Хімія - Дидактичні матеріали для 8 класу. Частина 2 - 2016 рік

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ПЕРІОДИЧНОГО ЗАКОНУ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА

О. І. Рихлік, старший учитель хімії вищої категорії Конотопської ЗОШ № 13

Проект. Історія відкриття періодичного закону Д. І. Менделєєва

Тип проекту: інформаційний.

Мета проекту: зібрати й узагальнити інформацію про історію відкриття періодичного закону Д. І. Менделєєва. Учасники проекту: учні 8 класу.

ЗМІСТ

I. Вступ

II. Історія відкриття періодичного закону хімічних елементів

2.1. Попередники Д. І. Менделєєва про систематизацію хімічних елементів

2.2. Відкриття періодичного закону Д. І. Менделєєва

III. Висновок

Література

І. ВСТУП

В історії розвитку науки відомо багато великих відкриттів. Але деякі з них можна зіставити з тим, що зробив Менделєєв, найвидатніший хімік світу. Хоча з часу відкриття його закону минуло багато років, ніхто не може сказати, коли буде до кінця зрозумілий увесь зміст знаменитої «таблиці Менделєєва».

За словами самого Дмитра Івановича Менделєєва, відкриттю періодичного закону сприяло накопичення «до кінця 1860-х років таких нових відомостей про рідкісні елементи, які відкрили їхні різнобічні зв'язки між собою й іншими елементами». Можна перелічити й ряд інших даних, які доповнювали уявлення про подібність елементів і їхніх властивостей: вивчення ізоморфізму, введення поняття про валентності, розробка нових способів визначення атомних мас, обговорення гіпотези Праута та ін. Дійсно, уже в 1850-1860-ті роки було здійснено понад десяток спроб знайти систему елементів, що заслуговують на увагу.

Особливо цікава щодо цього дисертація Н. Алишевського (1865), який писав: «Останнім часом за величезної кількості матеріалів у хімії дедалі більше пробивається прагнення систематизувати, групувати вироблені факти. Сучасні хіміки дійшли висновку, що багато хімічних елементів, досить різні за зовнішніми фізичними властивостями, у своїх хімічних функціях дуже подібні, навіть тотожні між собою». І ще: «Якщо... природні групи встановляться в неорганічній хімії для всіх, поки ще розрізнених, хімічно неподільних тіл, тоді вивчення їх реакцій полегшиться найвищою мірою, а разом з тим з'явиться можливість зробити ті висновки, установити такі закони, які досі були долею тільки однієї органічної хімії».

Але якщо рівень знань епохи об'єктивно визначив можливість наукового вирішення проблеми, то від рівня знань ученого та його світогляду залежало перетворити цю можливість на дійсність. Це невипадково вдалося здійснити Менделєєву.

ІІ. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ПЕРІОДИЧНОГО ЗАКОНУ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

2.1. Попередники Д. І. Менделєєва про систематизацію хімічних елементів

З історії хімії відомо, що першу спробу класифікації елементів зробив великий французький вчений А. Лавуазьє, який поділяв елементи за дуже примітивним принципом на метали й неметали. Далі цей поділ відстоював шведський учений Я. Берцеліус, користуючись при цьому своїм правилом електрохімічного дуалізму (що допускає лише сполучення елементів з різними електричними зарядами — позитивним і негативним). Ця перша класифікація елементів, що бере початок з кінця XVIII ст., за всієї своєї обмеженості не позбавлена логічної основи. Справа в тому, що й пізніше й навіть тепер ми користуємося певним рядом ґрунтовних ознак, які притаманні металам, для опису властивостей того чи іншого елемента. Разом з тим уся багатогранність хімічних перетворень не може бути зведена до двох типів ознак — металічності й неметаліч- ності. Саме тому вже в перших десятиліттях XIX ст. робили спроби більш досконалої класифікації елементів.

