Что взято за основу классификации элементов
Что взято за основу классификации элементов
На данном уроке дана подробная историческая справка о попытках классификации химических элементов учеными-химиками, формируется представление о структуре периодического закона химических элементов Д.И. Менделеева, подчеркивается значение этого закона для химической науки.
I. Классификация химических элементов
1. Триады Дёберейнера
Попытки классификации химических элементов начались задолго до открытия Д.И.Менделеевым периодического закона. Естествоиспытатели в начале XIX сталкивались с большими трудностями в этом направлении, потому что химических элементов было известно всего 63, а атомные массы были определены для них неточно.
Триады Дёберейнера
В 1829 году немецкий химик И.В.Дёберейнер заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы. Он назвал их триадами.
Сущность данной классификации заключается в следующем: в каждой триаде есть средний элемент, масса атома которого будет равна средней арифметической массе двух крайних элементов.
Например, рассмотрим первую триаду: Li, Na, K.
Их атомные массы соответственно равны 7, 23, 39.
Система классификации И.В.Дёберейнера оказалась несовершенной. Некоторые триады не содержали тех элементов, которые были бы похожи с ними по химическим свойствам.
Ошибка И.В.Дёберейнера заключалась в том, что он ограничил себя поиском тройственных союзов, т.е. триад.
Но И.В.Дёберейнер был первым из естествоиспытателей, который связал свойства химических элементов с их атомными массами. Все дальнейшие попытки классификации химических элементов основывались на связи масс атомов с их химическими свойствами.
2. Спираль Шанкурту
В середине XIX века появилось много работ ученых, которые пытались классифицировать химические элементы. Французский геолог и химик А.Э. Шанкуртуа в 1862 году предложил свою классификацию химических элементов.
Рис. 1. Спираль Шанкуртуа
Он расположил все известные к тому времени химические элементы в порядке возрастания их атомных масс, а полученный ряд нанес на поверхность цилиндра, по линии исходя из его основания под углом 45
к плоскости основания, так называемая земная спираль. Рис.1.
После развертывания этого цилиндра оказалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находятся химические элементы со сходными химическими свойствами. Так на одну вертикаль попадали Li, Na, K; а также Be, Mg, Ca. Кислород, сера, теллур. Недостатком спирали Шанкуртуа было то, что в вертикальную группу химических элементов попадали не имеющие ничего сходного с ними химические элементы. Так в группу щелочных металлов, попадал марганец. А в группу кислорода и серы, попадал титан.
3. Октавы Ньюлендса
В 1865 году 18 августа английский ученый Дж.А.Ньюлендс расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных масс. В результате он заметил, что каждый восьмой элемент напоминает по свойствам первый элемент. Найденную закономерность, он назвал законом октав по аналогии с семью интервалами музыкальной гаммы.Рис.2.Закон октав он сформулировал следующим образом:
Рис. 2. Октавы Ньюлендса
«Номера аналогичных элементов, как правило, отличаются или на целое число семь или на кратное семи; другими словами члены одной и той же группы соотносятся друг с другом в том же отношении, как и крайние точки одной или больше октав в музыке».
В 1864 году английский химик У. Одлинг опубликовал таблицу, в которой элементы были размещены, согласно их атомным весам и сходствам химических свойств. Но он не дал никаких комментариев к своей работе, и она не была замечена.
4. Таблица химических элементов Мейера
Рис. 3. Таблица химических элементов Мейера
В 1870 году появилась первая таблица немецкого химика Ю.Л. Мейера под названием « Природа элемента, как функция их атомного веса». В неё были включены 28 элементов, размещенные в 6 столбцов, согласно их валентности. Ю.Л. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерные изменения атомной массы в рядах сходных элементов. Рис. 3.Сходные элементы располагаются в вертикальных рядах таблицы. Некоторые ячейки Ю.Л. Мейер оставил незаполненными.
5. Открытие периодического закона Д.И.Менделеевым
В марте 1869 года русский химик Д. И. Менделеев представил русскому химическому обществу сообщение об открытии им периодического закона химических элементов. В том же году вышло первое издание Менделеевского учебника «Основы химии», в котором была приведена его периодическая таблица.
