Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 2. Периодический закон и строение атома

  1. Перечислите химические элементы из таблицы Д. И. Менделеева, названные в честь героев греческих мифов, великих учёных, городов и стран, планет.
  2. Назовите учёных-химиков — предшественников Д. И. Менделеева.

Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева — величайшее открытие конца XIX в., основа современной химии, динамичное и развивающееся учение. Оно отражает явления, реально существующие в природе, и поэтому никогда не потеряет своего значения.

Открытие периодического закона и Периодической системы химических элементов было подготовлено всем ходом развития химии, однако потребовалась гениальность Д. И. Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и графически представлены в виде таблицы.

Менделеев расположил все известные во второй половине XIX в. химические элементы в ряд (рис. 3) по возрастанию их относительных атомных масс (во времена Менделеева эту величину называли атомным весом) и выделил в нём отрезки — периоды, где свойства элементов и образованных ими веществ изменялись сходным образом, а именно (в современных терминах):

Рис. 3. Так рождалась таблица химических элементов Д. И. Менделеева

  • металлические свойства ослабевали;
  • неметаллические свойства усиливались;
  • степень окисления элемента в высших оксидах увеличивалась с +1 до +7 (+8);
  • степень окисления элементов в гидридах (твёрдых солеподобных соединениях металлов с водородом) увеличивалась с +1 до +3, а затем увеличивалась в летучих водородных соединениях с -4 до -1;
  • оксиды от основных через амфотерные сменялись кислотными;
  • гидроксиды от щелочей через амфотерные гидроксиды сменялись всё более сильными кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев сформулировал периодический закон.

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.

Днём рождения периодического закона химических элементов считается 1 марта 1869 г.

Периодический закон и учение о строении атома. Формулировка периодического закона, данная Менделеевым, отражала состояние науки на тот период времени, когда о сложном строении атома учёные только догадывались. Научная интуиция позволила Менделееву выявить закономерности, угадать порядок расположения элементов и создать такую таблицу, которая, будучи довольно простой, максимально характеризует строение атомов химических элементов и на протяжении почти полутора столетий не претерпела никаких принципиальных изменений.

Последующие открытия в области физики и химии только дополняли и углубляли открытие Менделеева. Как вы уже знаете, учёные доказали сложное строение атома, предложили модели, отражающие это сложное строение, а также открыли существование изотопов. В 1913 г. английский физик Г. Мозли (1887—1915) доказал, что заряд ядра атома каждого элемента в таблице Менделеева возрастает на единицу по сравнению с зарядом ядра атома предыдущего элемента. Следовательно, заряд атомного ядра совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Таким образом, закон Мозли подтвердил правильность размещения элементов в Периодической системе Менделеева.

Эти открытия потребовали от учёных уточнить первую, менделеевскую, формулировку периодического закона. В современной редакции этот закон звучит так:

свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда их атомных ядер.

Периодическая система химических элементов и учение о строении атома. Периодическая система Д. И. Менделеева — это графическое выражение периодического закона.

Существует множество различных модификаций периодических систем химических элементов, однако наиболее употребительны две: короткопериодная — в средней школе (рис. 4) и длиннопериодная — в высшей.

Рис. 4. Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева (короткий вариант)

Порядковый номер элемента, номер периода и номер группы в Периодической системе отражают какую-либо особенность или закономерность в строении атомов химических элементов.

      Как формула, как график трудовой,
      Строй менделеевской системы строгой.
      Вокруг тебя творится мир живой,
      Входи в него, вдыхай, руками трогай.

/С. Щипачёв/

Так, порядковый номер элемента, как вы знаете, соответствует заряду атомного ядра, т. е. числу протонов в нём, и числу электронов на электронной оболочке атома, так как он электронейтрален. Число нейтронов для разных изотопов химического элемента определяют по формуле: N = A - Z, где N — число нейтронов, A — массовое число атома, Z — атомный номер элемента.

Например, алюминий , порядковый номер которого 13, имеет ядро, состоящее из 13 протонов и соответственно 13 электронов на электронной оболочке атома. Массовое число алюминия — 27, значит, в ядре атома содержится 14 нейтронов.

Номер периода указывает на число энергетических уровней (электронных слоёв) в атоме.