У XIX ст. у зв'язку з розкриттям подібності у властивостях багатьох елементів дослідники починають шукати певний взаємозв'язок, якому повинні бути підпорядковані всі елементи. Цікавою в цьому відношенні була спроба німецького вченого Й. В. Деберейнера, який звернув увагу на існування ряду потрійних аналогій серед хімічних елементів. В опублікованій 1829 р. роботі Й. В. Деберейнер сформулював правило тріад, згідно з яким наведено кілька рядів подібних елементів; між трьома спорідненими елементами в кожному цьому ряді існує залежність, у якій атомна маса середнього елемента є середнім арифметичним атомної маси більш легкого й більш важкого елементів. Наприклад: елемент Літій має атомну масу 6,94, а Калій — 39,10. Обчислення атомної маси Натрію слід проводити так: = 23,02 — атомна маса Натрію.

Але Деберейнер не зміг згрупувати всі елементи в тріади. Він виділив лише такі тріади: Літій, Натрій, Калій; Кальцій, Стронцій, Барій; Фосфор, Арсен, Стибій; Сульфур, Селен, Телур; Хлор, Бром, Йод.

Відкрите ним часткове правило не говорило нічого про можливість наукового передбачення, а отже, не змогло відповісти на ті питання, що висувала хімія середини XIX ст.

Ідея Деберейнера одержала розвиток у дослідженнях М. І. Петтенкофера, який звернув увагу на те, що хімічні еквіваленти подібних між собою елементів відрізняються частіше за все на числа, кратні 8. Таблиця Петтенкофера включала вже 18 елементів. Класифікаційний принцип Деберейнера — Петтенкофера був підтриманий працями Ж. Б. Дюма, який поділив усі відомі елементи на шість груп, що включали споріднені елементи: Гідроген, Флуор, Хлор, Бром; Оксиген, Сульфур, Селен; Нітроген, Фосфор, Арсен; Карбон, Силіцій; Бор. Дюма зазначав, що атомна маса й хімічні властивості середніх елементів є немовби середнім арифметичним властивостей і атомної маси крайніх елементів.

Подібні спроби класифікації були також зроблені рядом інших учених. 1857 р. Є. Ленсен створив класифікацію елементів, у якій було об'єднано двадцять тріад одночасно. Окремі тріади в Ленсена були представлені поодинокими елементами, іноді двома.

Цікаву класифікацію, що давала вказівку на споріднення елементів за походженням, створив французький геолог Б. де Шанкуртуа. 1862 р. він розташував усі елементи за порядком збільшення їхньої атомної ваги по висхідній спіралі, обернутій на поверхні циліндра (під кутом 45° до основи), поділеній шістнадцятьма вертикальними лініями. Кожний наступний елемент займав місце в точці перетинань спіралі з вертикальною лінією. Завдяки цьому в багатьох випадках подібні елементи розміщувалися вздовж по вертикалі.

1863 р. англійський хімік Дж. Ньюлендс помітив, що за послідовного розташування елементів у ряд відповідно до збільшення їхніх атомних ваг (еквівалентів), кожний восьмий елемент повторює властивості першого. Він виділив сім таких груп (октав). Але й у цьому випадку елементи розташовувалися не закономірно, а випадково, підганялися під емпіричне правило. Досить часто схожі елементи не потрапляли в один ряд, і навпаки, відмінні за властивостями елементи перебували один від одного через сім на восьмому місці. Отже, і правило Ньюлендса не моглопоширитися на всі елементи, оскільки в його основі лежала механістична ідея найпростішого й різкого розподілу елементів за групами.

Можна було б указати й на спробу класифікації елементів, зроблену англійським ученим В. Одлінгом (1857 р.), який спочатку вважав за доцільне розділити всі відомі елементи на 13 груп (головним чином за тріадами), а пізніше (1864 р.) намагався побудувати систематику хімічних елементів за зміною атомної маси.

1864 р. німецький хімік Л. Мейєр опублікував схему, у якій елементи були розділені на шість груп за ознакою однакової валентності. Він помітив, що у схожих елементів з однаковою валентністю атомна маса має однакову різницю. Але класифікаційний принцип, в основу якого була покладена валентність, не міг призвести до відкриття взаємозв'язку між усіма елементами, оскільки він не допускав змінного характеру валентності. У таблиці Л. Ме- йєра часто була відсутня аналогія у вертикальних стовпчиках елементів. Вона відображала в основному ті аналогії, на які вже вказував В. Одлінг (1857 р.), і значно поступалася принципам, якими керувалися Шанкуртуа й Ньюлендс.