В конце 1870 года Д. И. Менделеев делает доклад русскому химическому обществу под названием «Естественные системы химических элементов и применение её к указанию свойств еще неизвестных элементов». В этом докладе Д. И. Менделеев предсказывает существование трех еще неизвестных элементов: экасилиций, экабор и экаалюминий. Он утверждает, что свойства химических элементов, стоящих в одной группе, будут нечто средним между свойствами элементов, стоящих сверху и снизу данного элемента. Если рассматривать этот элемент в периоде, то он будет обладать средними свойствами элементов, стоящими слева и справа от него.
Рис. 4. Таблица химических элементов Менделеева
Еще алхимики пытались найти закон природы, на основе которого можно было бы систематизировать химические элементы. Но им недоставало надежных и подробных сведений об элементах. К середине XIX в. знаний о химических элементах стало достаточно, а число элементов возросло настолько, что в науке возникла естественная потребность в их классификации. Первые попытки классификации элементов на металлы и неметаллы оказались несостоятельными. Предшественники Д.И.Менделеева (И. В. Деберейнер, Дж. А. Ньюлендс, Л. Ю. Мейер) многое сделали для подготовки открытия периодического закона, но не смогли постичь истину. Дмитрий Иванович установил связь между массой элементов и их свойствами.
Дмитрий Иванович родился в г. Тобольске. Он был семнадцатым ребенком в семье. Закончив в родном городе гимназию, Дмитрий Иванович поступил в Санкт-Петербурге в Главный педагогический институт, после окончания которого с золотой медалью уехал на два года в научную командировку за границу. После возвращения его пригласили в Петербургский университет. Приступая к чтению лекций по химии, Менделеев не нашел ничего, что можно было бы рекомендовать студентам в качестве учебного пособия. И он решил написать новую книгу – «Основы химии».
Открытию периодического закона предшествовало 15 лет напряженной работы. 1 марта 1869 г. Дмитрий Иванович предполагал выехать из Петербурга в губернии по делам.
Видео-фильм о Д.И. Менделееве
II. Открытие Периодического закона
Периодический закон был открыт на основе характеристики атома – относительной атомной массы.
Менделеев расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных масс и заметил, что свойства элементов повторяются через определенный промежуток – период, Дмитрий Иванович расположил периоды друг под другом., так, чтобы сходные элементы располагались друг под другом – на одной вертикали, так была построена периодическая система элементов.
1 марта 1869г. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
К сожалению, сторонников периодического закона сначала было очень мало, даже среди русских ученых. Противников – много, особенно в Германии и Англии.
Открытие периодического закона – это блестящий образец научного предвидения: в 1870 г. Дмитрий Иванович предсказал существование трех еще неизвестных тогда элементов, которые назвал экасилицием, экаалюминием и экабором. Он сумел правильно предсказать и важнейшие свойства новых элементов. И вот через 5 лет, в 1875 г., французский ученый П.Э. Лекок де Буабодран, ничего не знавший о работах Дмитрия Ивановича, открыл новый металл, назвав его галлием. По ряду свойств и способу открытия галлий совпадал с экаалюминием, предсказанным Менделеевым. Но его вес оказался меньше предсказанного. Несмотря на это, Дмитрий Иванович послал во Францию письмо, настаивая на своем предсказании.
Ученый мир был ошеломлен тем, что предсказание Менделеевым свойств экаалюминияоказалось таким точным. С этого момента периодический закон начинает утверждаться в химии.
В 1879 г. Л. Нильсон в Швеции открыл скандий, в котором воплотился предсказанный Дмитрием Ивановичем экабор.
В 1886 г. К. Винклер в Германии открыл германий, который оказался экасилицием.
Но гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева и его открытия — не только эти предсказания!
В четырёх местах периодической системы Д. И. Менделеев расположил элементы не в порядке возрастания атомных масс:
Ещё в конце 19 века Д.И. Менделеев писал, что, по-видимому, атом состоит из других более мелких частиц. После его смерти в 1907 г. было доказано, что атом состоит из элементарных частиц. Теория строения атома подтвердила правоту Менделеева, перестановки данных элементов не в соответствии с ростом атомных масс полностью оправданы.
Современная формулировка периодического закона.
Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости структуры внешней валентной электронной оболочки.
