Замурий Ирина Владимировна

История и перспективы периодического закона и периодической системы Д.И. Менделеева.

Материал опубликован 26 September 2020 в группе

Учителя химии

481

2767

«История и перспективы периодического закона и периодической системы элементов Д.И.Менделеева»

Автор работы: Часовских Вероника Игоревна

ученица 11-А класса

Руководитель: Замурий Ирина Владимировна

Содержание

Введение.

Глава 1

1.1. Первые попытки систематизации элементов.

1.2.Систематизация элементов до открытия Д.И. Менделеева.

1.3. Открытие периодического закона и периодической системы элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Первый вариант системы элементов ученого.

1.4.Второй вариант системы элементов ученого.

Глава 2

2.1.Взгляд и вклад ученого мира Запада на открытие Менделеевской системы.

2.2. Включение в периодическую систему инертных элементов.

2.3.Таблица Менделеева в конце XIX- начале XX века.

Перспективы развития таблицы Менделеева.

Глава 3. Значение периодической системы.

Вывод.

Литература.

Приложения.

Введение

Тема моей работы: «История и перспективы периодического закона и периодических элементов Д.И. Менделеева».

Я выбрала эту тему для исследования, потому что каждый из нас, в частности я, неоднократно пользовались таблицей Менделеева, но мало кто задумывался о том, как она появилась, и, каковы ее перспективы. В современном мире периодическая система и периодический закон имеют большое значение, так как открытие, сделанное величайшим химиком – Д.И. Менделеевым, сыграло важнейшую роль в развитии науки и промышленности. Исходя из этого, стоит сделать вывод, что нельзя останавливаться на достигнутом. Периодическая система требует развития.

Цели данной работы:

- первые попытки систематизации элементов;

- подробно изучить историю изобретения и структуру таблицы Менделеева;

-определить перспективы развития периодической системы.

Достижение цели с помощью решения таких задач:

-анализ истории возникновения периодической системы элементов;

-изучив материал по этой теме, выдвинуть свои собственные размышления по поводу дальнейшего развития периодической системы.

Гипотеза исследования построена на предположении о том, что изучив периодическую систему элементов более углубленно, можно открыть новые элементы.

Детальное изучение литературы по этой теме дало возможность проанализировать такие противоречия:

- между учениями и представлением системы элементов, которые были выдвинуты до Д.И.Менделеева;

-между традиционной формой периодической системы химических элементов и её дальнейшем усовершенствованием с точки зрения современного человека.

Данная исследовательская работа, все материалы и особенности исследования были обусловлены целью, задачами, степенью изученности проблемы.

ГЛАВ

1.1.Первые попытки систематизации элементов.

Всем нам давно известен тот факт, что людям, свойственно наблюдать за окружающим миром, а также изменениями и различными явлениями природы. Бывает и так, что эти изменения могут навредить человечеству, как, например, землетрясение, засухи, затопления, смерчи и многое другое. Но чаще всего случается то, чего мы можем просто не замечать в повседневной жизни: испарение, замерзание жидкости, а также распад на мелкие кусочки какого-либо твёрдого тела. Наблюдая и изучая подобные процессы люди задумываются: почему происходит так, а не иначе, начинают более углубленно исследовать причины и пытаются выявить сущность всех этих явлений. Стоит отметить, что с древних времен люди смогли отыскать и изучить одиннадцать элементов: медь, серебро, золото, олово, свинец, сурьму, цинк, ртуть, железо, углерод и серу. Так же исследуя материал по этой теме, мне удалось узнать, что по мере развития цивилизации, некоторые философы, путем наблюдений, выдвигали свои собственные теории. Что же это за теории и в чем их суть? Нельзя оставить незаметным тот факт, что каждый из этих ученых приходил к одним и тем же умозаключениям. А именно, что, во-первых, существуют какие-то первичные вещества или материи, чье сочетание образует всё то разнообразие веществ, которое нас окружает. Подтвердить данный факт я бы хотела убеждениями древнегреческих философов: Фалес считал первоматерией воду, Анаксимен - воздух, Ксенофан – землю, а Гераклит – огонь. Отдельно хотелось бы отметить философа Эмпедокла, который смог изучить, что сочетая вышеперечисленные материи в различных пропорциях, мы можем получить все остальные вещества. Так же был и ряд других ученых, которые утверждали, что первоматерией является неопределенная субстанция. Анализируя свои доводы, философы вдруг обнаружили, что все вещества состоят из мельчайших частиц под названием атомы. Еще один философ – Аристотель, имел свою точку зрения на этот счет. Он был уверен в том, что те 4 материи не просто субстанции, как считал Эмпедокла, а символы, которые являются носителями таких качеств, как сухость, влажность, тепло и холод. Таким образом, можно отследить следующую цепочку наложений качества на материю: тепло + сухость = огонь, влажность + холод = вода, сухость + холод = земля, а тепло + влажность = воздух. Во многом с Аристотелем были согласны представители алхимии (ложной химии). Алхимия была целиком основана на «системе элементов» Аристотеля. Пытаясь дополнить «систему элементов» (Приложение 1), прогресс так и не был достигнут в полном объеме.

