Химия : Відкриття періодичного закону Менделєєва

Відкриття періодичного закону Менделєєва

2

РЕФЕРАТ

на тему:

«Відкриття періодичного закону Менделєєва»

Зміст

І. Вступ.

ІІ. Історія відкриття періодичного закону хімічних елементів.

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

2.2. Відкриття періодичного закону Д.І. Менделєєва;

2.3. Значення періодичного закону для розвитку для розвитку хімічної науки.

ІІІ. Висновок.

Література.

І. Вступ.

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

За словами самого Дмитра Івановича Менделєєва, відкриттю періодичного закону сприяло нагромадження «до кінця 60-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 й ін. Дійсно, уже в п'ятидесяті - шістдесяті роки з'явилося понад десяток спроб знайти систему елементів, що заслуговують на увагу.

Все частіше в деяких роботах з'являються думки про необхідність класифікації хімічних елементів. Так, у роботі А. Беренфельда вказується, що серйозне значення має вивчення рідкісних елементів: «...вони усе більше й більше заповнюють пробіли між відомими... тілами природи й допомагають скласти із цих тіл безперервний ряд, у якому всякий елемент мав би своє певне місце». Особливо цікава щодо цього дисертація Н. Алишевського (1865), що писав: «Останнім часом при величезному достатку матеріалів у хімії усе більше й більше пробивається прагнення систематизувати, групувати вироблені факти. Сучасні хіміки прийшли до висновку, що багато хімічних елементів, досить різні по своїх зовнішніх фізичних властивостях, 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 реакцій їх полегшиться найвищою мірою, а разом з тим з'явиться можливість зробити ті виcновки, установити такі закони, які дотепер були долею тільки однієї органічної хімії».

Сам Н. Алишевський провів порівняння деяких властивостей на основі положення елементів у їхніх природних групах.

Але якщо рівень знань епохи об'єктивно визначив можливість наукового рішення проблеми, то від рівня знань ученого і його світогляду залежало перетворити цю можливість у дійсність. Це не випадково вдалося здійснити Менделєєву.

ІІ. Історія відкриття періодичного закону хімічних елементів.

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

Відкриття Д. І. Менделєєвим періодичного закону не було несподіваним і випадковим; воно виявилося закономірним завершенням певного етапу пізнання природи, якісним стрибком у розвитку людських знань про речовину та її перетворення.

Історія науки знає багато важливих винаходів, але вирішальне значення як для дальшого систематичного пізнання природи, так і для діалектико-матеріалістичного розуміння різних природних явищ мало відкриття закону збереження маси речовини, законів атомістики, періодичного закону, створення теорії будови атома. Кожне з цих великих відкриттів народжувалось у лоні попередньої до нього теорії та на її базі. Досить це показати на такому прикладі.

Відомо, що практичне відкриття перетворення форм матеріального руху так стародавнє, що від нього можна вести літочислення історії людства, а теоретичне вираження ідеї збереження речовини й перетворення руху сформульоване в наївно діалектичній формі ще в стародавній китайській і грецькій філософії. Проте тільки експериментально доведений М.В. Ломоносовим закон збереження маси речовини став фактичним науковим підтвердженням ідей матеріалістичної філософії про вічність матерії, про єдність матерії та руху.

У свою чергу закон збереження маси речовини був тією основою, на якій став можливим розвиток законів хімічної атомістики (вчення про будову речовини) і створення кінетичної теорії газів. Закони атомістики дали поштовх до глибокого розуміння хімічних перетворень, поєднуючи кількісну і якісну їх характеристику.

Наслідком застосування законів атомістики до вивчення хімічних процесів стало сформування теорії хімічної будови речовин О. М. Бутлерова в органічній хімії й відкриття періодичного закону хімічних елементів - у неорганічній.

Перший міжнародний конгрес хіміків (1860 р.) ствердив атомно-молекулярну теорію, яка відкрила широкі перспективи розвитку органічної та неорганічної хімії. В 60-х роках минулого століття з метою більш точного визначення атомної маси елементів виконується багато цікавих аналітичних і синтетичних досліджень, які сприяли дальшому розробленню методів хімічного аналізу.

