Научная работа Подтверждение гениальности открытия Д.И.Менделеева в XXI веке. Выполнил: Попов Григорий

Цель исследования: Выявить значение периодической системы химических элементов и периодического закона Д.И. Менделеева для изучения современных понятий в химии, открытия новых химических элементов. Задачи: 1. Рассмотреть историю создания Периодической системы и Периодического закона. 2. Рассмотреть и изучить открытие новых химических элементов. 3. Сравнить и проанализировать несколько вариантов периодической системы. 4. Выявить и исследовать роль периодического закона для формирования современного представления о строении атома, химических свойств элементов.

В качестве своей гипотезы, я предполагаю следующее: Периодический закон и Периодическая система Д.И.Менделеева является основой для дальнейшего изучения строения атома. При помощи ПСХЭ можно не только рассказать о строении атома какого- нибудь химического элемента, охарактеризовать его свойства, свойства простых и сложных веществ, образованных этим элементом, но и предсказать область применения этих веществ человеком. А при помощи ПСХЭ Д.И.Менделеева можно предсказать открытие новых химических элементов и их свойства.

Актуальность данной темы, я считаю, заключается в том, что человек ХХI века в научно-техническом прогрессе не стоит на одном месте, а всё время движется вперёд при этом опираясь на главные законы Естествознания. Одним из таких законов, представляющих собой объективно верное отражение явлений и процессов природы, является закон Д.И.Менделеева. А Периодическая система химических элементов - графическое отображение Периодического закона помогает решать самые разные технические задачи, связанные с выбором наилучших материалов и правильным их использованием. Она определяет основные направления научно- технического прогресса

Менделеев Д.И. ( ) русский химик, разносторонний ученый, а так же прогрессивный общественный деятель. Рис.1 Портрет Д.И.Менделеева «Случайные открытия совершают только подготовленные умы». Б. Паскаль

Глава 1 Предпосылки создания ПСХЭ Первые попытки систематизации химических элементов относятся к концу XVIII в., когда основываясь на отчетливо выраженных химических свойствах, Й.Я.Берцелиус предложил деление на металлы и неметаллы. Более детальную систематизацию удалось провести И. Дёберейнеру в 1748 году.Он сумел объединить некоторые элементы по сходным химическим свойствам в триады: LI-Na-K, а так же Ca- Sr-Ba и Cl-Br-I. Рис.1 Портрет нем. химика И.В.Деберейнера

Следующая классификация-спираль А.Б.Шанкуртуа (1862г.) Он расположил химические элементы по спирали вокруг цилиндра в порядке возрастания их атомных масс, при этом можно заметить сходство свойств веществ, образованных этими химическими элементами, если они попадают на одну из вертикальных линий цилиндра, располагаясь один под другим. Рис.2 Спираль Шанкуртуа (1862 г.)

Американский химик Д.А.Р.Ньюлендс предложил свою классификацию, которую назвали законом октав. Если сходные химические элементы расположить друг за другом, то каждый восьмой химический элемент располагается под первым, свойства элементов повторяются подобно октавам в музыке. Но в таком графическом изображении без пропусков исключалась возможность открытия новых химических элементов, кроме того многие элементы попадали на несоответствующие места. Рис.3 Американский химик Д.А.Р.Ньюлендс

Немецкий ученый Ю.Л.Мейер также расположил элементы в порядке возрастания их атомных масс с учетом их валентности по водороду. Но он распо-ложил из известных в то время 62 элементов, только 44. Его таблица не отражала периодических свойств элементов. Поиски в указанном направлении привели к тому, что двое ученых до Менделеева очень близко подошли к созданию классификации элементов. В сравнении с тем, что создал Менделеев, работа, проделанная Мейером и Нъюлендсом была, по существу,формальной классификацией элементов, авторы не нашли объединяющего закона. Рис.4 Портрет нем. химика Л.Мейера

Открытия Д.И.Менделеева Рис.5 Портрет Д.И. Менделеева «Меня неоднократно спрашивали: на основании чего, исходя из какой мысли, найден был мною защищаем периодический закон? – писал Менделеев. – Приведу здесь посильный свой ответ. …Когда думаешь о веществе…, нельзя, для меня, избежать двух вопросов: сколько и какого дано вещества, чему и соответствуют понятия: массы и химизма. История же науки, касающейся вещества, то есть химии, приводит волей или неволей к требованию признания не только вечности массы, вещества, но и вечности химических элементов. Поэтому невольно зарождается мысль о том, что между массами и химическими особенностями элементов необходимо должна быть связь, а так как масса вещества выражается окончательно в виде атомов, то надо искать функционального соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами. Искать же чего-либо – хотя бы грибов или какую-нибудь зависимость – нельзя иначе, как смотря и пробуя. Вот и я стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса…» «Сомневаясь во многих неясностях,- пишет он дальше, - я ни на минуту не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайности допустить невозможно…»(с.110 «История и теория»).

