Тема 4. Периодический закон Д.И. Менделеева.
Периодическая таблица химических элементов.
План:
1. Открытие Д.И. Менделеевым Периодического закона. Периодический закон в формулировке Д.И. Менделеева.
2.Графическое отображение периодического закона. Структура периодической таблицы: периоды (малые и большие), группы (главная и побочная).
3. Современная формулировка периодического закона. Значение периодического закона и периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева для развития науки и понимания химической картины мира.
1.Открытие Д.И. Менделеевым Периодического закона. Периодический закон в формулировке Д.И. Менделеева.
Биография
«Д.И. Менделеев был великий, гениальный человек и, как большинство великих людей, великий труженик. А трудился он, действительно, не жалея себя».
В. И. Тищенко. Воспоминания о Д.И. Менделееве. «Природа», № 3, 127–136 (1937).
Д.И. Менделеев принадлежал к поколению деятелей передовой русской науки и культуры второй половины XIX столетия, к поколению, которое выросло под идейным влиянием русских революционных демократов. Это был период активной борьбы передовых людей общества за развитие национальной экономики, науки и культуры, за просвещение народа и улучшение его благосостояния.
Современники Д.И. Менделеева и его друзья – русские ученые, инженеры, писатели, композиторы и художники – дали высокие образцы научного, технического и художественного творчества, продемонстрировав перед всем миром величие и силу русского народа. Среди них имя Д.И. Менделеева занимает одно из самых видных мест.
Д.И. Менделеев – великий русский гений – сочетал мощь и глубину теоретического мышления с большим размахом практической деятельности. Научная деятельность его охватывает многочисленные отрасли знания. Из 431 опубликованной работы, исключая статьи и заметки в периодической прессе, 40 посвящено химии, 106 физикохимии, 99 физике, 22 географии, 99 технике и промышленности, 36 экономическим и общественным вопросам и 29 другим темам. Приблизительно две трети трудов и статей Д.И. Менделеева посвящены научным и техническим вопросам и одна треть учебным пособиям, литературным и обзорным работам. Главнейшей заслугой Д.И. Менделеева было открытие периодического закона и создание периодической системы химических элементов, которые обессмертили его имя в мировой науке. Этот закон и периодическая система – основа всего дальнейшего развития учения об атомах и элементах, они являются фундаментом химии и физики наших дней.
Д.И. Менделеев родился 8 февраля (27 января ст. ст.) 1834 г. в глухом сибирском городе Тобольске – месте ссылки жертв царского террора. Здесь отбывали ссылку декабристы и другие передовые люди России, которые оказывали прогрессивно-демократическое влияние на общественность города. Это не могло не сказаться и на формировании взглядов Д.И. Менделеева, детство которого прошло в родном городе. Он был семнадцатым ребенком в семье директора Тобольской гимназии И. П. Менделеева. Своим воспитанием и образованием Д.И. Менделеев целиком обязан матери Марии Дмитриевне (урожд. Корнильевой), на плечи которой со времени смерти отца (он ослеп и вскоре умер в 1847 г.) легла вся забота о благополучии и воспитании детей.
Начальное образование Д.И. Менделеев получил в Тобольской гимназии, которую окончил в возрасте 15 лет.
Желая, чтобы сын учился в одном из столичных учебных заведений, мать Д.И. Менделеева с помощью друзей покойного отца устроила сына в Главный педагогический институт Петербурга, на физико-математический факультет. Уже в студенческие годы Д.И. Менделеев проявил исключительные способности, трудолюбие и настойчивость в достижении поставленной цели. Выполненные им курсовые работы были серьезными исследованиями, и одну из них опубликовали.
По окончании института в 1855 г. по совету врачей в связи с плохим состоянием здоровья Д.И. Менделеев был направлен в Симферопольскую гимназию, где пробыл недолго, так как перешел на работу в Одесскую гимназию. Здесь наряду с педагогической деятельностью он подготовился к экзаменам на ученую степень магистра и написал магистерскую диссертацию – «Удельные объемы». В октябре 1856 г. он успешно защитил ее в Петербургском университете, а через несколько недель – вторую диссертацию на право чтения лекций, что дало ему возможность перейти на работу в Петербургский университет. В 1857 г. в возрасте 23 лет Д.И. Менделеев получил доцентский курс «Теоретическая и историческая часть химии», а с осени 1857 г. приступил к чтению курса органической химии. Таким образом, после двух лет пребывания в университете Д.И. Менделееву поручают чтение самостоятельного курса. В 1859 г. Петербургский университет предоставляет ему, как одному из выдающихся преподавателей, заграничную командировку «для усовершенствования в науках».