Розвиток хімічного аналізу у свою чергу привів до відкриття нових хімічних елементів. Загальна кількість відомих хімічних елементів у цей час досягла 65.

Ще в перших десятиріччях XIX ст. у науці панувала думка про те, що хімічними елементами є такі речовини, які вже далі, при хімічному аналізі, не розкладаються. Хоч визначення елемента як останньої грані хімічної подільності сполук і давало можливість виділити менш складні тіла аналітичним шляхом, але воно мало значний недолік: елементи ставилися в залежність від уміння дослідників розкладати хімічні сполуки. Саме тому до числа елементів могли бути причислені сполуки, які дуже важко розкласти широко доступними методами. У зв'язку з цим істотною була постановка питання: як бути з гранями подільності речовин на елементи та складні тіла, скільки всього повинно бути елементів і яким законам вони підлягають.

Ці питання висувались з усією гостротою хіміками середини минулого століття й на них дав відповідь новий закон хімії - періодичний закон, який не тільки об'єднав усі відомі хімічні елементи в одну систему, але й розкрив саме поняття «хімічний елемент».

Значну роль у розумінні поняття «хімічний елемент» відіграла атомно-молекулярна теорія, яка порівнювала елемент з типом атомів, що характеризується певною масою (атомна маса,) і відповідними властивостями. Згідно з періодичним законом, крім атомної маси, характерною ознакою елемента є його положення в системі елементів і, отже, його відношення до інших елементів. Ця ж остання ознака визначення поняття «елемент» могла бути прийнята за основу лише тому, що періодичний закон давши основу суто наукової класифікації елементів.

З історії хімії відомо, що першу спробу класифікації елементів зробив великий французький вчений А. Лавуазьє, який ділив елементи за дуже примітивним принципом на метали й не метали. Далі цей поділ відстоював шведський вчений Я. Берцеліус, користуючись при цьому своїм правилом електро-хімічного дуалізму (що допускає лише сполучення елементів з різними електричними зарядами їх - позитивним і негативним). Ця перша класифікація елементів, що бере свій початок з кінця XVIII ст., при всій своїй обмеженості не позбавлена логічної основи. Справа в тому, що й пізніше й навіть тепер ми користуємось певним рядом ґрунтовних ознак, які характерні металам, для доповідного опису властивостей того або іншого елемента. Разом з тим вся багатогранність хімічних перетворень не може бути зведена до двох типів ознак - металічності й неметалічності. Саме тому вже в перших десятиріччях XIX ст. робляться спроби більш досконалої класифікації елементів.

В XIX ст. у зв'язку з розкриттям подібності у властивостях багатьох елементів дослідники починають шукати певний взаємозв'язок, якому повинні підкоритись всі елементи. Цікавою в цьому відношенні була спроба німецького вченого Й.В. Деберейнера, який звернув увагу на існування ряду потрійних аналогій серед хімічних елементів. Він проаналізував перехід від одиничних зв'язків до особливих, але не піднявся у своєму дослідженні до розкриття загального взаємозв'язку між елементами. В опублікованій в 1829 р. роботі Й.В. Деберейнер сформулював правило тріад, згідно якого наводиться 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: (6.94 + 39.10) / 2 = 23.02 - атомна маса натрію.

Алі Деберейнер не зміг згрупувати всі елементи в тріади. Він виділив лише такі тріади: літій, натрій, калій; кальцій, стронцій, барій; фосфор, арсен, стибій; сірка, селенів, телур; хлор, бром, йод.

Відкрите ним часткове правило не говорило нічого про можливість наукового передбачення, а отже, й 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 всього на числа, кратні 8. Таблиця Петтенкофера включала вже 18 елементів. Класифікаційний принцип Деберейнера - Петтенкофера був підтриманий працями Ж.Б. Дюма, який поділив всі відомі елементи на шість груп, що включали споріднені елементи: водень, фтор, хлор, бром; кисень, сірка, селеній; азот, фосфор, арсен; вуглець, силіцій; бор. Дюма відмічав, що атомна маса і хімічні властивості середніх елементів є немовби середнім арифметичним властивостей і атомної маси крайніх елементів.