1870 р. Л. Мейєр удруге запропонував таблицю, де всі елементи було розподілено вже на 9 колонок; у пояснювальному тексті він навіть говорив про хімічну періодичність. Але ця робота Л. Мейєра була виконана на рік пізніше повідомлення Менделєєва й мала на собі вплив останнього. Л. Мейєр слідом за Ж. Дюма й Д. І. Менделєєвим дав графічне зображення залежності атомних об'ємів елементів від величини атомної ваги, яку досить наочно ілюструвало існування періодичності властивостей елементів.

Таким чином, уже в 50-60-х роках позаминулого століття багато хіміків-дослідників звертаються до проблеми систематики елементів, роблять спроби знайти загальну залежність між елементами. Проте вони не зуміли відкрити періодичний закон з двох причин: по-перше, всі вони зосереджували увагу на правилах класифікації, а не на законі, що має визначити природу цієї класифікації, і, по-друге, їхній метод дослідження був метафізичний. Формальна логіка, застосована як основний метод пізнання, призводила до поділу елементів на відірвані одна від однієї групи, не давала можливості вченим побачити за подібністю відмінності, зблизити протилежні за своїми властивостями елементи.

Всі попередні спроби класифікації вдало охарактеризував Д. І. Менделєєв. Він указував на односторонність методів аналізу відношень між елементами й говорив про те, що попередні системи були штучні, бо їм не вистачало твердих об'єктивних принципів. У той же час Д. І. Менделєєв неодноразово підкреслював, що всі попередні класифікації мали велике значення, бо в них по зернах накопичувалися необхідні хімічні знання про кількісні та якісні зміни властивостей елементів, про подібність елементів певних груп, які стали передумовою відкриття періодичного закону.

2.2. Відкриття періодичного закону Д. I. Менделєєва

1865 р. у Д. І. Менделєєва, професора кафедри технічної хімії Петербурзького університету, виникла гостра необхідність створити новий підручник з неорганічної хімії, який би відбивав сучасний рівень розвитку хімічної науки. Одночасно він почав збирати матеріал для другого випуску підручника, куди повинен був увійти опис хімічних елементів.

Менделєєв ретельно вивчив опис властивостей елементів і їхніх сполук. Але в якому порядку їх проводити? Ніякої системи розташування елементів не існувало. Тоді вчений зробив картонні картки. На кожну картку він записував назву елемента, його атомну вагу, формули сполук і основні властивості. Поступово кошик наповнювалася картками, що містили відомості про всі відомі до цього часу елементи. Проте тривалий час нічого не виходило. Говорять, що періодичну таблицю елементів учений побачив уві сні, залишалося її лише записати й обґрунтувати.

Дмитро Іванович Менделєєв, як і його попередники, основною характеристикою елемента вибрав його атомну масу (атомну вагу). Але на відміну від попередників, Д. І. Менделєєв шукав закономірність у зміні атомних мас не лише у схожих елементів, а також у несхожих. Метою його пошуків було знайти закономірність, яка об'єднувала б усі елементи в єдину систему. Учений прийшов до відкриття періодичного закону внаслідок зіставлення властивостей та відносних атомних мас елементів різних природних груп, таких як лужні метали, лужноземельні метали, галогени, група Оксигену, група Нітрогену, група Карбону. Д. І. Менделєєв розташовував природні групи так, щоб елементи кожної з двох сусідніх груп мали близькі значення відносних атомних мас. У результаті він оформив таблицю, яка стала прообразом сучасної періодичної таблиці елементів. Потім природні групи елементів були покладені в основу періодичної таблиці, а ряди елементів, які розташовані за порядком поступового збільшення значень відносних атомних мас,— в основу періодів таблиці.