Менделеев назвал свой закон периодическим законом, а естественную последовательность элементов – периодической системой элементов. «Если все элементы расположить в порядке по величине их атомного веса,- писал он, то получится периодическое повторение свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости...от величины атомных весов элементов»

Первый вариант таблицы элементов был закончен Менделеевым 17 февраля 1869 года по новому стилю, или 1 марта 1869 года по новому. Она была опубликована в виде отдельного листка под названием «опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Рис.8 Таблица «Опыт системы элементов» основанной на их атомном весе и химическом сходстве, составленная Д. И. Менделеевым 1 марта 1869.

Вывод 1. При построении периодической системы элементов Менделеев преодолел большие трудности, т. к. многие элементы ещё не были открыты, а из 63 известных к тому времени элементов у 9 неправильно были определены значения атомных весов. 2.При построении таблицы Д.И. Менделеев исправил атомный вес Бериллия. Он поставил его в одну группу с Магнием. 3.Он изменил атомный вес Индия, Уран, Тория и других элементов. 4.На основании периодического закона он поместил Теллур перед Йодом и Кобальт перед Никелем, хотя величины атомных весов этих элементов требовали обратного расположения. 5.Менделеев указал в 1869 году на существование ещё трёх неизвестных элементов. Т.о., были предложены элементы: экабор, экаалюминий, экасилиций, которые затем были открыты и названы: галлием, скандием, германием.

§ 3 Открытие новых химических элементов пункт 1 История открытия. ПСХЭ помогла исправить множество химических ошибок, сделать поправки для уже открытых в то время законов и химических понятий. В то время не были известны атомные массы химических элементов и многие учёные пытались при помощи химического эксперимента определить их. Один из таких учёных – Ричардс Теодор У. В 1905 г. Учёный пришёл к выводу, что принятые значения многих атомных масс ошибочны, и поставил перед собой задачу исправить их. Определил атомные массы более чем тридцати элементов, двадцать одну из которых он установил лично.

Многие ученые пытались изучить строение атома и в 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд предложил свою «планетарную» модель атома. Он выяснил, что все положительные заряды собраны в центре атома в единственную частицу – атомное ядро и что отрицательные электроны вращаются вокруг этого ядра как планеты вокруг Солнца. Рис.9 Портрет Эрнеста Резерфорда «положительно» заряженное ядро «отрицательно» заряженные электроны Электронные оболочки

Большую роль в истории химии сыграло открытие явления радиоактивности. Благодаря уже имеющимся данным о строении атома, положению элементов в ПСХЭ согласно заряду их ядер, открытию изотопов учёные пришли к синтезу новых радиоактивных химических элементов. Фредерик Содди совместно с Эрнестом Резерфордом работал над решением проблемы радиоактивности. Менделеев расположил известные тогда химические элементы в периодической таблице, составленной им на основании следующего принципа: устойчивые элементы были выстроены в определенном порядке, где они отличались друг от друга только атомной массой. Дальнейшие исследования обнаружили, однако, загадочное нарушение порядка среди некоторых элементов, особенно радиоактивных. Они оказались неустойчивыми и превращались в элементы, которые, казалось, «выпадали» из таблицы. Занимаясь изучением радиоактивного распада радия, он экспери- ментально доказал содержащееся в его теории научное предвидение, что в результате распада радия образуется гелий. Это был первый документально подтверждённый случай образования одного элемента из другого. Сделанные Содди открытия имели фундаментальное значение для химии.

В результате эксперимента, проведенного в 1894 г. было открыто существование неизвестного до того времени газа. Поскольку этот газ не вступал в химиические реакции ни с одним другим элементом, Уильман Рамзай назвал его аргоном (от греческого «инертный»). Проведя дополнительные опыты, У. Рамзай доказал, что гелий, как и аргон, представляет собой инертный газ. Тщательно изучив таблицу химических элементов Дмитрия Менделеева, У. Рамзай, Рэлей пришли к выводу, что аргон, гелий, являются двумя представителями семейства пока ещё не открытых элементов. Казалось очевидным, что эти неоткрытые элементы должны встречаться в природе в меньших количествах, чем аргон или гелий, и, следовательно, их будет значительно труднее обнаружить. Рис.10 Портрет английского учёного Уильмана Рамзая

В результате дальнейшей работы он открыл ещё один инертный газ, который назвал ксеноном (от греческого «незнакомый»). Таким образом, число инертных газов увеличилось до пяти. В течение последующих двух лет он подтвердил, что эти пять газов действительно обладают теми свойствами, которых и ожидали от этого нового класса элементов. Так в периодическую таблицу была добавлена новая группа элементов. Последний из существующих природных элементов периодической системы химических элементов, был открыт в 1925 году. После этого времени, все новые элементы были получены только в ходе ядерных реакций, т.е. искусствен- ным путём.