Номер группы (каждая группа состоит из главной и побочной подгруппы) указывает на число электронов на внешнем уровне атомов для элементов главных подгрупп или на максимальное число валентных электронов для элементов обеих подгрупп.

Валентными называются те электроны, которые могут принимать участие в образовании химической связи. Для элементов главных подгрупп такими электронами являются электроны внешнего энергетического уровня, и их число соответствует номеру группы. Для элементов побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешнего, но и предвнешнего энергетического уровня, однако и в этом случае их максимальное число соответствует номеру группы.

Особенности строения атома объяснили и закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах.

В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются, так как:

  • увеличиваются заряды атомных ядер элементов;
  • увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов;
  • не изменяется число энергетических уровней в атомах элементов;
  • уменьшается радиус атомов.

В пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают, так как:

  • увеличиваются заряды атомных ядер элементов;
  • не изменяется число электронов на внешнем энергетическом уровне;
  • увеличивается число энергетических уровней атомов;
  • увеличивается радиус атомов.

В больших периодах (4—6) эти изменения происходят медленнее, чем в малых (1—3), так как у атомов элементов побочных подгрупп строится не внешний, а предвнешний уровень и только потом начинает достраиваться внешний уровень (от 2 до 8 электронов в соответствии с номером группы).

Эти особенности в строении атомов химических элементов позволяют ответить на вопрос, почему заряд атомного ядра элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева возрастает монотонно, а свойства изменяются периодически, и дать ещё одну, причинно-следственную, формулировку периодического закона.

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения внешних и предвнешних электронных слоёв их атомов.

Значение периодического закона и периодической системы. Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева — это триумф российской химической науки. Все учёные, которые занимались поиском естественной классификации химических элементов, находились в равных условиях, имели одни и те же научные предпосылки (т. е. накопленный фактологический материал) для обобщения. Почему же ни одному из них, кроме Менделеева, не удалось открыть периодический закон?

Очевидно, здесь сыграл роль субъективный, личностный фактор. Менделеев имел энциклопедические знания, умел обобщать факты и выдвигать на их основе гипотезы.

Остаётся только недоумевать, почему Нобелевский комитет в 1886 г. из двух кандидатур — французского учёного А. Муассана (1852—1907) и русского учёного Д. Менделеева — отдал предпочтение французу. Очевидно, немаловажную роль в этом решении сыграл тот факт, что кандидатуру Муассана выдвинула Французская академия наук, а кандидатуру Менделеева — Академия наук Германии. Стыдно признать, но Менделеев, будучи почётным членом почти всех европейских академий наук, так и не был избран членом Российской академии наук, хотя баллотировался в неё не раз. Пожалуй, странно выглядит и Лондонское королевское общество, которое в 1882 г. присудило Менделееву медаль Дэви (являвшуюся аналогом медали нобелевского лауреата) «За открытие периодических соотношений атомных весов», а через 5 лет, в 1887 г., вручило такую же медаль своему соотечественнику Дж. Ньюлендсу (1837—1898) «За открытие периодического закона химических элементов».

«Гениальный химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в области гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных отделах химической технологии (взрывчатые вещества, нефть, учение о топливе) и других сопредельных с химией и физикой дисциплинах, глубокий знаток химической промышленности и промышленности вообще, особенно русской, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве, государственный ум, которому, к сожалению, не суждено было стать государственным человеком, но который видел и понимал задачи и будущность России лучше представителей нашей официальной власти...

...Он умел быть философом в химии, в физике и других отраслях естествознания, которых ему приходилось касаться, и естествоиспытателем в проблемах философии, политической экономии и социологии».

/Л. А. Чугаев, русский химик/

Признанием заслуг русского химика перед мировой наукой является следующий факт: в 1955 г. группа американских химиков во главе с Г. Сиборгом (1912—1999) получила новый, 101-й элемент, которому «в честь величайшего русского химика Менделеева единодушно присвоила название «менделевий».

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева позволили:

  • установить взаимную связь между элементами и объединить их по свойствам;
  • расположить элементы в естественной последовательности;
  • обнаружить периодичность, т. е. повторяемость общих свойств элементов и их соединений и объяснить причину этого;
  • исправить и уточнить значение относительных атомных масс некоторых элементов;
  • исправить и уточнить степени окисления (валентность) некоторых элементов;
  • предсказать существование ещё не открытых элементов, описать их свойства, указать пути их открытия.