Порівнюючи хімічні властивості відомих на той час галогенів, лужних і лужноземельних металів, Д. І. Менделєєв зробив висновок, згідно з яким протягом збільшення атомних мас елементів із переходом від галогенів до лужних металів, а потім від лужних до лужноземельних хімічні властивості простих речовин кожного разу закономірно змінюються від неметалічних у галогенів до виражених металічних у лужних металів. Під час переходу від лужних до лужноземельних металів металічні властивості зменшуються. Отже, Д. І. Менделєєв довів, що в разі збільшення атомних мас хімічні властивості елементів та їх сполук, а також хімічні властивості відповідних простих речовин змінюються закономірно, періодично повторюючись через певне число елементів.

Але, звичайно ж, відкриття було зроблено ним не випадково, тому що в його діяльності органічно поєднувалися теорія й практика, знання фізичної сторони явища, математична інтуїція й філософське осмислення. Крім того, Менделєєв умів критично ставитися до робіт своїх попередників і сучасників. Не перенасичуючи себе інформацією, він ніби пропускав отримані дані через призму ще не сформованої концепції й, подібно скульпторові, викидав усе зайве.

Поступово Менделєєв зрозумів, що зі зміною атомної ваги змінюються й властивості елементів. Добігав кінця лютий 1869 року. Через кілька днів рукопис статті, що містив таблицю елементів, був закінчений і зданий до друку.

1 березня 1869 року Д. І. Менделєєв відправив у друкарню аркуш, на якому був записаний його «Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній масі й хімічній подібності», згідно з яким властивості простих тіл, а також форми та властивості сполук елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних ваг елементів. Через два тижні він представив у Російське хімічне товариство статтю «Співвідношення властивостей з атомною масою елементів». Повідомлення про відкриття Менделєєва було зроблено редактором «Журналу Російського хімічного товариства» професором Н. А. Меншуткіним на засіданні товариства 6 березня 1869 року. Сам Менделєєв на засіданні не був присутній, тому що в цей час за завданням Вільного економічного товариства він обстежував сироварні Тверської та Новгородської губерній.

З того дня, коли за простими рядами символів хімічних елементів Менделєєв побачив прояв закону природи, інші проблеми відійшли на задній план. Він закинув роботу над підручником «Основи хімії», не займався й дослідженнями. Розподіл елементів таблиці здавався йому недосконалим. На його думку, атомні маси в багатьох випадках були визначені неточно, і тому деякі елементи не потрапляли на місця, що відповідають їхнім властивостям. Узявши за основу періодичний закон, Менделєєв змінив атомні маси цих елементів і поставив їх в один ряд з подібними за властивостями елементами.

У статті, що вийшла німецькою мовою в «Анналах», видаваних Лібіхом, Менделєєв відвів велике місце розділу «Застосування періодичного Закону для визначення властивостей іще не відкритих елементів». Він пророкував і докладно описав властивості трьох не відомих ще науці елементів — екабору, екаалюмінію й екасиліцію.

Здавалося, для Менделєєва питання про періодичний закон було вичерпане. Але одного разу восени 1875 року, коли він переглядав доповіді Паризької Академії наук, то побачив повідомлення Лекока де Буабодрана про відкриття нового елемента, названого ним Галієм. Однак французький дослідник указав питому масу Галію — 4,7, а за підрахунками Менделєєва, в екаалюмінію виходило 5,9. Менделєєв вирішив написати вченому, указавши, що, судячи з властивостей відкритого ним Галію, це не що інше, як передбачений 1869 року екаалюміній.

Дійсно, більш точні визначення питомої ваги Галію дали значення 5,94. Відкриття Галію викликало справжню сенсацію серед учених. Імена Менделєєва й Лекока де Буабодрана відразу стали відомі всьому світу. Вчені, натхненні першим успіхом, почали шукати інші, ще не відкриті елементи, які були передбачені Менделєєвим. У десятках лабораторій Європи закипіла робота, сотні вчених мріяли про незвичайні відкриття.