В эпоху Возрождения снова стали возрождаться атомистические представления. Так философ Джордано Бруно считал, что элемент - это любое вещество, которое не способно раскладываться на более простые вещества. Английский ученый Р. Бойль в очень четкой форме высказал свое отрицательное отношение к «элементам» алхимиков. Чуть позже этими вопросами был заинтересовался Михаил Васильевич Ломоносов. Он разделял мысли Бойля, но в тоже время был не согласен с тем, что элемент – простое вещество. Сам Ломоносов воспринимал понятие «элемент», как отдельный вид атома. Но, к сожалению, Михаил Васильевич не был услышан своими заграничными коллегами. Однако, позднее, один из них - Дж. Дольтон, дал определение элементу и ввел свою символику элементов взамен той, которой пользовались алхимики. Стоит также отметить химика из Швеции - Якоба Берцелиуса, который изобрел символику химических элементов, которой мы пользуемся. Ее достоинством является то, что за каждым символом элемента скрывается не только его название, но и подразумевается атомная масса (Приложение 2)

1.2.Систематизация элементов до открытия Д.И. Менделеева

Год за годом число элементов стало возрастать, на тот период их число достигло тридцати трёх, поэтому появилась острая необходимость в их систематизации и классификации. Основоположником первой классификации стал французский ученый А.Лавуазье.

Газы и «флюиды»;

Неметаллы;

Металлы;

«земли» (это те вещества, которые являются оксидами элементов).

Чуть позже свою версию выдвинул уже немецкий ученый по фамилии Доберейнер, который расположил элементы триадами (Приложение 3). Это открытие сделало огромный толчок в науке, и уже на основании этого в 1857 году Е.Ленссен располагает все элементы так, что получилось двадцать, так называемых триад.

В свою очередь другие ученые, стали понимать, что все закономерности не случайны. Исходя из этого, уже в 50-х годах появились мысли систематизации элементов по группам. Таким образом, уже в 1864-1965 годах свои открытия в виде таблицы сделал Дж. Ньюлендс, расположив все элементы в восьми вертикальных столбцах - октавах, сходные элементы расположены по горизонтали. Его таблица была негармонична, потому что, как мы можем увидеть (Приложение 4), нет никакого сходства между такими элементами, как Cl и Pb, S и Fe. Но стоит отметить, что ученый подметил повторяемость свойств элементов на восьмом элементе. Однако, Дж. Ньюлендс не сделал ожидаемого результата, в отличие от Л.Мейера. Он как никто другой приблизился к открытию периодического закона. В своей таблице он разместил элементы по их валентности по водороду. Всего в таблице ученого было 6 столбцов, которые содержали в себе 44 элемента, расположенных по валентности (Приложение 5). Проследив, что в каждом столбце атомная масса, рядом стоящих, элементов закономерно отличается на: 16, 45 и 90, Л.Мейер, к сожалению, не делает никакого вывода.

