История открытия Периодического закона и Периодической

Министерство образования и науки Российской Федерации
Управление образования Администрации г. Твери
Муниципальное образовательное учреждение
«Вечерняя (сменная) общеобразовательная школа № 2» г. Твери
Конкурса ученических рефератов «Кругозор»
Реферат на тему:
История открытия Периодического закона и Периодической системы
химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева
Автор:
ученица 8-в группы МОУ ВСОШ № 2 г. Твери
Алексеева Надежда Сергеевна
Руководитель:
учитель химии высшей категории
МОУ ВСОШ № 2 г. Твери
Баранова Надежда Владимировна
ТВЕРЬ 2012
Содержание
Введение………………………...........................................................................3
1.Предпосылки открытия Периодического закона Д.И.Менделеевым……..4
1.1. Классификация Й.Я. Берцелиуса………………………………………..4
1.2. Триады Дёберейнера и первые системы элементов…………………….4
1.3. Спираль де Шанкуртуа ………………………………………………..5
1.4.Октавы Ньюлендса…………………………………………………………6
1.5.Таблицы Одлинга и Мейера……………………………………………….7
2.Открытие Д.И. Менделеевым Периодического закона…………………...9
Заключение…………………………………………………………………. 16
Список литературы………………………………………………………….17
2
Введение
Периодический
система
закон
химических
и
Периодическая
элементов
Д.И.
Менделеева – основа современной химии.
Рис.1. Д.И.Менделеев
Именем
Д.И.Менделеева
названы
города,
заводы,
учебные
заведения, научно-исследовательские институты. В честь Д.И. Менделеева
в России утверждена золотая медаль – она присуждается за выдающиеся
работы по химии. Имя ученого присвоено Российскому химическому
обществу. В честь Д.И.
Менделеева ежегодно в Тверской области
проводятся Региональные Менделеевские чтения. Даже элементу с
порядковым номером 101 было дано название менделевий, в честь
Дмитрия Ивановича.
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.
Цель работы: изучить предпосылки возникновения периодического
закона и периодической системы химических элементов и оценить вклад в
данное открытие Дмитрия Ивановича Менделеева.
3
1.Предпосылки открытия Периодического закона Д.И.Менделеевым
Поиски основы естественной классификации химических элементов и
их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона.
Ко времени открытия Периодического закона было известно 63
химических элемента, описаны состав и свойства их соединений.
1.1 Классификация Й.Я. Берцелиуса
Выдающийся шведский химик Й.Я. Берцелиус 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 [1].
Таблица 1. Классификация Й.Я. Берцелиуса
Химические элементы
Металлы
Неметаллы
Fe-Железо
C-углерод
Cu-Медь
S-сера
Al-Алюминий
P-фосфор
Hg-ртуть
O2-кислород
1.2. Триады Дёберейнера и первые системы элементов
В 1829 году немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер
предпринял первую значимую попытку систематизации элементов. Он
заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно
объединить по три в группы, которые он назвал триадами.
4
Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том,
что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме
(среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов
триады. Несмотря на то, что триады Деберейнера в какой-то мере являются
прообразами менделеевских групп, эти представления в целом ещё
слишком несовершенны. Отсутствие магния в едином семействе кальция,
стронция и бария или кислорода в семействе серы, селена и теллура
является результатом искусственного ограничения совокупностей сходных
элементов лишь тройственными союзами. Очень показательна в этом
смысле неудача Деберейнера выделить триаду из четырех близких по
своим свойствам элементов: P, As, Sb, Bi. Дёберейнер отчётливо видел
глубокие аналогии в химических свойствах фосфора и мышьяка, сурьмы и
висмута, но, заранее ограничив себя поисками триад, он не смог найти
верного решения. Спустя полвека Лотар Майер скажет, что если бы
Дёберейнер хоть ненадолго отвлекся от своих триад, то он сразу же увидел
бы сходство всех этих четырех элементов одновременно [1].
Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру,
естественно, не удалось, закон триад явно указывал на наличие
взаимосвязи между атомной массой и свойствами элементов и их
соединений. Все дальнейшие попытки систематизации основывались на
размещении элементов в соответствии с их атомными массами.
1.3. Спираль де Шанкуртуа (1862 г.)
Профессор Парижской высшей школы Александр Бегье
де
Шанкуртуа 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
5
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 [1]. Так впервые родилась мысль
о периодичности свойств элементов, но на нее не обратили внимания, и
вскоре она оказалась забытой.
1.4.Октавы Ньюлендса
Вскоре после спирали де Шанкуртуа американский учёный Джон
Ньюлендс сделал попытку сопоставить химические свойства элементов с
их атомными массами. Расположив элементы в порядке возрастания их
атомных масс, Ньюлендс заметил, что сходство в свойствах проявляется
между
каждым
восьмым
элементом.
Найденную
закономерность
Ньюлендс назвал законом октав по аналогии с семью интервалами
музыкальной гаммы. В своей таблице он располагал химические элементы
в вертикальные группы по семь элементов в каждой и при этом
обнаружил, что (при небольшом изменении порядка некоторых элементов)
сходные по химическим свойствам элементы оказываются на одной
горизонтальной линии. Джон Ньюлендс [1], безусловно, первым дал ряд
элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, присвоил
химическим элементам соответствующий порядковый номер и заметил
систематическое
соотношение
между
этим
порядком
и
физико-
химическими свойствами элементов. Он писал [1], что в такой
6
последовательности повторяются свойства элементов, эквивалентные веса
(массы) которых отличаются на 7 единиц, или на значение, кратное 7, т. е.
как будто бы восьмой по порядку элемент повторяет свойства первого, как
в музыке восьмая нота повторяет первую.
до
ре
ми
фа
соль
ля
си
H
Li
Be
B
C
N
O
F
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
K
Ca
Cr
Ti
Mn
Fe
Co
Cu
Zn
Y
In
As
Se
Рис.2. Октавы Ньюлендса
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.
Лондонское химическое общество встретило его закон октав равнодушно и
предложило Ньюлендсу попробовать расположить элементы по алфавиту и
выявить какую-либо закономерность.
1.5.Таблицы Одлинга и Мейера
7
В 1864 году Уильям Одлинг 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 году появилась первая таблица немецкого химика
Лотара 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.
-
-
-
-
Li
Be
C
N
O
F
Na
Mg
Si
P
S
Cl
K
Ca
-
As
Se
Br
Rb
Sr
Sn
Sb
Te
Y
Cs
-
Rb
Bi
-
-
-
Ba
Рис.3.Таблица химических элементов Мейера
В 1870 году вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под
названием «Природа элементов как функция их атомного веса»,
состоявшая из девяти вертикальных столбцов [1]. Сходные элементы
располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер
оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости
атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный
8
пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин «периодичность»,
уже предложенный к тому времени Менделеевым.
2. Открытие Д.И. Менделеевым Периодического закона
Существует несколько рассказов близких Д.И. Менделееву людей о
том, как был открыт периодический закон; эти рассказы передавались
очевидцами устно, затем проникли в печать и стали своего рода легендами,
проверить которые до сих пор не представилось возможным из-за
отсутствия соответствующих документальных данных[2,3,4]. Интересен
рассказ профессора геологии СПб. Университета А.А. Иностранцева
(1843-1919), близкого друга Д.И. Менделеева [5]. А. А. Иностранцев,
посещавший Д.И. Менделеева
как раз в те дни, когда он открывал
периодический закон, приводит любопытные штрихи того, как Д.И.