Подібні спроби класифікації були також зроблені рядом інших вчених. В 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. В 1862 р. він розташував всі елементи в порядку зростання їх атомної важеля 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 розміщувались вздовж по вертикалі.

В 1863 р. англійський хімік Дж. Ньюлендс помітив, що при послідовному розташуванні елементів у ряд відповідно до зростання їх атомних важелів (еквівалентів), кожний восьмий елемент повторює властивості першого. Він виділив сім таких груп (октав). Але й у цьому випадку елементи розташовувались не закономірно, а випадково, підганялись під емпіричне правило й досить часто схожі елементи не потрапляли в один ряд, і навпаки, відмінні за властивостями елементи знаходились один від іншого через сім на восьмому місці. Отже, і правило Ньюлендса не могло поширитись на всі елементи, оскільки в його основі лежала механістична ідея найпростішого й різкого розподілу елементів за групами.

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

В 1864 р. німецький хімік Л. Мейєр опублікував схему, у якій елементи були розбиті на шість груп за ознакою однакової валентності. Він помітив, що в схожих елементів з однаковою валентністю атомна маса має однакову різницю.

Але класифікаційний принцип, в основу якого була покладена валентність, не міг привести до відкриття взаємозв'язку між всіма елементами, оскільки він не допускав змінного характеру валентності. У таблиці Л. Мейєра часто була відсутня аналогія у вертикальних стовпчиках елементів. Вона відображала в основному ті аналогії, на які вже вказував В. Одлінг (1857 р.), і значно уступала принципам, якими керувались Шан-куртуа й Ньюлендс.

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

Таким чином, уже в 50 - 60-х роках минулого століття багато хіміків-дослідників звертаються до проблеми систематики елементів, роблять спроби знайти загальну залежність між елементами. Проте вони не зуміли повністю розкрити таку залежність і їм не вдалося знайти об'єктивний закон, що лежить в основі взаємозв'язку між хімічними елементами.

Кожний об'єктивний закон є найбільш загальною й високою в порівнянні з причиною й наслідком формою зв'язку, що характеризує суть явищ. Розкриваючи причинно-наслідкові відношення між суттю явищ, закон вказує на загальність їх у межах певних форм руху. Виступаючи як необхідний, суттєвий, внутрішній відносно стійкий зв'язок предметів і явищ у їх русі, всякий закон природи дає можливість відкривати нові факти, становить основу наукового передбачення.

Висновки по систематиці елементів, які зробили попередники Д. І. Менделєєва, не відповідали вимогам наукового розуміння закону. Дослідники, які, здавалось, могли відкрити періодичний закон, не зрозуміли його суті. Про це говорило перш за все ставлення одного з цих учених - Л. Мейєра до висновків, зроблених Д.І. Менделєєвим. Л. Мейєр віднісся до висновків з періодичного закону як до таких, що грунтуються на хитких принципах, а запропоновану Д.І. Менделєєвим зміну атомної маси деяких елементів він вважав передчасною. І хоча Л. Мейєр після відкриття Д.І. Менделєєвим періодичного закону теж говорив про періодичну залежність властивостей, проте суті закону він так і не зрозумів.

Попередники Д.І. Менделєєва в галузі класифікації елементів не змогли відкрити періодичного закону з двох причин: по-перше, всі вони зосереджували увагу на правилах класифікації, а не на законі, що повинний визначити природу цієї класифікації, і, по-друге, їх 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 не раз підкреслював, що всі попередні класифікації малі велике значення, бо в них по зернах нагромаджувались необхідні хімічні знання про кількісні і якісні зміни властивостей елементів, про подібність елементів певних груп, які стали передумовою відкриття періодичного закону.