Суммируя все попытки химиков отследить логическую цепочку, они так и не смогли обнаружить ту самую единую систему элементов.

1.3.Открытие периодического закона и периодической системы элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Первый вариант системы элементов ученого

Д.И.Менделеев начал изучение материала по созданию системы элементов, работая над своим собственным учебником «Основы химии». И уже 1 марта 1869 химиком был представлен первый вариант системы элементов под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомной массе и химическом сходстве», который сделал огромный прогресс для науки и вошел в ее историю. Как же Менделеев смог добиться таких результатов? История гласит, что ученый был в поисках константы. Перебирая такие свойства элементов, как плотность, температура плавления и кипения, автор данного открытия не нашел ничего подходящего. Тогда химик решил, как он сам это называл, раскладывать свой «карточный пасьянс», на котором были указаны элементы, по их атомному весу. Именно тогда Д.И. Менделеев обнаружил сходство элементов. Какой же вид имела таблица, сделавшая огромный толчок научному прогрессу? Все элементы в ней были расставлены по 19-и рядам и по 6 столбцам (Приложение 6). Так же, анализируя информацию из различных пособий, стоит отметить, что горизонтальные ряды обозначали сходство элементов между собой, а атомная масса элементов, стоявших в каждом ряду, возрастала слева направо. Столбцы, в свою очередь, указывали на характер изменения атомных масс с некой периодичностью в среднем 2,5 единицы. Разработав свою таблицу, Менделеев обнаружил четыре пропуска. Это подтолкнуло его на мысль о том, что в природе существуют еще четыре, неизвестных элемента. По мнению ученого, эти элементы должны были стоять в 1-ом, 9-ом, в 10-ом, и 16-ом ряду. Тот элемент, чье «окно» находилось в 9-ом ряду, должен был стать аналогом бора и алюминия, имея при этом относительную атомную массу равную 68; в 1-ом ряду, как утверждал химии, нужен элемент, который смог бы стать аналогом титана и циркония с относительной атомной массой 180; в 10-ом – аналог углерода и кремния с относительной атомной массой равной, приблизительно, 70; и в 16-ом – аналог церия с относительной атомной массой 45. В будущем этими элементами стали: галлий, германий, гафний и скандий.

Какой вывод можно сделать из исследования ученым своей собственной таблицы?

Все элементы расположены по атомной массе и имеют периодичность свойств.

Атомная масса определяет характер и свойства элементов.

С помощью аналогов и их атомных масс можно иногда исправлять атомные массы.

Можно предположить открытие еще многих простых тел (элементов).

1.4. Второй вариант системы элементов ученого

Работая долгих полтора года, уже в 1870 году Д.И. Менделеев обнародует второй вариант под названием «Естественная система элементов» (Приложение 7). Я задаюсь простым вопросом, что же изменилось с тех пор?

Те горизонтальные ряды, о которых я упоминала выше, стали вертикальными.

Произошло их уплотнение, что привело к образованию восьми групп элементов.

Столбцы обратились в периоды.

Валентность элементов стала определяться по их номеру группы.

Периоды начинались с активных щелочных металлов, а заканчивались нетипичным металлом - галогеном.

В отличие от первого варианта таблицы ученого, появились группы, а также химик предполагал, что существуют лантаноиды и заурановые элементы. Расположение элементов в таблице:

Благородные газы - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон неохотно реагируют с другими элементами и проявляют низкую химическую активность и потому находятся в крайней правой колонке. В противоположность этому элементы самой левой колонки — литий, натрий, калий и прочие реагируют с другими веществами бурно, процесс носит взрывной характер. Аналогично ведут себя элементы в других колонках таблицы — внутри колонки эти свойства подобны, но варьируются при переходе от одной колонки к другой.