И вот спустя более 130 лет после открытия периодического закона мы можем вернуться к словам Дмитрия Ивановича, взятым в качестве девиза нашего урока: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются». Сколько химических элементов открыто на данный момент? И это далеко не предел.
III. Периодическая система химических элементов
Графическим изображением периодического закона является периодическая система химических элементов. Это краткий конспект всей химии элементов и их соединений.
Изменения свойств в периодической системе с ростом величины атомных весов в периоде (слева направо):
1. Металлические свойства уменьшаются
2. Неметаллические свойства возрастают
3. Валентность элементов в формулах высших оксидов возрастает от I до VII, а в формулах летучих водородных соединений уменьшается от IV до I.
Основные принципы построения периодической системы
Как устанавливается последовательность элементов по номерам? (что положено в основу п.с.?)
Элементы расставлены в порядке увеличения их относительных атомных масс. При этом есть исключения.
Принцип объединения элементов в группы.
Качественный признак. Сходство свойств простых веществ и однотипных сложных.
Принцип объединения элементов в периоды.
Совокупность элементов по мере роста относительной атомной массы от одного щелочного металла до другого.
На сегодняшний день открыто 118 химических элементов, каждый из которых занял свою ячейку в Периодической системе. Новые открываемые элементы имеют большую относительную атомную массу, чем уже известные и попадают в конец таблицы. В настоящее время используются длинная и короткая формы периодических таблиц.
В ячейке таблицы записывается символ химического элемента, его название и порядковый номер, значение относительной атомной массы.
Рис. Информация о химическом элементе кислороде
При изучении школьного курса химии, как правило, пользуются короткой формой Периодической таблицы. Она содержит 8 вертикальных столбцов (групп), которые нумеруются римскими цифрами. Каждая группа включает в себя главную (А) и побочную (В) подгруппы.
У элементов главных подгрупп высшая валентность, как правило, равна номеру группы. Одними из исключений этого правила являются кислород (его валентность всегда равна II) и фтор (высшая валентность которого – I).
С помощью Периодической таблицы можно определить и низшую валентность элемента. Для этого из 8 (максимального числа групп) надо вычесть номер группы, в которой находится элемент. Например, высшая валентность фосфора равна V (т. к. фосфор находится в V группе), а низшая равна III. Только это правило применимо для элементов главных подгрупп V–VII групп.
Горизонтальные ряды химических элементов в Периодической таблице называются периодами. Пока их 7. Первые три периода называют малыми (первый период содержит всего 2 хим. элемента, а 2 и 3 – по 8 элементов). Периоды 4, 5, 6, 7 называются большими.
По положению элемента в Периодической системе можно определить его принадлежность к металлам или неметаллам. Для этого в короткой форме таблицы нужно провести диагональ от бериллия к астату. Элементы главных подгрупп, находящиеся выше этой диагонали (плюс водород), относятся к неметаллам. Все остальные элементы – металлы. Инертные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn не относят ни к металлам, ни к неметаллам.
В длинной форме таблицы можно провести диагональ от бора к астату. Все элементы, которые находятся ниже этой диагонали, образуют простые вещества металлы.
Рис. Длинная форма периодической системы химических элементов
По положению элемента в периодической системе можно получить информацию о его высшем оксиде и гидроксиде. У неметаллов высший оксид и гидроксид имеют кислотный характер, у металлов – основный, у переходных металлов оксид и гидроксид, как правило, амфотерные (см. рис.).
Рис. Связь свойств элементов и образованных ими соединений
Открытие новых химических элементов
С этого момента периодический закон и периодическая система Д. И. Менделеева становится общепризнанной всем мировым химическим сообществом. Особая заслуга Д. И. Менделеева заключается в том, что он не только расположил химические элементы в определенной последовательности, но и дал описательную характеристику своей периодической системы. При помощи её можно было предсказывать химические свойства различных химических элементов.
Д. И. Менделеев взял на себя смелость оставить пустые клетки в своей таблице и исправить некоторые значения атомных масс химических элементов, предсказать свойства еще неоткрытых целых групп соединений. Таким образом, Д. И. Менделеев является первооткрывателем одного из главных законов природы.