Сиборг Гленн Т. вернулся к изучению химии трансурановых элементов. Рис.11 Портрет Глен Т. Сиборг Он пришёл к выводу, что радиоактивные элементы, начиная с 89-го и кончая 94-м (т.е. от актиния до плутония), представляют собой новую серию, аналогичную серии легких лантаноидов. Это позволило ему предсказать существование элементов 95 и 96, а затем и открыть их. Разделение этих двух элементов оказалось таким трудным делом, что сотрудники лаборатории в шутку называли их «пандемоний» и «дерилий». Когда они были окончательно идентифицированы, элемент 95 был назван америцием, а 96 стал кюрием (в память Пьера Кюри и Мари Кюри). Сиборг и его коллеги открыли ещё несколько элементов, входящих в новую серию актиноидов: берклий (атомный номер 97), калифорний (98), эйнштейний (99), фермий (100), менделевий (101) и нобелий (102). Они открыли так же 106-й элемент, названный теперь аннилексием. Уже в конце ХХ века ПСХЭ продолжает пополняться. Элементы номер 110 и 111 дармштадтий и рентгений. Дармштадтий был четвертым элементом, обнаружен- ном в GSL. Между 1981 и 1984 гг. там были получены и выделены элементы 107 (борий), 108 (хассий), 109 (мейтнерий). После открытия дармштадтия там же были синтезированы элементы 111 (Uuu) и 112(Uub).Последние элементы, номер 113 и 115, были открыты в 2004 году.

Рис.13 Новый синтезированный 118 химический элемент 17 октября 2006 года группа американских и российских учёных заявили об открытии нового химического элемента, жизненный цикл которого составляет всего 0,9 миллисекунды. Новый элемент получил название «унуноктиум». После удачного проведения эксперимента, учёные заявили, что продолжат исследования для получения120-гоэлемента периодической системы.

пункт 2 Современное представление о химических элементах Благодаря освоению новых химических элементов, новых знаний о строении атома ученые установили, что протоны и нейтроны делятся на более мелкие частицы и называются кварками. В 1963 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгам была предло- жена гипотеза о существовании в природе несколько частиц, названных кварками. Кроме этих частиц, открыто большое число частиц с очень малым временем жизни – около 10ˉ²² с. Эти частицы названы резо- нансами. С открытием этих частиц неопределённость понятия «эле- ментарная частица» стала особенно заметной. С помощью его и использования знаний других учёных-естествоиспы- тателей было подробно изучено строение атома, а затем и теорию химичес- кой связи. Так была решена одна из центральных проблем химии: выясне- ние связи свойств с составом и строение тех объектов, которая она изучает.

ГЛАВА 2 Практическое значение Периодической системы За всю историю П.С.Х.Э. было предложено большое количество (нескольких сотен) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц; известны изображения и в виде различных геометрических фигур (пространственных и плос- костных), аналитических кривых (например, спирали) и т.д. Наибольшее распространение получили три формы П.С.Х.Э..: короткая, предложенная Менделеевым и получившая всеобщее признание.

Рис.1 «Естественная система элементов» Д. И. Менделеева (короткая форма), опубликованная во 2-й части 1-го издания Основ химии в 1871.

длинная Рис.2 Длинная форма периодической системы элементов (современный вариант).

лестничная Рис. 3. Лестничная форма периодической системы элементов (по Н. Бору, 1921).

Длинную форму также разрабатывал Менделеев, а в усовершенствованном виде она была предложена в 1905 А. Вернером. Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли (1882), датским учёным Ю. Томсеном (1895) и усовершен- ствована Н. Бором (1921). Каждая из трёх форм имеет достоинства и недостатки Главным принципом построения короткопериодного варианта П.С.Х.Э. является разделение всех химических элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (А) и побочную (Б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свой- ствами. Элементы А- и Б- подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определённое химическое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, соответствуют номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (особый случай первый период); каждый период содержит строго определённое число элементов. П.С.Х.Э.. состоит из 8 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен).

