Історія відкриття періодичного закону й періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Тема 3

ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН І ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА. БУДОВА АТОМА

УРОК 42

Тема. Історія відкриття періодичного закону й періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Цілі уроку: ознайомити учнів з історією відкриття періодичного закону й періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєвим; розкрити роль російського хіміка Д. І. Менделєєва у створенні універсальної класифікації хімічних елементів – періодичної системи; розширити знання про хімічні елементи, історію

їх відкриття.

Тип уроку: засвоєння нових знань.

Форми роботи: навчальний семінар.

Обладнання: Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва, саморобні таблиці класифікації хімічних елементів.

ХІД УРОКУ

I. Організація класу

Учні об’єднуються в групи відповідно до підготовлених завдань. На дошці – тема уроку, план семінару:

1) Вступне слово вчителя

2) “Правило тріад” німецького хіміка Й. В. Деберейнера

3) Класифікація елементів американського хіміка Дж. Ньюлендса

4) “Гвинтовий графік” французького геолога О. Е. Шанкуртуа

5) “Хвильовий графік”

німецького хіміка Ю. Л. Мейєра

6) Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва

7) Підбиття підсумків семінару

II. Семінар

1. Вступне слово вчителя

Не всі елементи укладалися в природні родини, тому класифікація елементів залишалася актуальною. Багато хіміків: німецькі вчені Й. Деберейнер і Ю. Мейєр, англієць Дж. Ньюлендс, француз О. Шанкуртуа та інші, пропонували різні варіанти класифікації хімічних елементів. Учні заздалегідь одержали завдання підготувати повідомлення про спроби класифікації хімічних елементів.

Надаємо слово першій групі учнів.

2. “Правило тріад” німецького хіміка Й. В. Деберейнера

Першим, кому вдалося відстежити певний порядок, був німецький хімік Йоганн Вольфганг Деберейнер (1780-1849). У 1829 p., вивчаючи властивості Брому, учений виявив, що цей елемент за своїми властивостями посідає проміжне положення між Хлором та Іодом. У ряді Хлор – Бром – Іод спостерігалася не лише поступова зміна кольору та реакційної здатності, але й поступова зміна атомної маси. Випадковий збіг?

Деберейнер продовжив пошуки та знайшов ще дві групи з трьох елементів (він назвав їх тріадами), в яких також спостерігалася поступова зміна властивостей. Цими групами були Кальцій, Стронцій, Барій і Сульфур, Селен, Телур. В обох групах атомна маса середнього елемента приблизно дорівнює середньому арифметичному атомних мас двох інших елементів. Знову збіг?

Деберейнер намагався знайти інші такі тріади, але безуспішно. Оскільки розбити п’ятдесят шість відомих елементів на тріади не вдалося, хіміки дійшли висновку, що тріади Деберейнера – явище випадкове. Навіть більше, відповідність у зміні атомних мас і хімічних властивостей елементів у тріадах Деберейнера не справило ніякого враження на хіміків. У першій половині XIX ст. хіміки взагалі недооцінювали значення атомних мас.

Надаємо слово для доповіді другій групі.

3. Класифікація елементів американського хіміка Дж. Ньюлендса

Ньюлендс (1837-1898) розташував відомі елементи в порядку зростання атомних мас. Склавши такий перелік елементів, він виявив, що в отриманому ряді можна виявити певну закономірність у зміні властивостей елементів. Коли Ньюлендс розташував елементи вертикальними стовпцями по сім елементів у стовпці, то з’ясувалося, що подібні елементи, як правило, потрапляють у ті самі горизонтальні ряди. Так, Калій розташовується слідом за дуже схожим на нього Натрієм, Селен опиняється в одному ряду зі схожим на нього Сульфуром, Кальцій – поряд зі схожим на нього Магнієм і т. д. Справді, у відповідному ряду можна було знайти кожну із трьох тріад Деберейнера.

Ньюлендс назвав відкриту ним закономірність законом октав, тому що кожен восьмий елемент мав властивості, подібні до властивостей перших, дев’ятий – другого тощо. (У музичній октаві сім нот, восьма нота починає нову октаву.) На жаль, крім рядів, що містять подібні елементи, у таблиці були ряди із зовсім несхожими елементами. Тому решта хіміків вирішила, що такий збіг випадковий, і поставилися до відкриття Ньюлендса як до факту, що не заслуговує на увагу.

Третя група представляє нам доповідь про роботу О. Е. Шанкуртуа.

4. “Гвинтовий графік” французького геолога О. Е. Шанкуртуа

Двома роками раніше французький геолог Олександр Еміль Бегюйе де Шанкуртуа (1820-1886) також розташував елементи в порядку зростання атомних мас і відзначив їх на так званому “гвинтовому” графіку. І в цьому випадку спостерігалася та сама тенденція: подібні елементи потрапляли у вертикальні стовпці. Публікуючи своє повідомлення, Шанкуртуа не супроводив його побудованим ним графіком, і його робота також залишилася непоміченою.

П’ята група підготувала нам повідомлення про роботу Ю. Л. Мейєра.

5. “Хвильовий графік” німецького хіміка Ю. Л. Мейєра

Більш щасливим виявився німецький хімік Юліус Лотар Мейєр (1830-1895). Графічна залежність атомних об’ємів елементів від їхніх атомнихмас виражається у вигляді низки хвиль, що підносяться гострими піками в точках, які відповідають лужним металам (натрію, калію, рубідію і цезію). Кожний спуск і підйом до піка відповідає періоду в таблиці елементів. У кожному періоді значення деяких фізичних характеристик, крім атомного об’єму, також закономірно спочатку зменшуються, а потім зростають. Гідроген – елемент із найменшою атомною масою – стояв у списку елементів першим. У той час було прийнято вважати, що перший період включає лише один елемент. (У сучасних таблицях перший період включає два елементи – Гідроген і Гелій.) Другий і третій періоди графіка Мейєра включали кожен по сім елементів. Ці періоди дублювали октави Ньюлендса. Однак у наступних двох періодах кількість елементів перевищувала сім. У такий спосіб Мейєр показав, у чому помилка Ньюлендса. Закон октав не міг суворо виконуватися для всього списку елементів, останні періоди мали бути довші за перші.