Спираль де Шанкуртуа
Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа (Франция) располагал все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс и полученный ряд наносил на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания под углом 45° к плоскости основания (т.н. земная спираль). При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами.
Так, на одну вертикаль попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т. д. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы — ничего общего с ними не имеющий титан.
Английский учёный Джон Ньюлендс в 1864 г. опубликовал таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав. Ньюлендс показал, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первого.
Ньюлендс пытался придать этой зависимости, действительно имеющей место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам.
Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест; в итоге закон октав был принят чрезвычайно скептически. Однако в его основе лежала правильная мысль о периодическом изменении свойств элементов с увеличением их атомного веса
Таблицы Олдинга и Мейра
В 1864 г. У.Олдинг опубликовал таблицу, в которой элементы были размещены согласно их атомным весам и сходству химических свойств, не сопроводив её, однако, какими-либо комментариями.
В том же 1864 г. появилась первая таблица немецкого химика Л. Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.
В 1870 г. вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием “Природа элементов как функция их атомного веса”, состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин “периодичность”, уже предложенный к тому времени Менделеевым.
В марте 1869 г. русский химик Д.И. Менделеев представил Русскому химическому обществу сообщение об открытии им Периодического закона химических элементов. В том же году вышло первое издание менделеевского учебника “Основы химии”, в котором была приведена его периодическая таблица.
В конце 1870 г. он доложил РХО статью “Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов”, в которой предсказал свойства нескольких не открытых ещё элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа).
В отличие от своих предшественников, Менделеев не только составил таблицу и указал на наличие несомненных закономерностей в численных величинах атомных весов, но и решился назвать эти закономерности общим законом природы. Он взял на себя смелость на основании предположения, что атомная масса предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых элементов и подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов.
В начале XX века Периодическая система элементов неоднократно видоизменялась для приведения в соответствие с новейшими научными данными. Д.И. Менделеев и У. Рамзай пришли к выводу о необходимости образования в таблице нулевой группы элементов, в которую вошли инертные газы. Инертные газы явились, таким образом, элементами, переходными между галогенами и щелочными металлами. Б. Браунер нашёл решение проблемы размещения в таблице редкоземельных элементов, предложив в 1902 г. помещать все РЗЭ в одну ячейку; в предложенном им длинном варианте таблицы шестой период таблицы был длиннее, чем четвёртый и пятый, которые в свою очередь длиннее, чем второй и третий периоды.
Дальнейшее развитие Периодического закона в было связано с успехами физики: установление делимости атома на основании открытия электрона и радиоактивности в конце концов позволило понять причины периодичности свойств химических элементов и создать теорию Периодической системы.
Кроссенс – это ассоциативная головоломка.
Рассмотрите изображения. Как они связаны с темой этого урока?
Александр Леонидович Субботин:
Классификация.
Глава 5. Основные элементы классификации
Классификации могут обнимать объекты самого различного рода: и непосредственно чувственно воспринимаемые в целом, как, например, кристаллы или живые организмы; и такие сложные, не охватываемые в своей целостности непосредственным восприятием системы, как языки; и такие абстрактные, умственные конструкции математики, как числа, функции, группы, решётки. При этом надо отчётливо отличать классификацию от простого описания. Может существовать очень подробное и точное описание различных объектов некоей предметной области, но такое описание ещё далеко не является их классификацией. Классификация есть форма систематизации посредством определённого распределения этих объектов по группам, для которой описание может быть и часто бывает подготовительной стадией, так сказать, стадией предварительного освоения этой предметной области как базы для возможного классифицирования. Классификацию отличает от самого точного и совершенного описания наличие трёх отчётливо обозначенных структурных элементов: множества установленных групп подобных объектов; оснований, по которым объекты объединяются в группы; принципа или закона, согласно которому все группы соединяются, организуются в единую систему.