Открытие галлия, скандия и германия, предсказанных Д. И. Менделеевым. Торжеством периодического закона и Периодической системы стало открытие трёх предсказанных Менделеевым элементов — галлия, скандия и германия. Это позволило немецкому философу, одному из основоположников марксизма Ф. Энгельсу (1820—1895) назвать открытие Менделеевым периодического закона научным подвигом, подобным подвигу астронома У. Леверье (1811— 1877), предсказавшего существование планеты Нептун. Почему так эмоционально характеризуется открытие русского химика? Это связано с открытием в 1875 г. первого из предсказанных Менделеевым элементов — галлия, которое принадлежит французскому химику П. Буабодрану (1838—1912). Менделеев, блестяще владевший французским языком, прочитал статью об открытии галлия и написал письмо Буабодрану, указав на его ошибку (тот неверно определил плотность галлия) и назвав причину этой ошибки (образец галлия был недостаточно очищен). И оказался прав. Буабодран с ним согласился и сообщил научному миру: «Я думаю, что нет нужды настаивать на исключительной важности теоретических взглядов г-на Менделеева относительно плотности нового элемента».

Шведский учёный Л. Ф. Нильсон (1840—1899), открывший в 1879 г. скандий, предсказанный Менделеевым как экабор, прислал ему в подарок немного нового металла, а немецкий учёный К. А. Винклер (1838—1904), открывший в 1886 г. предсказанный Д. И. Менделеевым германий, восторженно писал: «...периодичность элементов тем самым уже не гипотеза, она стала фактом, и химическое исследование сделало, таким образом, новый, неисчислимо важный шаг в царство познания».

В следующем параграфе речь пойдёт об уникальных химических элементах таблицы Менделеева — благородных, или инертных, газах и об ионных химических связях.

Теперь вы знаете

  • в чём заключается периодический закон Д. И. Менделеева
  • как связаны между собой периодический закон и учение о строении атома
  • значение периодического закона и Периодической системы химических элементов
  • что открытие галлия, скандия и германия, предсказанных Д. И. Менделеевым, явилось доказательством справедливости периодического закона

Теперь вы можете

  • определить, как именно изменяются свойства элементов и образованных ими веществ в периодах таблицы Менделеева
  • объяснить, как Периодическая система и периодический закон связаны с учением о строении атома
  • привести три формулировки периодического закона
  • дать оценку периодического закона и Периодической системы в истории науки

Выполните задания

  1. Объясните, как на основе сведений о строении атома можно объяснить закономерности в изменении свойств элементов по периодам и группам.
  2. Перечислите химические элементы из таблицы Д. И. Менделеева, названия которых связаны с Россией и русскими учёными.
  3. Становление любой научной теории обусловлено как объективными, так и субъективными предпосылками. Перечислите субъективные предпосылки, которые предшествовали открытию периодического закона.
  4. Прочитайте строчки из стихотворения С. Щипачёва «Читая Менделеева» и сформулируйте основную мысль данного произведения.

      Есть просто газ легчайший — водород,
      Есть просто кислород, а вместе это —
      Июньский дождь от всех своих щедрот,
      Сентябрьские туманы на рассветах.

      Кипит железо, серебро, сурьма
      И тёмно-бурые растворы брома,
      И кажется Вселенная сама
      Одной лабораторией огромной.

      Тут мало оптикой поможешь глазу,
      Тут мысль пытливая всего верней.
      Пылинку и увидишь-то не сразу —
      Глубины мирозданья скрыты в ней.

      Будь то вода, что поле оросила,
      Будь то железо, медь или гранит —
      Всё страшную космическую силу,
      Закованную в атомы, хранит.

      Мы не отступим, мы пробьём дорогу
      Туда, где замкнут мирозданья круг, —
      И что приписывалось раньше богу,
      Всё будет делом наших грешных рук!

Темы для рефератов

  1. История открытия периодического закона — одного из фундаментальных законов мироздания — Д. И. Менделеевым.
  2. Д. И. Менделеев — русский учёный-энциклопедист.
  3. История открытий галлия, скандия и германия — химических элементов, существование которых было предсказано Д. И. Менделеевым.

Рейтинг@Mail.ru