеев М.: Просвещение, 1977.

11. Морозов Н.А. Д.И. Менделеев и значение его Периодической системы для химиибудущего. Спб., 1907.

Приложения.

Таблица №1. Триады Деберейнера

Таблица №2. Таблица элементов, иллюстрирующая «закон октав» Дж. Ньюлендса(1865г.)

Таблица №3. Таблица элементов У. Одлинга (1868 г.)

Таблица №4.Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве.

Таблица №5. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (1871 г.)

Таблица №6. Таблица элементов Л. Мейера (1868г.)

Таблица 7. Предсказания Менделеева о свойствах элемента экасилиция (германия).