После краткого путешествия по Европе Д.И. Менделеев выбрал для работы небольшой немецкий город Гейдельберг, где трудился известный химик Р. В. Бунзен.
На свои скромные командировочные суммы он устроил в своей квартире небольшую лабораторию, где провел в течение двух лет кропотливое исследование по определению поверхностного натяжения жидкостей при различных температурах. Здесь ему удалось сделать крупное открытие – установить существование «температуры абсолютного кипения», которая 10 лет спустя была вновь открыта англичанином Т. Эндрюсом и названа им «критической температурой».
Работая в Гейдельберге, Д.И. Менделеев возглавил кружок из молодых русских ученых, также приехавших за границу «для совершенствования в науках». В кружок входили такие выдающиеся впоследствии ученые, как А.П. Бородин, И.М. Сеченов, А.С. Фаминцын, А.М. Бутлеров, А.О. Ковалевский, и др. Кружок, возглавляемый Д.И. Менделеевым, сыграл большую роль в развитии у его участников научной смелости, новаторства, стремления работать на благо народа, для процветания Родины.
По возвращении в Петербург Д.И. Менделеев полностью отдается научной, педагогической и общественной деятельности. В 1863 г. он получил место профессора Петербургского технологического института, а в 1866 г. – Петербургского университета, где читал лекции по органической, неорганической и технической химии. Кроме того, он состоял преподавателем Владимирских женских курсов и принимал активное участие в организации Бестужевских женских курсов. В 1865 г. Д.И. Менделеев защитил докторскую диссертацию на тему «О соединениях спирта с водой».
Многочисленные труды Д.И. Менделеева и его гениальное и бессмертное открытие периодического закона, получили широкое признание со стороны ученых всего мира. Его приглашают в Лондон для прочтения фарадеевской лекции. Он избирается почетным членом Американской, Ирландской и Югославской Академии наук, а также Дублинского королевского общества, действительным членом Лондонского и Эдинбургского королевского общества, Римской, Бельгийской, Датской, Чешской, Краковской и других Академий наук; почетным доктором Кембриджского, Оксфордского, Геттингенского и других университетов; почетным членом нескольких десятков иностранных обществ.
Однако вследствие борьбы реакционной, так называемой «немецкой школы» за ведущее место в Академии наук Д.И. Менделеев в 1880 г. был забаллотирован при избрании академиков Российской Академии. Этот возмутительный факт вызвал многочисленные протесты общественных и научных кругов России, но из-за засилья иностранцев в Академии наук и поддержки их со стороны правительственных кругов эта вопиющая несправедливость не была исправлена.
Открытие периодического закона и его роль
Предпосылки
Конечно, начиная рассказывать об открытиях гениального ученого, нельзя не осветить главное открытие Д.И. Менделеева – Периодический закон.
Ко времени открытия Периодического закона было известно 63 химических элемента, описаны состав и свойства их многочисленных химических соединений.
Многие ученые пытались классифицировать химические элементы. Одним из них был выдающийся шведский химик Й. Я. Берцелиус. Он разделил все элементы на металлы и неметаллы на основе различий в свойствах образованных ими простых веществ и соединений. Он определил, что металлам соответствуют основные оксиды и основания, а неметаллам – кислотные оксиды и кислоты. Но групп было всего две, они были велики и включали значительно отличающиеся друг от друга элементы. Наличие амфотерных оксидов и гидроксидов у некоторых металлов вносило путаницу. Классификация была неудачной.
Многие ученые предполагали периодичность свойств элементов и зависимость их от атомных масс, но грамотную и систематическую классификацию предложить не смогли.
Очередной предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в г. Карлсруэ в 1860 г., когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который теперь называется относительной атомной массой. Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д.И. Менделеев положил в основу своей классификации. Предшественники ученого сравнивали между собой только сходные элементы, а поэтому не смогли открыть Периодический закон.
Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, то есть не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.
Но без личностных качеств великого химика, которые составляют последнюю, субъективную предпосылку открытия Периодического закона, вряд ли он бы открыт в 1869 г. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д.И. Менделеева сыграли свою немалую роль в открытии Периодического закона.
