Номер 3, страница 18 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Примените свои знания. Параграф 3. Становление и развитие периодического закона и теории химического строения. Глава I. Строение веществ - номер 3, страница 18.

Условие.

3. Расскажите о становлении и развитии периодического закона и теории химического строения органических соединений по плану:

— предпосылки;

— участие авторов в научных форумах;

— основные положения;

— современное развитие.

Решение.

Решение 2.

Становление и развитие периодического закона Д.И. Менделеева

предпосылки;

К середине XIX века было накоплено достаточно сведений для обобщения и систематизации химических элементов, что и послужило предпосылками к открытию периодического закона.

• Открытие большого числа химических элементов (к 1869 году было известно 63 элемента).
• Установление атомных масс как одной из главных характеристик элементов. Работы Й.Я. Берцелиуса и С. Канниццаро, а также решения Международного конгресса химиков в Карлсруэ (1860 г.) способствовали унификации понятия атомной массы.
• Предшествующие попытки классификации элементов:
  • Триады И.В. Дёберейнера (1829 г.): он заметил, что некоторые сходные по свойствам элементы можно сгруппировать по три (триады), где атомная масса среднего элемента приблизительно равна полусумме атомных масс двух крайних (например, $Li, Na, K$ или $Cl, Br, I$).
  • «Земная спираль» А.Э. де Шанкуртуа (1862 г.): он расположил элементы в порядке возрастания атомных масс по винтовой линии на поверхности цилиндра и отметил, что на одних и тех же вертикальных линиях оказываются элементы со сходными свойствами.
  • Закон октав Дж.А. Ньюлендса (1864 г.): он обнаружил, что если расположить элементы в порядке увеличения их атомных масс, то свойства каждого восьмого элемента напоминают свойства первого, подобно нотам в музыкальной октаве.
  • Таблица Л. Мейера (1864 г.): немецкий ученый создал таблицу, в которой элементы были расположены по группам в соответствии с их валентностью и атомными массами, но он не сделал теоретических обобщений и предсказаний, в отличие от Менделеева.

Ответ: Предпосылками к открытию периодического закона стали накопление знаний об элементах и их свойствах, утверждение понятия атомной массы и ранние попытки систематизации элементов Дёберейнером, де Шанкуртуа, Ньюлендсом и Мейером.

участие авторов в научных форумах;

Ключевую роль в создании и признании периодического закона сыграло активное участие Д.И. Менделеева в научной жизни.

• Международный конгресс химиков в Карлсруэ (1860 г.): Менделеев лично присутствовал на этом съезде. Утверждение атомно-молекулярной теории и точных значений атомных масс послужило отправной точкой для его работы.
• Представление закона (1869 г.): 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 года Д.И. Менделеев завершил работу над первым вариантом таблицы «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».
• Доклад в Русском химическом обществе: 6 марта (18 марта по новому стилю) 1869 года от имени Менделеева (который был болен) его коллега Н.А. Меншуткин сделал сообщение о предложенной системе на заседании Русского химического общества.
• Публикации: Статья Менделеева была опубликована в «Журнале Русского химического общества», а также разослана многим отечественным и зарубежным ученым. Для широкого международного признания она была опубликована в ведущем европейском химическом журнале «Zeitschrift für Chemie».

Ответ: Д.И. Менделеев участвовал в конгрессе в Карлсруэ, который дал ему необходимую базу данных, а затем представил свой закон и таблицу на заседании Русского химического общества и опубликовал их в российских и зарубежных научных журналах для широкого обсуждения.

основные положения;

Первоначальная формулировка закона и основные идеи, заложенные Д.И. Менделеевым, стали революционными для химии.

• Формулировка закона (1869 г.): «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».
• Основа системы: Элементы расположены в порядке возрастания их атомных масс.
• Периодичность: Свойства элементов (валентность, характер оксидов и гидроксидов, физические свойства) изменяются не монотонно, а периодически повторяются.
• Предсказательная сила: Менделеев оставил в таблице пустые места для еще не открытых элементов и предсказал их существование и свойства (экаалюминий — галлий, экабор — скандий, экасилиций — германий).
• Коррекция атомных масс: На основании закона он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, индия, урана), которые были определены неверно.

Ответ: Основные положения закона Менделеева заключались в том, что свойства элементов и их соединений периодически зависят от их атомных масс, что позволило не только систематизировать известные элементы, но и исправить их характеристики и предсказать существование новых.

современное развитие.

Периодический закон получил мощное развитие с появлением новых физических теорий и открытий в XX и XXI веках.