Я считаю,что более легче пользоваться длиннопериодным вариантом П.С.Х.Э.(рис.2), так как нет подразделения периодов на отдельные ряды, а химические элементы расположены по горизон- тальным линиям, что облегчает их быст- рое нахождение с таблице по порядковому номеру элемента. Кроме этого элементы объедены в группы схожие по своим свой- ствам. Лестничный вариант таблицы (рис.3) хоть и отражает периодичность свойств атомов химических элементов, но не даёт возможности определить электронное строение атома.

Имея запас знаний по общей химии, мы можем опираясь на ПСХЭ, составить план-рассказ о хими- ческих свойствах атома какого-либо элемента: 1)Мы можем определить состав ядра: Например: элемент - кислород О - 8;р = 8;Аr 16;N =16-8=8 2)Так же мы можем узнать электронное строение атома (электронографическую конфигурацию атома) на основании определения квантовых чисел можем составить полную картину электронного строения атома. 3)Исходя из электронного строения атома, мы можем определить валентные возможности атома. Пример: S ) ) ) 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3p

1)S 0 Валентность =II 2) S* Валентность = IV

3)S* Валентность = VI 4) Далее мы можем предсказать химические свойства простых веществ. 5) Исходя, из положения П.С. можем составить формулу высшего оксида - SO 3, высшего гидроксида - H 2 SO 4, водородного соединения-H 2 S, их характер.

Руководствуясь периодическим законом, рассмотрев строение электронных оболочек атома можно объяснить свойства химических элементов. Особенности строения электронных оболочек атомов объяснили причину периодического изменения свойств элементов в естественной последовательности. Так как химические свойства элементов обусловлены главным образом строением наружных слоёв электронных оболочек атомов. Верхняя граница П.С.Х.Э пока неизвестна, поэтому неизвестно и конечное количество элементов, охватываемых П.С.Х.Э. Вопрос о пределе искусственного синтеза элементов также пока не решен. Все изотопы уже известных элементов с Z 101 являются короткоживущими. Однако существуют предположения, что ядра атомов гипотетических элементов с Z = 114, 126, 164 и 184 будут достаточно устойчивы по отношению к спонтанному делению. Это даёт основания рассчитывать на осуществление синтеза таких элементов.

Вывод: Периодическая система элементов явилась одним из наиболее ценных обобщений в химии. Она представляет собой как бы конспект химии всех элементов, график по которому можно читать свойства элементов и их соединений. Менделеев совершил научный подвиг, т.к. он раскрыл сложные связи, существующие между свойствами конкретных химических соединений и важнейшие свойства атомов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ С точки зрения человека 21 века Менделеев совершил великий научный подвиг. Он открыл периодический закон и периодическую систему. Открытие периодического закона ускорило развитие химии и открытие новых химических элементов. В 1905 году Менделеев написал: «По- видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие». Я считаю, что в результате своей работы я достиг поставленных перед собой целей.

Во-первых, Д.И.Менделеев в отличии от своих предшествен- ников химииков смог не только систематизировать откры- тые в то время элементы, но и выявил естественную закономерность между химическими элементами, определив её как периодичность, отразив в периодическом законе. Во-вторых, периодическая система химических элементов – графическое отображение закона продолжает заполняться и в наше время –ХХI- веке. Подтверждением этому является открытие в 2006 году нового 118 химического элемента. В-третьих, периодическую систему можно назвать графическим конспектом всей общей и неорганической химии, так как она несёт в себе информацию не только о строении атома, но и свойствах простых и сложных веществ химических элементов. Таким образом, я считаю что моё исследование можно продолжить, так как научно-технический прогресс не стоит на месте, а периодический закон помогает решить самые разнообразные технические задачи, связанные с выбором наилучших материалов и правильным их использованием. А открытие Дмитрия Ивановича Менделеева можно считать поистине гениальным во всей истории химии!

Список используемой литературы: 1. Зоркий П.М История и методология естественных наук. Вып. XXXV. Философские проблемы химии. М.: Изд-во МГУ. 1988г. 2. «Изучаем химию вещества» А. Смит. Москва «Всмсэн», 2002г. 3. Кедров Б. М., Трифонов Д. Н., Современное состояние периодической системы Д. И. Менделеева, М., 1969; 4. Менделеев Д. И., Периодический закон. Основные статьи, М., 1958 г. 5. Рабинович Е., Тило Э., «История и теория, Периодическая система элементов.» М. Л., 1933 г. 6. Химический энциклопедический словарь М. Сов. энциклопедия, 1983.