Открытие периодического закона
В основу своей работы по классификации химических элементов Д.И. Менделеев положил два их основных и постоянных признака: величину атомной массы и свойства. Он выписал на карточки все известные сведения об открытых и изученных в то время химических элементах и их соединениях. Сопоставляя эти сведения, ученый составил естественные группы сходных по свойствам элементов, сравнение которых между собой показало, что даже элементы несходных групп имеют объединяющие их признаки. Например, близки по значениям атомные массы фтора и натрия, хлора и калия (инертные газы еще не были известны), следовательно, щелочные металлы и галогены можно поставить рядом, выстраивая химические элементы в порядке возрастания атомных масс. Так Д.И. Менделеев объединил естественные группы химических элементов в единую систему. При этом он обнаружил, что свойства элементов изменяются в пределах определенных их совокупностей линейно (монотонно возрастают или убывают), а затем повторяются периодически, то есть через определенное число элементов встречаются сходные. Ученый выделил периоды, в которых свойства химических элементов и образованных ими веществ закономерно изменяются.
На основании этих наблюдений Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон, который в соответствии с принятой в настоящее время терминологией звучит так: «Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс».
Днем рождения великого закона считается 1 марта 1869 г.
Периодический закон и Периодическая система богаты периодическими закономерностями: кроме упоминаемой горизонтальной (по периодам) периодичности есть также периодичность вертикальная (по группам) и диагональная. Именно учет всех видов периодичности позволил Д.И. Менделееву не только предсказать, описать свойства веществ, образованных еще не открытыми химическими элементами, но и указать путь их открытия, природные источники (руды и соединения), из которых могли быть получены соответствующие простые вещества.
Периодический закон Д. И. Mенделеева. Взаимосвязь элементов.
Понятие об элементах как о первичных веществах пришло из глубокой древности и, постепенно видоизменяясь а уточняясь, дошло до нашего времени. Основоположникам научных воззрений на химические элементы являются Р. Бойль (VII в.), М. В. Ломоносов (XVIII в.) и Дальтон (XIX в.).
К началу XIX в. было известно около 30 элементов, к середине XIX в.— около 60. По море накопления числа элементов возникла задача их систематизации. Таких попыток до Д.И. Менделеева было не меньше пятидесяти; за основу систематизации принимались: и атомный вес (ныне называемый атомной массой), и химический эквивалент, и валентность. Подходя к классификации химических элементов метафизически, пытаясь систематизировать только известные в то время элементы, ни один из предшественников Д. И. Менделеева не мог открыть всеобщую взаимосвязь элементов, создать единую стройную систему, отражающую закон развития материи. Эта важная, для науки задача была блестяще разрешена в 1869 г. великим русским ученым Д. И. Менделеевым, открывшим периодический закон.
За основу систематизации Менделеевым были взяты: а) атомный вес и б) химическое сходство между элементами. Наиболее ярким, выразителем сходства свойств элементов является их одинаковая высшая валентность. Как атомный вес (атомная масса), так и высшая валентность элемента представляют собой количественные, числовые константы, удобные для систематизации.
Расположив все известный в то время 63 элемента в ряд по возрастанию атомных масс, Менделеев заметил периодическую повторяемость свойств элементов через неодинаковые промежутки. В результате Менделеевым был создан первый вариант периодической системы.
Закономерный характер изменения атомных масс элементов по вертикалям и горизонталям таблицы, а также образовавшиеся в ней пустые мecта позволили Менделееву смело предсказать наличие n природе ряда элементов, еще не известных в то время науке и даже наметить их атомные массы и основные свойства, исходя из предполагаемого положения элементов в таблице. Это можно било сделать лишь на основе системы, объективно отражающей закон развития материи. Сущность периодического закона Д. И. Менделеев сформулировал в 1869 г.: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов (масс) элементов".
Периодическая система элементов.
В 1871 году Д. И. Менделеев дает второй вариант периодической системы (так называемую короткую форму таблицы), в которой он выявляет различные степени родства между элементами. Этот вариант системы дал возможность Менделееву предсказать существование 12 элементов и свойства трех из них описать с очень большой точностью. В период с 1875 по 1886 гг. эти три элемента были открыты и выявилось полное совпадение их свойств с теми, которые были предсказаны великим русским ученым. Эти элементы получили следующие названия: скандий, галлий, германий. После этого периодический закон полечил всеобщее признание как объективный закон природы и ныне является фундаментом химии, физики и других естественных наук.
Свойства трех из этих элементов он подробно описал, и при жизни ученого эти элементы были открыты («экабор» – галлий, «экаалюминий» – скандий, «экасилиций» – германий). Кроме того, периодический закон имеет большое философское значение, подтверждая наиболее общие законы развития природы.