Менделеев трудился над созданием своей системы элементов И.И. Лапшин
[6], опубликовавший рассказ А.А. Иностранцева, писал:
«О
завершающей
творческий
процесс
интуиции
Менделеева
заслуженный профессор Александр Александрович Иностранцев Любезно
сообщил мне в высшей степени интересные вещи. Однажды, уже будучи
секретарем физико-математического факультета, А.А. зашел проведать
Менделеева, с которым, как ученый и близкий друг, был в непрестанном
духовном общении. Видит: Д.И. стоит у конторки, по-видимому, в
мрачном, угнетенном состоянии.
- Чем вы заняты, Дмитрий Иванович?
Менделеев заговорил о том, что впоследствии воплотилось в
периодическую систему элементов, но в ту минуту закон и таблица еще не
были сформированы: «Все в голове сложилось,- с горечью прибавил
Менделеев, - а выразить таблицей не могу». Немного позднее оказалось
следующее. Менделеев три дня и три ночи, не ложась спать, проработал у
конторки,
пробуя
скомбинировать
9
результаты
своей
мысленной
конструкции в таблицу, но попытки достигнуть этого оказались
неудачными. Наконец, под влиянием крайнего утомления Менделеев лег
спать и тотчас заснул. «Вижу во сне таблицу, где элементы расставлены
как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги, - только в одном
месте впоследствии оказалась нужной поправка» [6].
Далее необходимо учесть свидетельство самого Д.И. Менделеева в
"Основах химии" о том, как он при окончательном оформлении своей
классификации элементов воспользовался карточками, на которых были
написаны данные об отдельных элементах [2,3]. Карточки были нужны
Д.И. Менделееву именно для выявления неизвестной ещё зависимости
между элементами, а вовсе не для её окончательного оформления. А
главное, о чем свидетельствует первоначальный черновик таблицы [2,3],
карточки с написанными на них элементами располагались Д.И.
Менделеевым первоначально не в порядке групп и рядов (периодов), а
только в порядке групп (периоды ещё не были вначале открыты). Группы
же размещались одна под другой и это именно размещение групп привело
к открытию, что вертикальные столбцы (периоды) элементов примыкают
друг к другу, образуя общий непрерывный ряд элементов, в котором
периодически повторяются определенные химические свойства. В этом,
собственно
говоря,
и
состояло
открытие
Д.И.
Менделеевым
периодического закона.
К тому же, если бы Д.И. Менделееву было уже известно
существование не только групп, но и периодов элементов, то не было бы
никакой нужды прибегать к карточкам для отдельных элементов.
Третий рассказ, переданный опять-таки со слов самого Д.И.
Менделеева, исходит от близкого друга Д.И. Менделеева - выдающегося
чешского химика Б.Ф. Браунера [6]. Этот рассказ был опубликован
Браунером в 1907г. после смерти его великого друга; в 1930г. он был
перепечатан в сборнике трудов чехословацких химиков. Во время второй
10
мировой войны этот рассказ привел Gerald Druce в написанной им
биографии Богуслава Браунера. По словам Браунера [6], Д.И. Менделеев
рассказал ему о том, каким образом составление учебника по химии, т.е.
"Основ химии", помогло открыть и сформулировать периодический закон.
"Когда я начал писать мой учебник,- говорил Д.И. Менделеев
Браунеру,- я чувствовал, что необходима система, которая позволила бы
мне распределить химические элементы. Я нашел, что все существующие
системы являются искусственными, а потому непригодны для моей цели; я
же добивался установления естественной системы. С этой целью я написал
на маленьких кусочках картона знаки элементов и их атомные веса, после
чего я начал группировать их различными способами соответственно их
сходству. Но этот способ не удовлетворял меня до тех пор, пока я не
расположил картонки одну после другой соответственно возрастанию
атомного веса. Когда я расположил в таблице первый ряд:
H=1, Li=7, Be=9, B=11, C=12, N=14, O=16, F=19,
я обнаружил, что следующие элементы могут образовывать второй
ряд под первым, но начинающиеся под литием. Далее я нашел, что в этом
новом ряду:
Na=23, Mg=24, Al=27, Si=28, P=31, S=32, Cl=35,5
у натрия повторяется каждое свойство лития; то же происходит у
следующих элементов. Такое же повторение встречается в третьем ряду,
после определенного периода, и продолжается во всех рядах" [6].
