Развитие химии в XIX веке. Периодическая система химических элементов

Государственное образовательное учреждение

гимназия №1519





















Зачётная работа по всеобщей истории на тему

«Развитие химии в XIX веке. Периодическая система химических элементов»





ученицы 10 класса «А»

Кузнецовой Елены



















Москва, 2008 год


1. Вступление



XIX век играет большую роль в мировой истории. Этот век называют «Золотым веком» мировой культуры. Но девятнадцатое столетие вошло в историю и как период прогрессивного развития науки, из всех областей которой основное значение стала приобретать химия.

Многие открытия в области химии совершили учёные всего за сто лет. На протяжении первой половины века были сформулированы основные количественные законы (закон эквивалентов Рихтера, закон кратных отношений Дальтона, законы электролиза Фарадея, закон атомов Канниццаро, закон соединения газов между собой Гей-Люссака, закон пропорциональности между плотностями газов или паров и молекулярными весами – закон Авогадро и т.д.), на основе которых сложилась атомно-молекулярная теория. Уже в конце XVIII века начинается изучение органической химии. Однако в наши дни немногие ставят заслуги европейских учёных на первый план. У любого современного школьника предмет химии ассоциируется, прежде всего, с периодической системой химических элементов, или таблицей Менделеева. Действительно, прежде чем вникнуть в суть основных законов и понятий химии, каждый из нас ознакомился с классификацией химических элементов. 

Периодическая система, или периодическая классификация, элементов имела огромное значение для развития неорганической химии во второй половине XIX века. Это значение в настоящее время колоссально, потому что сама система в результате изучения проблем строения вещества постепенно приобрела ту степень рациональности, которой невозможно было достичь, зная только относительные атомные веса. Переход от эмпирической закономерности к закону составляет конечную цель всякой научной теории, однако этой цели можно достигнуть не в любой момент. Поэтому до перехода к изучению более сложных теорий необходим исторический анализ идей и постулатов периодической классификации.


2. Периодическая система элементов



Не считая попыток Лавуазье и его школы дать классификацию элементов на основе критерия аналогии в химическом поведении, первая попытка периодической классификации элементов принадлежит Дёберейнеру. Он заметил, что если сгруппировать элементы в группы по три с учётом их химической аналогии и расположить их в порядке увеличения атомного веса, то атомный вес элемента. Находящегося между двумя другими, является средним арифметическим атомных весов этих двух элементов. Так, например, в группах



Сера 32,1

Хлор 35,5

Кальций 40,1

Селен 79,2

Бром 80

Стронций 87,7

Теллур 127,5

Йод 126,8

Барий 137,4



атомный вес селена довольно близок к полусумме атомных весов серы и теллура; то же самое можно сказать о броме и стронции. Так возникли триады Дёберейнера – первая попытка периодической классификации элементов.

Опираясь на критерий аналогии между химическими свойствами элементов и на более точные значения атомных весов, «рациональную» классификацию элементов пытались разработать и другие учёные: в 1850 году Макс Петтенкофер (1818 - 1901), известный главным образом многочисленными исследованиями по физиологической химии (количественные соотношения между вдыхаемым и выдыхаемым воздухом, обмен веществ у животных); в 1852 году Питер Кремерс из Кёльна; в 1859 году Джон Глэдстон (1827 - 1902), профессор в Лондоне, изучавший отношения между химическим строением и атомной рефракцией; в 1857 году Джосайа Парсонс Кук (1827 - 1894), профессор химии в Кембридже (Массачусетс); в 1857 году Эрнст Ленсен, химик-техник, вышедший из школы Фрезениуса; в 1858 году Уильям Одлинг (1829 - 1921) и в 1859 году Адольф Штреккер (1822 - 1871), ученик Либиха и профессор в Тюбингене и Вюрцбурге, известный многими исследованиями по органической химии (амино- и оксикислоты, мочевина, таннин), автор прекрасного «Учебника химии». Но только Александр Эмиль Бегие де Шанкуртуа (1819 - 1886), профессор Парижской высшей горной школы, в своём сочинении «Земная спираль» значительно развил периодическую классификацию, группируя элементы в порядке увеличения атомных масс по спирали. И показал, что аналогичные элементы приходятся на одну и ту же образующую цилиндра. На который навёртывается спираль. Почти одновременно Джон Александер Рейна Ньюлендс (1838 - 1898), расолагая элементы по возрастанию атомного веса, заметил, что можно составить группы из семи элементов, так что восьмой элемент, считая от данного, обладает свойствами, аналогичными первому в предшествующей группе. Ньюлендс связал такую правильность с музыкальными октавами и определил её как закон или правило октав. Периодическая таблица Ньюлендса, хотя и неполная, действительно важна для истории периодической классификации.