Учитель. Ми впритул підійшли до досліджень Д. І. Менделєєва.

Такі вчені, як Дж. Ньюлендс і Ю. Л. Мейєр, близько підійшли до відкриття періодичного закону, помітивши залежність властивостей елементів від їхніх атомних мас, але не зуміли піднятися від спостережуваних ними фактів до сміливих узагальнень. Закон, що об’єднує всі знання про хімічні елементи в струнку природну систему, був відкритий російським ученим Д. І. Менделєєвим.

Слово надається групі учнів, які розкажуть нам про відкриття періодичного закону Д. І. Менделєєвим.

6. Періодична система Д. І. Менделєєва

Д. І. Менделєєв виходив з переконання, що в основу класифікації має бути покладена фундаментальна кількісна характеристика елементів – атомна маса, від якої “має залежати решта властивостей”. Але виявити цю залежність було вкрай важко з двох причин: по-перше, далеко не всі хімічні елементи були відомі до початку роботи Д. І. Менделєєва; по-друге, атомні маси деяких елементів були встановлені неточно і їх формальне зіставлення призводило до непорозумінь.

На відміну від усіх своїх попередників, російський учений зіставив між собою подібні елементи, розташувавши всі відомі елементи в порядку зростання атомних мас. Нижче наведені перші 14 елементів цієї послідовності:

Li – Be – В – С – N – О – F – Na – Mg – Al – Si – Р – S – Cl

Під час переходу від Літію Li до Флуору F відбувається закономірне ослаблення металічних властивостей і посилення неметалічних з одночасним підвищенням валентності. Перехід від Флуору F до наступного за значенням атомної маси елементу натрію Na супроводжується стрибкоподібною зміною властивостей і валентності, причому Натрій багато в чому повторює властивості Літію, будучи типовим одновалентним металом, хоча й більш активним. Наступний за Натрієм Магній Mg багато в чому подібний до Берилію Be (обидва двовалентні, виявляють металічні властивості, але хімічна активність обох виражена слабше, ніжу пари Li – Na). Алюміній Аl, що йде за Магнієм, нагадує бор В (валентність дорівнює 3). Як близькі родичі, схожі один на одного Силіцій Si та Карбон С, Фосфор Р і Нітроген N, Сульфур S і Оксиген О, Хлор СІ і Флуор Р Підчас переходу до наступного за Хлором у послідовності збільшення атомної маси елемента Калію К знову відбувається стрибок у зміні валентності й хімічних властивостей. Калій, подібно до Літію й Натрію, відкриває ряд елементів (третій за рахунком), представники якого виявляють глибоку аналогію з елементами перших двох рядів.

Отже, у природному ряді елементів (тобто елементів, розташованих у порядку зростання атомної маси) їхні хімічні властивості змінюються не монотонно, а періодично. Закономірна зміна властивостей елементів у межах одного відрізка природного ряду (Li – Р) повторюються і в інших (Na – Cl, К – Вr). Інакше кажучи, подібні в хімічному відношенні елементи зустрічаються в природному ряді через правильні інтервали й, отже, повторюються періодично.

7. Заключне слово вчителя

Ця чудова закономірність, виявлена Д. І. Менделєєвим і названа ним законом періодичності, була сформульована так:

Властивості простих тіл, а також форма і властивості сполук елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних мас елементів.

Відкритий закон періодичності Д. І. Менделєєв використав для створення періодичної системи елементів. “Днем народження” системи Д. І. Менделєєва зазвичай вважають 18 лютого 1869 p., коли був складений перший варіант таблиці. У цій таблиці 63 відомих Д. І. Менделєєву елементи були розташовані в порядку зростання атомних мас. Це розташування відбивало також періодичність зміни властивостей елементів. У таблиці були залишені порожні місця для чотирьох ще не відкритих елементів з атомними масами 45, 68, 70 і 180. Існування їх було передвіщено Д. І. Менделєєвим.

Закон періодичності й періодична система елементів відіграли важливу конструктивну роль у перевірці й уточненні властивостей багатьох елементів. Однак справжній тріумф періодичної системи Д. І. Менделєєва був пов’язаний з відкриттям передбачених ним елементів.

III. Підбиття підсумків семінару

Складання опорного конспекту

Спроби впорядкувати, класифікувати елементи відповідно до їх властивостей.

Деберейнер – виділив тріади елементів. Середній має середні (проміжні) властивості.

Ньюлендс – повторюваність властивостей через сім елементів – октави.

Шанкуртуа – “гвинтовий” графік.

Мейєр – графічна залежність атомних об’ємів елементів від їхніх атомних мас виражається у вигляді низки хвиль, що підносяться гострими піками в точках, що відповідають лужним металам.

Д. І. Менделєєв поклав у основу класифікації атомну масу:

Властивості простих тіл, а також форма і властивості сполук елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних мас елементів.

Для складання таблиці Менделєєв (на відміну від попередників):

1) змінив атомні маси ряду елементів;

2) під час визначення положення елементів керувався в першу чергу хімічними властивостями;

3) для деяких елементів, що ще не були відкриті, залишив порожні клітинки – під Si – Екасиліцій (Ge);

4) передбачив наявність великих періодів.

IV. Домашнє завдання

Опрацювати відповідний параграф підручника, відповісти на запитання.