По некоторым свойствам, означающим те особенности объектов, в которых они схожи между собой и отличны от других объектов, осуществляется объединение объектов в классификационные группы. Основание, по которому они объединяются в группу, является наиболее важным элементом классификации; с ним связаны самые существенные характеристики классификации, и правильность его выбора определяет успех и в деле её создания, и в выполнении классификацией своих функций. Это основание может быть более или менее существенным, нести больше или меньше информации. Если группировка осуществляется лишь в целях надёжной и удобной регистрации рассматриваемых объектов, их обзора и распознавания, её информативность одна. Но эта информативность несравнимо бульшая, когда речь идёт об основании, объединяющем объекты в группы по их природной общности, в соответствии с полнотой понимания их содержания. В основание таких группировок обычно кладутся не отдельные или немногие свойства объектов, а возможно большее число их постоянных и неизменных свойств, устойчиво сосуществующих или коррелированных. Например, в зоологии в качестве признаков, используемых для распределения организмов по таксономическим группам, служат: морфологические свойства, связанные с внешним видом и внутренним анатомическим строением, эмбриогенезом и цитологическими различиями; физиологические свойства, связанные с особенностями обмена веществ, биохимическими различиями и генетическими факторами; экологические свойства, связанные с местом обитания, потребляемой пищей, сезонной изменчивостью и сопутствующими паразитами; этологические свойства, связанные с различными особенностями поведения; географические свойства, связанные с общими биогеографическими особенностями, а также с особенностями взаимоотношения популяций.
Другим элементом строения классификации являются классификационные группы. Совокупность таких групп, организованных в единую систему, составляет тело классификации. Группу образуют сходные в своих свойствах объекты; и в содержании понятия, означающего такую группу, мыслятся общие им сходные свойства при отвлечении от индивидуальных различий этих объектов, которые могут варьировать, не сказываясь, однако, на постоянстве общих сходных свойств. Группа может характеризоваться не одним, а целым комплексом свойств, когда ни одно отдельно взятое свойство не достаточно для установления принадлежности к ней объекта, как не существует и какого-либо одного свойства, необходимого для установления такой принадлежности. При этой ситуации (достаточно часто встречающейся в биологических систематиках) в понятии о группе мыслятся не только свойства безусловно общие всем объектам группы, но вся совокупность тех свойств, из которых все встречаются у большинства этих объектов, а большинство — у всех. Группы могут быть по-разному организованы в системе классификации. Классификация химических элементов, представленная таблицей Менделеева, включает в себя восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы — главную и побочную. В таблице Менделеева они занимают восемь вертикальных столбцов. В иерархических биологических систематиках — в ботанике и зоологии — содержится большое количество классификационных групп различных категорий: от вида до отдела или типа. Все они располагаются на двух десятках уровней разветвлённой иерархической системы. Как правило, классификационные группы чётко очерчены. Классификаторы стремятся строить жёсткие системы, даже если предмет их исследования гибок, и создают точные классификационные группы. Необходимость создания чётких и твёрдых категорий там, где имеются объекты с промежуточными, переходными свойствами, составляет одну из главных проблем в классификационной работе. Однако в случаях типологических классификаций допускаются нечёткие, размытые на своих границах группы.
Третьим основным элементом классификации является тот общий принцип, который составляет стержень классификационной системы в целом. Этот принцип определяет как общность свойств у объектов, принадлежащих к одним и тем же группам, так и характер отношений между разными группами. Для генеалогических классификаций это принцип родства, общности происхождения от одного предка. Для генетических классификаций это то, что причинно обуславливает возникновение подобных друг другу объектов. Для классификации химических элементов, например, это характер строения атома. С таким принципом связан теоретический уровень организации классификации. Если формирование классификационных групп, предполагающее тщательную работу по изучению сходства и различия объектов, представляет собой эмпирическую стадию становления классификации, то с нахождением и исследованием такого общего принципа связана собственно теоретическая стадия её разработки. Насколько такая разработка обогащает саму классификацию, можно видеть на примере Периодической системы Менделеева. Учение о строении атома вложило такой богатый новый смысл даже в её наглядное табличное изображение (номер периода как показатель числа электронных слоёв у атомов элементов этого периода, номер группы как показатель числа электронов в наружном электронном слое у атомов элементов главной подгруппы этой группы), какой вряд ли мог предположить её создатель. В теоретической стадии разработки классификация включается в сферу самого тесного взаимодействия с той теорией, откуда проистекает её стержневой принцип, и теперь её дальнейшая судьба связывается с этой теорией.
Примечания
Список примечаний представлен на отдельной странице, в конце издания.