К тому же результату пришёл гениальный немецкий учёный Лотар Мейер (1830 - 1895). Уже в первом издании своей книги «Современные теории химии» (1864), составленной, насколько это касается атомистической концепции, в соответствии с реформой Канниццаро, он привёл таблицу, в которой элементы расположены в порядке увеличения атомной массы, отметив, что те элементы, которые имеют почти те же самые химические свойства, попадают в одни и те же вертикальные столбцы. Но в этом первом высказывании он не развил дальше представления об отношении рядов элементов. Только в 1870 году Мейер опубликовал полную таблицу элементов, располагая их в порядке возрастания атомного веса., и ясно показал, что периодичность свойств элементов является функцией их атомного веса.




ПРИРОДА ЭЛЕМЕНТОВ КАК ФУНКЦИЯ ИХ АТОМНОГО ВЕСА

(Л.Мейер, декабрь 1869 года)

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX























Li=7,01



?Be=9,3

B=11,0

C=11,97



N=14,01



O=15,96



F=19,1







Na=22,99



Mg=23,9

Al=27,3

Si=28



P=30,9



S=31,98



Cl=35,38







K=39,04



Ca=39,9





Ti=48



V=51,2



Cr=52,4



Mn=54,8

Fe=55,9

Co=Ni=58,6



Cu=63,3

Zn=64,9







As=74,9



Se=78



Br=79,75







Rb=85,2



Sr=87,0





Zr=89,7



Nb=93,7



Mo=95.6



Ru=103,5

Rh=104,1

Pd=106,2

Ag=107,66

Cd=111,6

?In=113,4

Sn=117,8



Sb=122,1



Te=128?



I=126,5







Cs=132,7



Ba=136,7









Ta=182,2



W=183,5



Os=198,6

Ir=196,7

Pt=196,7



Au=196,2

Hg=199,8

Tl=202,7

Pb=206,4

Bi=207,5



3. Таблица Менделеева



В 1869 году независимо от Мейера в «Журнале Русского химического общества» появилась таблица периодической системы более полная, чем какая-либо из опубликованных до тех пор. Автор, Менделеев, был крупным химиком и профессором в Петербурге. Он не только констатировал периодичность физических и химических свойств элементов как функцию атомного веса, но и вывел некоторые принципы, оказавшие большую услугу научному исследованию, чем классификация, потому что в качестве предвидений они составили путеводную нить для новых открытий. Первый и самый важный есть принцип атомной аналогии [сходства элементов в пределах ряда и группы], позволяющий, кроме исправления атомного веса элемента, в случае если он ошибочен, предвидеть существование ещё не открытых элементов. В 1870 году Менделеев дополнил предыдущую таблицу, что следует рассматривать как выражение его зрелых размышлений о периодической классификации. 

В этой таблице имеется 8 вертикальных столбцов, которые содержат 8 групп элементов; валентность их по кислороду изменяется от 1 до 8 при переходе от группы I к группе VIII; элементы групп I, II, III и VIII обычных соединений с водородом не образуют, но элементы групп IV, V, VI и VII с ним соединяются, причём валентность по водороду уменьшается от группы IV к группе VII. Группа VIII содержит элементы различной валентности, которая варьируется от одновалентности (как у никеля) до восьмивалентности (как у осмия). Элементы этой группы проявляют обыкновенно промежуточные степени валентности: так, железо, кобальт и никель, как правило, бывают двух- и трёхвалентны, платина и её аналоги – двух- и четырёхвалентны и т.д.