І успіхи не змусили себе довго чекати. 1879 року професор Ларе Фредерік Нільсон, що працював в Упсальському університеті (Швеція), відкрив новий елемент, що повністю відповідає описаному Менделєєвим екабору. Він назвав його Скандієм. Повторне доведення Менделєєва викликало дійсний тріумф. Незабаром почали надходити повідомлення про обрання Менделєєва почесним членом різних європейських університетів і академій.

Чудовим підтвердженням менделєєвського закону стала й відкрита Рамзаєм група інертних газів, що дала можливість включити в систему «нульову» групу, перехідну між лужними металами й металоїдами. Сам Менделєєв писав про «закріплювачів» закону: «Писавши 1871 року статтю про додаток періодичного закону до визначення властивостей ще невідкритих елементів, я не думав, що доживу до виправдання цього наслідку періодичного закону, але дійсність відповіла інакше. Я описав три елементи: екабор, екаалюміній і екасиліцій, і не минуло й 20 років, як я мав уже величезну радість бачити всі три відкритими. Вони отримали свої імена від тих трьох країн, де знайдено рідкі мінерали, їхні складові, й де зроблено їх відкриття: Галій, Скандій і Германій. Л. де Буабодрана, Нільсона й Вінклера, що їх відкрили, я, зі свого боку, вважаю щирими зміцнювачами періодичного закону. Без них він не був би визнаний у такій мірі, як це трапилося нині. У такій же мірі я вважаю Рамзая утверджувачем періодичного закону...»

У 1870-х і, особливо, в 1880-х роках було відкрито ряд досить подібних між собою рідкоземельних елементів, таких як Ітербій, Самарій, Неодим, Тулій, Гадоліній і т. д. Труднощі, пов'язані з розміщенням цих елементів по певних місцях періодичної системи, змусили деяких хіміків висловити свої сумніви відносно правильності самого періодичного закону. Але від цього переконання Д. І. Менделєєва в тому, що подальші успіхи не зруйнують періодичний закон, а ще більше ствердять його, аніскільки не похитнулось.

Періодичний закон став тією базою, на якій було створено такі вчення, як теорія будови атома, теорія ядра атома, вчення про ізотопи тощо.

ІІІ. ВИСНОВОК

Сьогодні зрозуміло, що в менделєєвському відкритті злилися воєдино три лінії розвитку хімії: пошуки систематики різних об'єктів хімії (від атомів до кристалів) у їхньому взаємозв'язку — їх об'єднало поняття «хімічний елемент»; вивчення індивідуальності елементів, особливо тих, що рідко застосовувались,— і це дозволило розкрити поняття елемент-аналогії; вивчення взаємозв'язку властивостей зі складом і будовою сполук, що призвело до формування цілісного вчення про періодичність.

Вагомий внесок у вчення про періодичний закон і пов'язані з ним фізико-хімічні й геохімічні вчення зробили у ХХ ст. вчені Росії, Англії, Франції, США, Польщі, Данії, Швеції та ін. Міжнародний характер періодичного закону Д. І. Менделєєва відображений у тому факті, що назви знайденим елементам дали на честь окремих країн або регіонів: Європій — на честь усієї Європи, Полоній — Польщі, Скандій — Скандинавії, Реній — Рейнська область у Німеччині та ін.

У зв'язку з цим особливий сенс має назва 101-го елемента — Менделєвій. Той факт, що ім'я російського вченого дали цьому елементу, який відкрили американські вчені, символізує собою винятково вагому роль Менделєєва в розвитку світової науки.

ЛІТЕРАТУРА

1. Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева: Пособие для учащихся.— М. : Просвещение.

2. Голуб А. М, Петрусенко А. М. Періодичний закон Д. І. Менделєєва — фундаментальний закон природи.— К., 1960.

3. Макареня А. А., Рысев Ю. В. Д. И. Менделеев.— М. : Просвещение, 1988.

4. Менделеев Д. И. Периодический закон.— М., 1958.

5. Раков Е. Г. Менделеев — невоспетый герой?! // Химия.— 2000.— № 12.

6. Періодичний закон та періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Наукове значення періодичного закону.— Режим доступу: http://shkolyar.in.ua/mendeleev





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити