Проблема классификации химических элементов и попытки ее решения предшественниками

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

На тему:

ПРОБЛЕМА КЛАССИФИКАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПОПЫТКИ ЕЕ РЕШЕНИЯ ПРЕДШЕСТВЕННИКАМИ

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

Химия в системе естествознания. История Химии. Алхимия

Проблема классификации химических элементов. Открытие периодического закона.

Заключение

Список литературы

 

 

Введение

Что же такое Периодическая система, и какова ее практическая и научная значимость?

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева – естественная система химических элементов, созданная Д.И. Менделеевым на основе открытого им периодического закона в 1869 г. Менделеев впервые сформулировал сущность периодического закона. А в 1871 г. предложил более развернутую его формулировку:

Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, ими образованных, стоят в периодической зависимости.

Современная, более точная и глубокая формулировка периодического закона отражает периодическую зависимость свойств элементов от числа электронов в атоме, определяемом зарядом атомного ядра; это число равно порядковому (атомному) номеру элемента в системе Менделеева. Поскольку, однако, атомные веса элементов, как правило, возрастают в той же последовательности, что и заряды атомных ядер, современная табличная форма периодической системы принципиально совпадает с менделеевской. Периодическая система отражает объективно существующую взаимосвязь между химическими элементами. Поэтому она и была названа Менделеевым «естественной» системой элементов.

Периодический закон не имеет равных в истории науки. Вместо разрозненных, не связанных между собой веществ перед наукой встала единая стройная система, объединившая в одно целое все химические элементы.

Менделеев указал путь направленного поиска в химии будущего. Многие ученые основывались на Периодическом законе, предсказывая и описывая неизвестные химические элементы и их свойства.

Закон Менделеева оказал огромное влияние на развитие знаний о строении атома, о природе веществ.

Глава 1. ХИМИЯ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

ИСТОРИЯ ХИМИИ. АЛХИМИЯ

Свойства веществ, которые принято называть химическими, связаны с атомами и молекулами, то есть их природа лежит в микромире, а проявление их наблюдается в макромире.

Из схемы структурных уровней материи (рис.1) можно установить связь химических свойств материи с физическими и биологическими свойствами, а именно: во всех химических процессах важную роль играют физические процессы, а во всех биологических процессах – химические. Кроме того, видим, что химические процессы более сложны, чем физические, а биологические – более сложны, чем химические.

Отсюда следуют два вывода:

• должен выполняться принцип соответствия, анализ химических процессов не должен противоречить выводам физической теории, а анализ биологических процессов – законам химии;
• невозможно объяснить химические явления только на основе законов физики, а биологические явления – только на основе законов химии и физики.

Таким образом, химия занимает свою нишу в системе естественных наук. С развитием науки происходит интеграция и дифференциация наук. Так, в настоящее время существует целый ряд наук, в основе которых лежат фундаментальные законы химии: химическая физика; физическая химия; биохимия; радиационная химия, аналитическая химия и т. п.

Химия по сравнению с другими фундаментальными естественными науками приобрела черты современной науки относительно поздно, несмотря на то, что прикладные вопросы в области химии активно и успешно решались на самой ранней стадии становления естествознания.

Становление любой науки, как правило, начинается с систематизации. Проблема систематизации химических элементов являлась основной и неразрешимой в течение нескольких веков. О причинах такой ситуации можно судить, рассматривая историю становления химии как науки.

Первоначальные сведения о химических свойствах веществ человечество имело уже на самой ранней стадии своего развития: получение железа, бронзы, использование свинца и т. д. становилось неотъемлемой частью жизни человека древности (железный век, бронзовый век, позднее свинцовые трубы водопровода в Риме).

Однако огромное количество различных веществ, многообразие свойств тел, состоящих из одних и тех же веществ, долгое время не позволяли найти основу для систематизации свойств, которые принято считать химическими (например, при отжиге железа можно получить и мягкое железо и твердую сталь, из различных руд получается «различное железо»). Кроме того, отсутствие методов даже грубого анализа не давало повода судить о химическом составе тел.

Скрытые от обычного взгляда причины порождали мифы и легенды, которые, по большому счету, не способствовали формированию рационального знания. Например, топазу приписывали магическую силу: люди, носящие украшения с топазом, всегда честны, великодушны, благородны.

Удивительное по своей значимости в истории науки сочетание рационального знания и мифологии представляла алхимия. Алхимия берет свое начало в Древнем Египте, но наивысшего расцвета она достигла в позднем Средневековье (в XII – XVII веках).

Показательна история с киноварью (киноварь – соединение ртути и серы, HgS): арабы на Пиренейском полуострове, обнаружили, что при нагревании киновари из нее можно получить ртуть. По-видимому, отсюда появилась идея отыскания философского камня, то есть вещества, при воздействии которого на одни химические вещества можно получить другие, например, ртуть превратить в золото. За неимением методологии и точных знаний о составе веществ использовался «метод проб и ошибок». В определении свойств веществ господствовала идея непрерывности.

Алхимия, несмотря на фантастичность преследуемой цели в виде получения «философского камня» или «эликсира молодости» и отсутствие научных методов исследования, явилась предвестницей фундаментальной науки – химии. В отличие от «ветреной сестры астрономии» – астрологии алхимия сыграла положительную роль в истории науки:

1. это был начальный этап становления химии, происходило накопление новых знаний;
2. путем поиска были разработаны экспериментальные методы исследования веществ;
3. зародилась идея о простых и сложных веществах;
4. появились признаки классификации веществ (но не химических элементов).

К числу достижений алхимиков можно отнести, например, открытие нашатыря, получение кислот, растворов, изобретение дамасской стали, создание ятрохимии

Выполнив свою историческую миссию, алхимия в XVII – XVIII веках потеряла свое значение. В 1661 году Роберт Бойль в книге «Химик-скептик» сформулировал основную задачу химии – открытие новых элементов, дал определение химического элемента. Герман Бургаве в 1732 году дал уничтожающую критику алхимии, систематизировал современные ему знания в области химии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. ПРОБЛЕМА КЛАССИФИКАЦИИ

ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

ОТКРЫТИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

 

В XVIII и особенно в XIX веке химия приобрела черты науки    в современном понимании. Были достигнуты значительные результаты, как в теоретическом, так и в прикладном аспектах.

Однако долгое время оставалась нерешенной проблема классификации химических элементов. Основной причиной такого положения в химии была недостаточность знаний о химических веществах, особенно о химических элементах. Так, в 1200 г. было известно всего лишь 9 элементов (железо, золото, медь, ртуть, свинец, сера, серебро, углерод и цинк). Естественно, не могло быть какой-либо систематизации элементов и их свойств. Кроме того, трудно было выделить элементы из огромного количества известных сложных веществ.

Постепенно формировалась концепция дискретности, которая была положена в основу классификации. Джон Дальтон в 1804 году открывает закон кратных отношений. Например, кислород и азот вступают в реакцию в строго определенных количественных отношениях, которые можно выразить в виде химических формул:

Первую, но неудачную попытку составить таблицу химических элементов предпринял Антуан Лоран Лавуазье (1789 г., было известно 27 элементов).

Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1817 г., 49 элементов) предложил метод триад: химические элементы, по Дёберейнеру, образуют триады, при этом средний элемент в триаде имеет средние значения характеристик химических и физических свойств. Дёберейнер выделил триады: кальций – стронций – барий (1817 г.), литий – натрий – калий и хлор – бром – йод (1829 г.).

Александр Эмиль Босье де Шанкуртуа (1862 г., 61 элемент) предложил спиральную модель таблицы химических элементов. В вершину спирали де Шанкуртуа поместил водород, остальные элементы расположил  по спирали в порядке возрастания атомных масс, элементы, находящиеся на радиальных линиях обладают сходными химическими свойствами.

Джон Александер Рейна Ньюлэндс (1865 г., 63 элемента) предложил «метод октав»: он попытался сгруппировать элементы

в группы, по семь элементов в каждой, при этом элемент, восьмой с начала октавы и первый в следующей октаве, будет иметь химические свойства, сходные с первым элементом предыдущей октавы.

Наиболее совершенную для того времени систему создал Лотар Юлиус Мейер (1864 г.). Он расположил известные элементы     в порядке возрастания атомных объемов, при этом указал на периодичность химических свойств элементов, расположенных таким образом.

Эпохальным событием в истории естествознания явилось открытие Периодического закона Дмитрием Ивановичем Менделеевым 17 февраля 1869 года.

Предшественниками Д. И. Менделеева, были решены следующие важные задачи: Дёберейнером установлена взаимосвязь химических и физических свойств элементов, позволяющая объединить их в группы, де Шанкуртуа, Ньюлендс и Мейер обнаружили периодичность в изменении химических свойств элементов при возрастании какой-либо их физической характеристики. При этом периодичность имела дискретный характер. Таким образом, в химии утвердилась концепция дискретности вещества и сформировалась концепция периодичности химических свойств. Эти концепции явились основой открытия Периодического закона.

 

На рис. 2 показан периодический процесс изменения некоторой величины y при непрерывном (а) и дискретном (б) изменении величины x.

Дмитрий Иванович Менделеев расположил химические элементы в порядке возрастания атомных масс. Существенное отличие его таблицы от таблиц предшественников было в следующем:

• в тех случаях, когда по атомной массе элемент предшествовал другому элементу, а по химическим свойствам, он должен был следовать за ним, Менделеев отдал предпочтение химическим свойствам, поменял местами эти элементы;
• в своей таблице элементов Менделеев оставил пять пустых клеток для не открытых пока элементов, предвидя их открытие;
• Менделеев дал подробную и, как оказалось, точную характеристику не открытым еще элементам.

Гениальный химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в области гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных разделах химической технологии,…, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве.

Л. А. Чугаев (о Д. И. Менделееве)

 

Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) – великий русский химик и физик, автор Периодического закона химических элементов.

Д. И. Менделеев предсказал существование критической температуры, получил общее уравнение состояния идеального газа. Менделееву принадлежит ряд работ по метеорологии, метрологии, химической технологии.

Таким образом, Д. И. Менделеев не только создал таблицу химических элементов – он открыл один из важнейших законов природы. Периодический закон химических элементов, открытый Д. И. Менделеевым, обладал главным признаком теории – предсказательностью: когда в 1875 г. Поль Эмиль Лекок де Буабодран экспериментально открыл новый элемент, названный галлием, Д. И. Менделеев указал на несоответствие свойств нового элемента и предсказанного им экаалюминия. Более точный эксперимент Лекока де Буабодрана подтвердил правоту Д. И. Менделеева, справедливость открытого им периодического закона. (Д. И. Менделеев назвал Лекока де Буабодрана «укрепителем периодического закона»).

Периодическая система элементов представлена в табл. 1.

 

Таблица 1

Периодическая система химических элементов

1H

2He

3Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Te

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

57La*

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

87Fr

88Ra

89Ac**

104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

110Ds

111Rg

*

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

**

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lr