Рассмотрим построение таблицы Менделеева. В ней имеется, как уже сказано. 8 групп (вертикальные столбцы) и 10 рядов (горизонтальные строки), кроме водорода и типических элементов. Элементы, находящиеся в одной и той же группе, характеризуются общей предельной способностью к соединению: по отношению к кислороду она варьируется от R2O в группе I до RO4 в группе VIII. Каждая группа содержит два вертикальных столбца. И входящие в них элементы образуют семейства, обладая не только одинаковой способностью к соединению, но и проявляя ярко выраженную аналогию в химическом поведении.

Ряды разделяются на нечётные (1, 3, 5, 7, 9) и чётные (2, 4, 6, 8, 10). Только в ряду 7 нет ни одного известного элемента. В таблице имеются пустые места, которые Менделеев в то время заполнил прочерками, указывавшими на ещё не известные элементы, но для которых на основании принципа атомной аналогии он установил атомный вес, приняв его средним между атомными массами двух соседних элементов того же ряда («гетерологичные элементы») и той же группы («гомологичные элементы»). Так, например, первое пустое место в III группе позволило предсказать существование элемента с атомным весом 44, потому что два гетерологичных элемента Ca=40 и Ti=48 дают в среднем 44. таким неизвестным элементам Менделеев дал предварительные наименования, добавляя приставку «эка» [по-санскритски – один, т.е. первый аналог] к названию элемента, непосредственно предшествующего «элементу» по группе. Поэтому неизвестный элемент группы III получил название экабор. Менделеев также предсказал физические и химические свойства этого элемента и его соединений.

В 1879 году Л. Ф. Нилсон (1840 - 1899) открыл среди редких земель скандий, который, как выяснилось, соответствовал экабору Менделеева: определение атомного веса дало значение 44,1 (в настоящее время для него принято значение 45,1). 

Неизвестный элемент той же группы экаалюминий был открыт в 1875 году Лекоком де Буабодраном (1838 - 1912) и назван галлием; атомный вес был найден равным 70 (в настоящее время 69,72). Экасилиций в группе IV был открыт в 1886 году Клеменсом Винклером (1838 - 1904) и получил название германий; ему был приписан атомный вес 72 (в настоящее время 72,6).

Этих немногих примеров достаточно, чтобы подчеркнуть огромную важность классификации Менделеева и её значение как путеводной нити в исследовательской работе.



4. Видоизменённые таблицы

неорганический химия элемент периодический

Хотя классификация Менделеева и имела значительные достоинства, которые способствовали её быстрому распространению и превращению в руководящий критерий для исследований в области неорганической химии, она не была полностью лишена недостатков. Это побуждало тех, кто готов был принять её, к дальнейшим исследованиям с целью устранить или хотя бы объяснить первоначальные её несовершенства. Первый недостаток таблицы заключался в том, что водород как одновалентный элемент был помещён в начале I группы. Однако химики ещё не пришли к единому мнению. Следует ли водород помещать в эту группу, т.е., выражаясь более точно, химики считали, что водород не похож в химическом отношении на другие элементы этой группы.

Помещение элементов меди, серебра и золота в I группе вместе с щелочными металлами и в VIII группе вместе с металлами группы железа и группы платины явно непоследовательно. Другие отклонения замечаются в VI, VII и VIII группах, особенно в типах кислородных соединений таких элементов, как хром, молибден, уран, марганец, йод и другие.

Аугусто Пиччини (1854 - 1903) объяснил эти отклонения в классификации Менделеева, установив, что следует понимать под предельными формами соединения, и открыв неожиданные отношения между химическими свойствами элементов.

Для того чтобы периодическая классификация приобрела ещё большую предсказательную силу и одновременно могла быть усовершенствована, имели значение работы по неорганической химии, проведённые в последние десятилетия XVIII века. Толчком к пересмотру классификации послужили исследования редких земель, которые привели к выделению многих элементов, не поддававшихся обычному способу классификации (в соответствии с правилом расположения элементов согласно увеличению атомной массы), и к открытию благородных газов. Этот вопрос следует осветить более подробно. 