2.2. Відкриття періодичного закону Д.І. Менделєєва;

Дмитро Менделєєв (1834-1907) народився в Тобольську в родині директора гімназії й піклувальника народних училищ Тобольской губернії Івана Павловича Менделєєва й Марії Дмитрівни Менделєєвої. Виховувала його мати, оскільки батько майбутнього хіміка осліп незабаром після народження свого сина.

Восени 1841 року Митя вступив у Тобольскую гімназію. Він був прийнятий у перший клас з умовою, що залишиться там два роки, поки йому не здійсниться вісім років.

Нещастя переслідували родину Менделєєвих. Восени 1847 року помер батько, а через три місяці - сестра Аполлінарія. Навесні 1849 року Митя закінчив гімназію, і Марія Дмитрівна, розпродавши майно, разом з дітьми відправилася спочатку в Москву, а потім у Петербург. Їй хотілося, щоб молодший син вступив до університету.

Лише завдяки клопотанню матері 9 серпня 1850 року Дмитро був зарахований студентом Головного педагогічного інституту в Петербурзі на фізико-математичний факультет.

Перша наукова праця Менделєєва «Хімічний аналіз ортіту з Фінляндії» була опублікована в 1854 році, наступного року він закінчив інститут. У травні 1855 року Вчена рада присудила Менделєєву титул «Старший учитель» і нагородила золотою медаллю. Лікарі рекомендували йому змінити нездоровий петербурзький клімат і виїхати на південь.

В Одесі Менделєєва призначили викладачем математики, фізики й природничих наук у гімназію при Рішельєвському ліцеї. Багато часу він віддавав роботі над магістерською дисертацією, у якій розглядав проблему «питомих обсягів» з погляду унітарної теорії Жерара, повністю відкинувши дуалістичну теорію Берцеліуса. Ця робота показала дивну здатність Менделєєва до узагальнення і його широкі пізнання в хімії.

Восени Менделєєв блискуче захистив дисертацію, з успіхом прочитав і вступну лекцію «Будова силікатних сполук» і на початку 1857 року став приват-доцентом при Петербурзькому університеті.

В 1859 році він був відряджений за кордон. Два роки Менделєєв провів у Німеччині, де організував власну лабораторію. Наприкінці лютого 1861 року Менделєєв приїхав у Петербург. Знайти викладацьку роботу в середині навчального року було неможливо. І він вирішує написати підручник з органічної хімії. Підручник, що вийшов незабаром у світ, а також переклад «Хімічної технології» Вагнера принесли Менделєєву велику популярність. 1 січня 1864 року Менделєєва було призначено на посаду штатного доцента органічної хімії Петербурзького університету. Одночасно із цією посадою Менделєєв одержав місце професора в Петербурзькому технологічному інституті. Тепер турбот про матеріальне забезпечення родини стало менше, і Менделєєв приступив до роботи над докторською дисертацією. Захист дисертації відбувся 31 січня 1865 року. Через два місяці Менделєєв був призначений екстраординарним професором на кафедрі технічної хімії Петербурзького університету, а в грудні - ординарним професором. У той час виникла гостра необхідність створити новий підручник з неорганічної хімії, який би відображав сучасний рівень розвитку хімічної науки. Ця ідея захопила Менделєєва. Одночасно він почав збирати матеріал для другого випуску підручника, куди повинен був ввійти 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 заносив назву елемента, його атомну вагу, формули з'єднань і основні властивості. Поступово кошик наповнювалася картками, що містили відомості про всі відомі до цього часу елементи. Проте, довгий час нічого не виходило. Говорять, що періодичну таблицю елементів учений побачив у сні, залишалося її лише записати й обґрунтувати.

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 вже дані через призму ще не сформованої концепції й, подібно скульпторові, викидав все зайве.

Поступово Менделєєв зрозумів, що зі зміною атомної ваги змінюються й властивості елементів. Наближався до 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 листок, на якому був записаний його «Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній масі й хімічній подібності». 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 і Новгородської губерній.

З того дня, коли за простими рядами символів х