Таков рассказ Д.И. Менделеева[6], переданный с его слов Б.Ф.
Браунером. Далее в пояснение и развитие этого рассказа говорится, что
Д.И.
Менделеева
"расположил
сходные
элементы
в
группы
и
соответственно возрастанию атомных весов в ряды, в которых свойства и
характер элементоа изменились постепенно, как это видно выше. На левой
стороне его таблицы стали "электроположительные" элементы, на правой
11
"электроотрицательные". Он провозгласил свой закон в следующих
словах"
Таким образом, рассказ Б.Ф. Браунера, переданный им со слов Д.И.
Менделеева, касается не всего открытия в целом и не всей истории
создания естественной системы элементов, а лишь заключительного этапа
этого открытия, когда на основании уже созданной системы Д.И.
Менделеев смог открыть и сформулировать лежащий в основе этой
системы периодический закон химических элементов. Короче говоря,
переданный Браунером рассказ касается не истории составления системы
элементов, а истории формулировки периодического закона на основании
уже составленной системы.
Указанние на существование четвертой версии содержится в
редакционном послесловие В.Я. Курбатова ко второму тому избранных
сочинений Д.И. Менделеева, изданному в 1934г. и содержащему работы
Д.И. Менделеева, относящиеся в периодическому закону [4]. В.Я.
Курбатов пишет[6], что в указанном тому "не помещена лишь одна статья
"Comment j'ai trouve la loi periodique"
как более биографического
характера". Ссылки на то, где эта статья опубликована, В. Я. Курбатов
почему-то не дал. Эта статья, естественно, вызывала огромный интерес,
поскольку, судя по её названию, можно было ожидать, что она даст
наконец, ответ на интересующий всех химиков вопрос о том, как был
открыт Д.И. Менделеевым периодический закон, причем этот ответ будет
получен не от третьих лиц со слов Д.И. Менделеева, а от него самого.
Ссылка на то, что эта статья была исключена проф. В.Я. Курбатовым как
якобы более биографического характера, казалось совершенно не
обоснованной. Именно поэтому её надо было бы включить в сборник
работ Д.И. Менделеева по периодическому закону, а не исключать из этого
сборника. В результате поисков этой статьи было обнаружено, что во
французском журнале по чистой и прикладной химии за 1899г. была
12
действительно напечатана статья Д.И. Менделеева под интригующим
названием "Comment j'ai trouve le systeme periodique des elements" ("Как я
нашел периодическую систему элементов"). В примечании к этой статье
редакция журнала сообщает, что она обратилась к Д.И, Менделееву по
случаю состаявшегося избрания его в 1899г. иностранным членомкорреспондентом Парижской Академии наук с просьбой написать для
журнала о своей периодической системе. Д.И. Менделеев исполнил эту
просьбу с большой охотой и прислал во французский журнал свою работу,
написанную по-русски. Перевод этой работы на французский язык был
осуществлен самой редакцией.
Ближайшее
ознакомление
с
текстом
опубликованной
на
французском языке статья Д.И. Менделеева показывает, что это- не какаято новая работа Д.И. Менделеева, а точный перевод с его статьи
"Периодическая законность химических элементов", которую Д.И.
Менделеев написал для Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона,
и она была напечатана в XXIII томе этого словаря в 1898г. Очевидно,
переводчик или редакция французского журнала для придания большего
интереса
изменили
показавшееся
слишком
сухим
название:
"Периодическая законность химических элементов" на интригующее: "Как
я нашел периодическую систему элементов". В остальном же все осталось
без изменения, и ничего биографического к своей статье Д.И. Менделеев
не добавил.
Таковы легенды и рассказы о том, как была открыта Д.И.
Менделеевым
периодическая
система
химических
элементов.