Ко времени, когда Менделеев представил в виде таблицы периодическую систему, были описаны иттрий (Гадолин, 1794), церий (Берцелиус и Хисингер, 1803), эрбий (Мосандер, 1843), лантан (Мосандер, 1839), «дидим» Мосандера (1842), который, как было установлено позднее, оказался смесью двух элементов: неодима и празеодима (Ауэр фон Вельсбах, 1885). Указанные элементы были размещены Менделеевым в таблице в соответствии с критерием, с которыи нельзя было согласиться. 

Беглый взгляд на группу редкоземельных элементов даёт представление о трудностях, связанных с их систематикой: критерий аналогии атомов не мог помочь Менделееву, как в случае экабора, экаалюминия и экасилиция; в этом случае этот критерий был лишён по крайней мере предсказательной силы, что снижало его научную ценность.

Ниже приводится список редкоземельных элементов в порядке увеличения атомных номеров (а следовательно, и увеличения атомных весов) и год их открытия.



Элемент

Символ

Год открытия

Атомный номер

Атомный вес

Скандий 

Sc

1879

21

45,1

Иттрий 

Y

1794

39

88,92

Лантан 

La

1839

57

138,92

Церий 

Ce

1803 (1826)

58

140,13

Празеодим 

Pr

1885

59

140,92

Неодим 

Nd

1885

60

144,27

Самарий 

Sm

1879

62

150,43

Европий 

Eu

1900 (1896)

63

152,00

Гадолиний 

Gd

1888

64

156,90

Тербий 

Tb

1901 (1846)

65

159,20

Диспрозий 

Dy

1886

66

162,46

Гольмий 

Ho

1879

67

164,94

Эрбий 

Er

1843 (1879)

68

167,20

Тулий 

Tu

1879

69

169,40

Иттербий 

Yb

1879

70

173,94

Лютеций (или Кассиопей)

Lu (Cp)

1907

71

174,99



Таблица Менделеева была видоизменена Богуславом Браунером (1855 - 1935), который провёл тщательные определения атомных масс теллура и церия, ввёл нулевую группу и сосредоточил редкоземельные элементы с атомным весом между 138,9 и 173 в восьмом ряду III группы. 

В этой таблице вопреки правилу распределения элементов в порядке увеличения атомной массы оставались ещё две аномалии, которые химики не могли объяснить, пользуясь старыми представлениями; имеются в виду пары: теллур – йод и кобальт – никель. При рассмотрении таблицы обнаруживается, что что теллур в VI группе, несмотря на больший атомный вес, предшествует в шестом ряду йоду с меньшим атомным весом; то же самое можно сказать в отношении кобальта и никеля в VIII группе. Только в недавнее время с открытием изотопов элементов удалось объяснить эту кажущуюся непоследовательность.

Химические знания XIX века не были достаточны, чтобы уяснить в полном объёме тесные отношения, которые связывают элементы между собой. Мощный толчок для новых исследований внутренней природы элементов был дан открытием в 1898 году супругами Пьером Кюри и Мирией Склодовской радия и тем комплексом явлений, которые известны под названием радиоактивности. Открытие радия, безусловно, было самым сенсационным событием в области химии новой эпохи, а также самым революционным, потому что оно не только опрокинуло старое учение об элементах, но и дало начало новой науке – атомной физике.



5. Заключение



Таким образом, развитие химии в XIX столетии открыло перед человечеством новые возможности. Периодическая система химических элементов пополняется и в наши дни. В настоящее время известно уже около 110 элементов, не все из них имеют названия. Система, разработанная Менделеевым и усовершенствованная впоследствии, позволяет нам сегодня на основе нескольких характеристик сложить представление о свойствах элементов и их соединений с другими элементами. Это находит отражение в одной из самых популярных и развивающихся отраслей – материаловедении.




Список использованной литературы



1. Джуа М. История химии. – М., 1975.