Усложнив и усовершенствовав своё учение, его автор сумел предположить, что существует не 4, а уже 11 элементов. Сейчас эти элементы называются так: скандий (2-й ряд), галлий и германий (3-й ряд), технеций (4-й ряд), гафний и рений (8-й ряд), астат (9-й ряд), франций, радий, актиний, протактиний (10-й ряд). Это привело к тому, что Менделееву пришлось изменять относительные атомные массы некоторых элементов. И тут же в 1871 году химии сформулировал открытый закон:

«Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Доказать всем, что, открытый им закон, действительно работает, Менделеев решил на примере названный им же элементов – экабора, экаалюминия и экасилиция описать их свойства, свойства их соединений и методы, которыми они могут быть получены. Дальнейшие открытия этих элементов подтвердили правильность менделеевского приема наименования элементов. Этот прием используется и в настоящее время.

ГЛАВА 2

2.1.Взгляд и вклад ученого мира Запада на открытие Менделеевской системы

Отношение западных ученых к таблице Менделеева было скептическим, многие просто оставляли данное без внимания только потому, что это открытие было совершенно их русским коллегой. И только лишь в 1875 году началась череда открытий новых элементов. Французский ученый Лекол де-Буабодран, открыл элемент под названием «галлий». Менделеев, ознакомившись с открытием ученого, указал на то, что плотность элемента рассчитана неточно, так как открытый галлий – это экаалюминий. После этого, уже в 1879 году свой элемент под названием «скандий» открыл шведский химик Ларс Нильсон, свойства которого совпали со свойствами экабора. Следующий свой вклад в науку внес немец Кл. Винклер, открыв германий, предсказанный Менделеевым экасилиций. И каждое новое открытие подтверждало правильность учения Менделеева. Именно с тех пор таблица Менделеева стала активно развиваться и пополняться всё новыми и новыми элементами.

Как говорил сам Менделеев о своем достижении в тот период: «Наука есть достояние общее, а потому справедливость требует не тому отдать наибольшую научную славу, кто первый высказал известную истину, а тому, кто сумел убедить в ней других, показал ее достоверность и сделал ее применимою в науке».

2.2. Включение в периодическую систему инертных элементов.

Д.И.Менделеев внимательно анализировал атомные массы элементов и обратил внимание на то, что разрыв между атомными массами элементов – галогенов и щелочными металлами ненормально велик, поэтому между ними возможен какой – то промежуточный элемент. Поэтому Менделеев предвидел наличие этих элементов, но каковы будут их свойства еще более неметаллического характера, чем у галогенов или более металлического характера, че у щелочных металлов он не мог смог определить. И третьего варианта, что эти элементы будут инертны, Д.И. Менделеев не предугадал.

В 1884 году революционер Н.А. Морозов, заключенный царским правительством пожизненно в Шлиссельбургскую крепость, начинает изучать химию. Он знакомиться с системой Менделеева и по образу и подобию создает свою таблицу для углеводородов. Таблица состоит из 8 вертикальных рядов – классов углеводородов и их радикалов и 7 горизонтальных рядов. Сравнивая свою таблицу с таблицей Менделеева, он приходит к выводу, что в его таблице есть химически инертные

( малоактивные) углеводороды, а в таблице Менделеева инертных элементов нет. И вот Н.А. Морозов предсказывает, что такие элементы должны быть в природе, и скорее всего в воздухе. Первым был открыт английским ученым У. Рамзаем аргон, а вскоре были открыты и другие элементы и в 1901 году был открыт уже шестой химический элемент – радон.

Следовательно, на основе системы Д. И. Менделеева, Н.А. Морозову удалось предсказать то, что не удалось сделать автору периодического закона. Известно, что Д.И. Менделеев называл ученых, открывавших предсказанные им элементы «укрепителями» периодического закона.

И вот когда в конце XIX века к Д. И. Менделееву пришла мировая слава и известность, начинаются попытки приписать открытие этого закона другим ученым.

Много испытаний выпало на долю и периодической системы:

- открытие радиоактивности, когда для атомов продуктов распада не находилось, как бы места, в системе;

- отрицание реального существования атомов;

- открытие явления изотопии;

- размещение в системе лантаноидов и актиноидов по мере их открытия;

- открытие строения атома и ядра;

- открытие возможности искусственного превращения элементов и другие.

Но, все эти испытания периодическая система преодолела.

2.3.Таблица Менделеева в конце XIX - начале XXI века.

Перспективы развития таблицы Менделеева

По-особенному продуктивным для выявления новых элементов стал XIX век. Это было обусловлено успехами электрохимии и спектрального анализа. В середине XIX века учеными было получено 62 элемента. Но уже в начале ХХ века это число стало достигать 88. В последствие стали появляться всё новые и новые пропуски в таблице, которые заполнялись теми элементами, которых в природе не существует. Их получение производилось искусственным путем при помощи ядерной реакции. Так же данная реакция поспособствовала образованию заурановых элементов, которых насчитывается тринадцать. Так же стоит отметить то, что для элементов, полученных искусственным путем, понятие «относительная атомная масса» теряет свой смысл, т.к. ее роль в таких ситуациях – заряд ядра, равный атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет его химические свойства. Химические элементы вплоть до урана (содержит 92 протона и 92 электрона) встречаются в природе. Начиная с номера 93 идут искусственные элементы, созданные в лабораторных условиях. Нельзя скрыть тот факт, что работа по получению новых элементов проходит при тесном сотрудничестве физиков и химиков. Задача физиков - получить тот или иной элемент искусственным путем. Задача химиков: установить химическую природу элемента и уточнить его место в системе элементов. Постепенно таблица стала заполняться, и к 2010 году был завершен период под номером семь. Число открытых на данный момент элементов достигло 118-ти. 113-й, 115-й, 117-й и 118-й элементы были задекларированы (Международным союзом теоретической и прикладной химии) совсем недавно, 30-го декабря 2015 года (Приложение 8). Так, например, элемент с порядковым номером 113 получил от открывших его японских ученых название "нихоний" (символ Nh), что переводится на русский язык как "Страна восходящего солнца".115-й элемент получил название "московий" (Mc) в честь Московского региона, где располагается Объединенный институт ядерных исследований г. Дубна. Новый элемент с атомным числом 117 внесли в таблицу под названием "теннессин" (Ts). Наконец, 118-й элемент, которому было присвоено временное название "унуктоний", сменил его на постоянное и официальное "оганессий" (Og) в честь академика Российской академии наук Юрия Цолаковича Оганесяна.

Описание элементов:

Нихоний входит в группу бора, но ведёт себя как переходный металл. Согласно расчётам, температура плавления и кипения нихония составляет 430°С и 1100°С, что делает его непохожим на другие элементы, которые плавятся и кипят при существенно более низких температурах.

Московий входит в группу пниктогенов (группа азота): ближайший к нему элемент той же группы – висмут. Московий предположительно является плотным металлом, вторым в группе после висмута. По физическим свойствам он напоминает нихоний, поскольку электроны московия также испытывают сильное спин-орбитальное взаимодействие. По химическим свойствам московий скорее напоминают щелочной таллий.

Теннессин – самый «молодой» элемент Он принадлежит к галогенам, стоя в их группе сразу после йода и астата. В его поведении преобладают металлические свойства. Температура плавления и кипения теннессина существенно ниже, чем у других элементов этой же группы – он должен кипеть около 210–350°С, поскольку, в отличие от других галогенов, способен существовать в одноатомной форме, без образования типичных для галогенов двухатомных молекул.

Четвёртый элемент - оганессий назван в честь Юрия Оганесяна –профессора ядерной физики и научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Это второй случай в истории, когда химический элемент назван в честь всё ещё живущего исследователя. Такой прогресс способствовал не только развитию химии и физики, способствуя открытию новых разделов – физики атома, физике ядра, но и др. отраслей науки.

Каждый из нас хоть раз задавался вопросом: есть ли конец периодической системы? Предел получения элементов искусственным путем?