Все
порожденные ими неясности можно выше считать устраненными
благодаря нахождению и изучению новых материалов, относящихся к
истории этого великого открытия.
13
1 марта 1869 года Менделеев разослал многим русским и
иностранным химикам отпечатанный в типографии листок с «Опытом
системы элементов…».
Рис.4. «Опыт системы элементов» Д.И. Менделеева
6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества, в
отсутствии Менделеева (Менделеев находился на сыроварнях в Тверской
области и, возможно, заезжал в свое имение «Боблово» в Московской
области), сообщение об открытии периодического закона сделал Н.А.
Меншуткин, получивший для очередного номера своего журнала
(«Журнал Русского химического общества») статью Д.И.Менделеева [4].
В
1871 года
в
итоговой
статье
«Периодическая
законность
химических элементов» Менделеев дал следующую формулировку
Периодического закона: «Свойства элементов, а потому и свойства
образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической
зависимости от атомного веса». Тогда же Менделеев придал своей
14
периодической таблице вид, ставший классическим (так называемый
короткий вариант).
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. На основании предположения,
что атомная масса предопределяет свойства элемента, он взял на себя
смелость изменить принятые атомные веса некоторых элементов и
подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов.
Рис.5.
Периодическая
система
химических
элементов
Д.И.
Менделеева
Д. И. Менделеев на протяжении многих лет боролся за признание
Периодического закона; его идеи получили признание только после того,
как были открыты предсказанные Менделеевым элементы: галлий (Поль
Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Ларс Нильсон, 1879) и германий
(Клеменс Винклер, 1886) — соответственно экаалюминий, экабор и
экасилиций. С середины 1880-х годов Периодический закон был
окончательно признан в качестве одной из теоретических основ химии.
15
Заключение
Периодический закон сыграл огромную роль в развитии химии
других естественных наук. Была открыта взаимная связь между всеми
элементами, их физическими и химическими свойствами. Это поставило
перед
естествознанием
научно-философскую
проблемы
огромной
важности: эта взаимная связь должно получить объяснение. После
открытия Периодического закона стало ясно, что атомы всех элементов
должны быть построены по единому принципу, а их строение должно
отображать
периодичность
периодический
закон
стал
свойств
важным
элементов.
звеном
в
Таким
образом,
эволюции
атомно-
молекулярного учения, оказав значительное влияние на разработку теории
строения атома. Он также способствовал формулировке современного
понятия "химический элемент" и уточнению представлений о простых и
сложных веществах. Успехи
атомной физики, включая ядерную
энергетику и синтез искусственных элементов, стали возможными лишь
благодаря Периодическому закону.
«Будут появляться и умирать новые теории,
блестящие обобщения.
Новые представления будут сменять наши уже устаревшие понятия
об атоме и электроне. Величайшие открытия и эксперименты будут
сводить на нет прошлое и открывать на сегодня невероятные по
новизне и широте горизонты - всё это будет приходить и уходить, но
Периодический закон Менделеева будет всегда жить и руководить
исканиями».
А.Е.Ферсман
16
Список литературы
1. Корольков
Д.
В.
Основы
неорганической
химии. —
М.:
Просвещение, 1982. — 271 с.
2. Д.И.Менделеев. Основы химии. — Т. 2. – М. –Л.: Госхимиздат,
1947. — 389 с.
3. Д.И. Менделеев. Избранные лекции по химии. – М.: Высш.шк.,1968.
— 224 с.
4. Д.И.
Менделеев.
Новые
материалы
по
истории
открытия
периодического закона. — М. –Л.: Изд-во Акад. наук СССР,1950. —
145 с.
5. Б.М. Кедров. Философский анализ первых трудов Д.И. Менделеева
о периодическом законе (1869-1871). — М.: Изд-во Акад. наук
СССР,1959. — 294 с.
6. И.И.Лапшин. Философия изобретения и изобретение в философии.
— Т.2. — М.: Наука и школа,1922.— С.88.
17