• Современная формулировка: «Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов их атомных ядер».
• Физический смысл: Открытие строения атома и работы Г. Мозли (1913 г.) показали, что фундаментальной характеристикой элемента является не атомная масса, а заряд ядра (атомный номер). Это разрешило все «проблемные» пары в таблице (например, $Ar-K$, $Co-Ni$, $Te-I$).
• Квантово-механическое объяснение: Квантовая механика объяснила периодичность свойств периодическим повторением электронных конфигураций внешних энергетических уровней атомов. Структура таблицы (периоды, группы, блоки s-, p-, d-, f-элементов) напрямую отражает порядок заполнения электронами атомных орбиталей.
• Расширение таблицы: Закон является путеводной звездой для синтеза новых, в том числе сверхтяжелых, трансурановых элементов. Он позволяет предсказывать их химические свойства. На сегодняшний день синтезированы элементы вплоть до 118-го (оганесон). Ведутся исследования в области «островов стабильности» сверхтяжелых ядер.

Ответ: Современное развитие закона связано с уточнением его формулировки на основе заряда ядра, глубоким физическим обоснованием с позиций квантовой механики и его использованием для предсказания свойств и направленного синтеза новых химических элементов.

---

Становление и развитие теории химического строения органических соединений А.М. Бутлерова

предпосылки;

К середине XIX века органическая химия накопила огромный эмпирический материал, но страдала от отсутствия единой теории, объясняющей строение и разнообразие соединений.

• Кризис старых теорий: Теория радикалов и теория типов, хотя и сыграли положительную роль, не могли объяснить явление изомерии и предсказывать свойства веществ, так как не рассматривали внутреннее строение молекул.
• Накопление фактов: Было открыто множество органических соединений, включая изомеры — вещества с одинаковым составом, но разными свойствами (например, этиловый спирт и диметиловый эфир $C_2H_6O$).
• Ключевые идеи:
  • Фридрих Кекуле (1857-1858 гг.) установил, что углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен.
  • Арчибальд Купер (1858 г.) предположил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи, и впервые использовал черточки для изображения химических связей.
• А.М. Бутлеров обобщил эти идеи, ввел фундаментальное понятие «химическое строение» и создал на его основе стройную теорию.

Ответ: Предпосылками теории строения стали кризис старых теорий, открытие явления изомерии и ключевые идеи о четырехвалентности углерода и его способности образовывать цепи, которые были обобщены и развиты А.М. Бутлеровым.

участие авторов в научных форумах;

А.М. Бутлеров активно пропагандировал свои идеи в научном сообществе, что обеспечило их быстрое признание и развитие.

• Доклад в Шпейере: 19 сентября 1861 года на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в г. Шпейер (Германия) А.М. Бутлеров выступил с докладом «О химическом строении веществ», в котором впервые изложил основные положения своей теории. Этот момент считается рождением теории химического строения.
• Публикации: Основные идеи были опубликованы в «Ученых записках Казанского университета» и в немецких химических журналах, что сделало их достоянием мировой науки.
• Учебник и научная школа: Бутлеров изложил свою теорию в классическом учебнике «Введение к полному изучению органической химии» (1864-1866). Он также создал мощную Казанскую школу химиков-органиков (В.В. Марковников, А.М. Зайцев и др.), которые своими экспериментальными работами блестяще подтвердили и развили положения теории.

Ответ: А.М. Бутлеров представил свою теорию на международном научном конгрессе в Шпейере, опубликовал ее в ведущих журналах и закрепил в фундаментальном учебнике, а его научная школа экспериментально доказала ее справедливость.

основные положения;

Теория химического строения основана на нескольких ключевых постулатах.

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентности. Порядок межатомных связей в молекуле называется химическим строением.
2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от их химического строения. Этим объясняется явление изомерии.
3. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга, что сказывается на их химических свойствах и реакционной способности.
4. Химическое строение вещества можно установить экспериментально путем изучения его химических превращений (анализ и синтез). Зная строение, можно предсказать свойства вещества.

Ответ: Основные положения теории утверждают, что атомы в молекулах соединены в определенной последовательности (химическое строение), которая определяет свойства вещества, и что атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга.

современное развитие.

Классическая теория Бутлерова стала фундаментом, на котором выросла вся современная органическая химия.

• Стереохимия (теория пространственного строения): В 1874 году Я.Г. Вант-Гофф и Ж.А. Ле Бель распространили теорию в трехмерное пространство, предположив тетраэдрическую направленность валентностей насыщенного атома углерода. Это позволило объяснить оптическую изомерию (энантиомеры).
• Электронная теория: С развитием квантовой механики было создано учение об электронном строении молекул. Понятия ковалентной связи, гибридизации атомных орбиталей ($sp^3, sp^2, sp$), распределения электронной плотности, электронных эффектов (индуктивного, мезомерного) позволили объяснить физическую природу химической связи, геометрию молекул и механизм взаимного влияния атомов.
• Динамические представления: Современная теория рассматривает молекулу не как статичную, а как динамическую систему, в которой возможны различные конформационные переходы (повороты вокруг одинарных связей).
• Физические методы исследования: Для установления строения веществ сейчас широко используются мощные физические методы: ЯМР- и ИК-спектроскопия, масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализ, которые позволяют детально и однозначно определять строение сложнейших молекул.

Ответ: Современное развитие теории строения включает учение о пространственном (стереохимия) и электронном строении молекул, а также использование мощных физических методов для установления структуры органических соединений.