Можно предположить предел периодической системы, исходя из теоретических соображений закономерностей возрастания радиоактивности атомов по мере их усложнения. Но, как нам всем известно, видов радиоактивности целое множество. Предел существованию атомов, вызываемый каким-либо одним видом неустойчивости, может не совпадать с переделом, вызываемым другим видом. Так, например, можно сделать вывод, что, исходя из всех закономерностей, полученных при исследовании спонтанного деления ядер, следует, что предел располагается приблизительно между элементами №108-116; исходя из закономерностей электронного захвата, предел стоит ожидать на элементе №137; исходя из закономерностей α- излучения, предел расположен в районе элементов под номерами 104- 106. Изучив всё вышесказанное, можно сделать вывод, возможно существование элемента, например, №130.

На сегодняшний день ученые смеют предположить, что на каком- то из элементов система практически оборвется, но спустя некоторое количество номеров после последнего элемента может быть синтезирован атом элемента со значительно большим номером. И так далее всё по тому же алгоритму.

На самом деле, получение элементов искусственным путем, которые давно исчезли с лица Земли, является огромным достижением науки. Из изученного мною материала можно сделать вывод, что те люди, которые изучают химические элементы, поневоле сталкиваются с географией, историей, астрономией, минералогией, мифологией и т.д.

Подводя итог, стоит только отметить то, что важно различать открытия:

1)открытие элемента, как определенного вида атомов;

2)выделение элемента в виде простого вещества для определения его свойств.

Очень часто случается так, что между этими открытиями проходят десятки лет, но ученые всё равно добиваются нужного им результата.

Глава 3.Значение периодической системы.

Первоначальная цель разработки системы элементов Д.И. Менделеева была прикладная, узкая, имела учебно - педагогическое значение. Научное же значение было огромно. Вот только часть того, какую роль она сыграла:

Создание системы элементов привело к развитию учения об атоме и учения об элементе.

Открылась новая эра в химии, биологии, физике, металловедении, геохимии, астрохимии и в ряде других наук.

Периодическая система элементов заставила ученых работать над исправлением и уточнением атомных масс, над получением оксидов, водородных соединений, предпринять поиски элементов, предсказанных Д.И. Менделеевым и других элементов.

Создание периодической системы элементов побудило ученых к выяснению причин периодичности свойств, к выяснению физического смысла понятий «группа», «подгруппа», «период», «номер элемента», «номер группы», «номер периода», то есть к выяснению строения атома.

На базе периодической системы изучают и объясняют те или иные аномалии в свойствах отдельных веществ, создаются новые вещества, сплавы.

Периодическая система элементов позволяет более четко понимать распределение элементов на земном шаре, во вселенной, в живых организмах.

Периодическая система показала, что материя постоянно развивается, что устанавливается взаимосвязь и взаимообусловленность явлений.

Многие ученые мира высоко оценили труд Д. И. Менделеева. Английский ученый У. Рамзай называл периодическую систему «компасом для исследователя», Нильс Бор называл ее « путеводной звездой для исследований». Сам же Д.И. Менделеев сказал: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются». Это пророческие слова. Многие видные ученые мира утверждают, что все развитие химии идет на основе менделеевской системы.

Вывод.

Данная работа помогла мне узнать больше полезной информации о таблице Менделеева. Например, то, как долгие столетия отдельно друг от друга развивались учения об атоме и об элементе. И только Д.И. Менделеев смог слить их воедино. Ученый смог доказать, что элемент - это всего лишь отдельный вид атома и, что атом этот можно охарактеризовать по его месту в системе элементов. С созданием периодической системы началась новая эра в целом ряде наук: химия, физика, биохимия и др. Значение периодической системы элементов бесценно. Поэтому нужно не останавливаться на достигнутом, а развивать и дополнять периодическую систему с целью увеличения пользы химии в жизни человечества.

Литература

http://uznay-skolko.ru/skolko-elementov-v-tablitse-mendeleeva-118-ili-126

https://slavikap.livejournal.com/26129672.html

http://lediznaet.ru/lichnoe/samorazvitie/skolko-elementov-v-tablice-mendeleeva-na-segodnya.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Периодическая_система_химических_элементов

http://edu.glavsprav.ru/info/tablica-mendeleeva