Страница 44 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Как Менделеев смог открыть Периодический закон, не зная строения атома? Что ему помогло?

Открытие Дмитрием Ивановичем Менделеевым Периодического закона в 1869 году является одним из величайших достижений в истории химии. Оно было сделано в эпоху, когда о сложном строении атома, существовании протонов, нейтронов и электронов еще ничего не было известно. Успех Менделеева был основан не на знании внутренней структуры материи, а на глубоком анализе и обобщении огромного количества экспериментальных данных, накопленных к тому времени. Ему помогли несколько ключевых факторов.

1. Опора на фундаментальное свойство — атомную массу

К середине XIX века было известно 63 химических элемента. Главной количественной характеристикой каждого элемента, которую можно было измерить, была его атомная масса (в то время ее называли «атомным весом»). Менделеев принял атомную массу за основное свойство, по которому следует систематизировать элементы. Он расположил все известные ему элементы в порядке возрастания их атомных масс.

2. Систематический анализ химических свойств

Менделеев не просто расположил элементы по массе. Он тщательно проанализировал и сопоставил их химические свойства и свойства образуемых ими соединений. Ключевыми для анализа стали:

• Валентность. Он обратил внимание на высшую валентность элементов в их кислородных соединениях (оксидах) и валентность в летучих водородных соединениях (для неметаллов).
• Формы соединений. Он увидел, что формы высших оксидов периодически повторяются: от $R_2O$ (для щелочных металлов) до $R_2O_7$ (для галогенов). Аналогично повторялись и формы летучих водородных соединений: от $RH_4$ (для элементов IV группы) до $RH$ (для галогенов).
• Физические и химические свойства простых веществ и их соединений. Он учитывал плотность, температуру кипения и плавления, металлические и неметаллические свойства, кислотно-основный характер оксидов и гидроксидов.

Для наглядности Менделеев изготовил карточки на каждый элемент, где указал его атомную массу и важнейшие свойства. Раскладывая эти карточки, он искал закономерности, что и привело его к открытию.

3. Гениальное предвидение и научная смелость

Сила системы Менделеева заключалась не только в классификации известных элементов, но и в её предсказательной способности. Это проявилось в следующем:

• Оставленные пустые клетки. Обнаружив, что в ряду возрастания атомных масс некоторые элементы с похожими свойствами находятся слишком далеко друг от друга, Менделеев предположил, что между ними должны существовать еще не открытые элементы. Он смело оставил для них пустые места в своей таблице.
• Предсказание свойств новых элементов. Менделеев не просто оставил пустые клетки, но и с поразительной точностью предсказал свойства «ожидаемых» элементов, назвав их «экаалюминий», «экабор» и «экасилиций». Позже, когда были открыты галлий (1875 г.), скандий (1879 г.) и германий (1886 г.), их свойства практически полностью совпали с предсказанными. Это стало триумфом Периодического закона.
• Исправление атомных масс. Уверенность в своей правоте позволила Менделееву исправить принятые в то время атомные массы некоторых элементов. Например, для бериллия ($Be$) была принята масса 13,5, что помещало его между азотом и углеродом, нарушая логику свойств. Менделеев настоял, что его масса должна быть около 9, а валентность — II, а не III. Дальнейшие исследования подтвердили его правоту. Также он поменял местами теллур ($Te$, масса 128) и иод ($I$, масса 127), поставив иод после теллура, так как по химическим свойствам иод был аналогом брома, а теллур — селена. Это показало, что химические свойства являются более определяющими, чем строгое следование атомной массе.

Ответ:

Менделеев смог открыть Периодический закон, не зная строения атома, благодаря своему гениальному обобщению и систематизации известных на тот момент фактов о химических элементах. Ему помогли:

1. Выбор атомной массы в качестве основной характеристики для упорядочивания элементов.
2. Глубокий сравнительный анализ химических свойств элементов и их соединений (особенно валентности, форм оксидов и гидридов).
3. Обнаружение периодической повторяемости этих свойств при расположении элементов в ряд по возрастанию атомных масс.
4. Научная смелость и интуиция, которые позволили ему оставить в таблице пустые места для еще не открытых элементов, точно предсказать их свойства и исправить неверные атомные массы уже известных элементов.

1. Какие учёные исследовали явление периодичности до Менделеева? Подготовьте о них сообщение.

До открытия периодического закона Д. И. Менделеевым в 1869 году, многие учёные предпринимали попытки систематизировать химические элементы, основываясь на их свойствах и атомных массах. Эти работы стали важными предпосылками для великого открытия. Ниже представлены сообщения о наиболее значимых из этих исследователей.

Немецкий химик Иоганн Дёберейнер в период с 1817 по 1829 год одним из первых заметил закономерности в свойствах элементов. Он обнаружил, что некоторые сходные по химическим свойствам элементы можно сгруппировать по три, назвав такие группы «триадами». Характерной чертой триад было то, что атомная масса среднего элемента была примерно равна среднему арифметическому атомных масс двух крайних элементов. Примерами таких триад являются: литий (Li), натрий (Na), калий (K); кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba); хлор (Cl), бром (Br), йод (I). Хотя закон триад был применим лишь к небольшому числу известных тогда элементов, он впервые показал наличие связи между атомной массой и свойствами элементов.

Французский геолог и химик де Шанкуртуа в 1862 году предложил свою систему, известную как «земная спираль» или «теллурова спираль». Он расположил элементы в порядке возрастания их атомных масс по винтовой линии, нанесенной на поверхность цилиндра. При этом элементы со сходными химическими свойствами располагались на одной вертикальной линии. Например, на одной вертикали оказались щелочные металлы литий, натрий и калий. Работа де Шанкуртуа была первой, где периодичность свойств была наглядно связана с последовательностью атомных масс, однако она не получила должного внимания со стороны научного сообщества, так как была опубликована в геологическом журнале, а сама схема спирали по ошибке не была включена в публикацию.

Английский химик Джон Ньюлендс в 1864-1865 годах сделал следующую важную попытку классификации. Расположив все известные элементы в порядке увеличения их атомных масс, он заметил, что свойства каждого восьмого элемента повторяют свойства первого. По аналогии с музыкальной гаммой, он назвал эту закономерность «законом октав». Его таблица охватывала 62 элемента. Однако идея Ньюлендса была встречена с недоверием и даже насмешками со стороны коллег из Лондонского химического общества, которые сочли сравнение с музыкой ненаучным. Тем не менее, «закон октав» содержал верное наблюдение о периодическом повторении свойств.

Немецкий химик Лотар Мейер работал над систематизацией элементов параллельно с Д. И. Менделеевым. В 1864 году он опубликовал таблицу, в которой 28 элементов были сгруппированы по их валентности. Позже, в 1868 году, он подготовил расширенный вариант таблицы, очень близкий к таблице Менделеева. Однако его работа была опубликована только в 1870 году, уже после публикации Менделеева. Основной вклад Мейера заключался в том, что он наглядно продемонстрировал периодическую зависимость физических свойств элементов (например, атомного объёма) от их атомной массы, построив соответствующий график. Этот график чётко показывал периодические «волны» свойств.

Английский химик Уильям Одлинг также внёс свой вклад в разработку периодической системы. Между 1857 и 1868 годами он опубликовал несколько вариантов таблиц, в которых элементы были упорядочены по атомной массе и сгруппированы по сходству свойств. В своей таблице 1864 года он расположил элементы более удачно, чем Ньюлендс, и даже оставил пустые места для ещё не открытых элементов, хотя и не придал этому большого значения. Одлинг был близок к открытию периодического закона, но не сформулировал его в явном виде и не развил свою идею до уровня всеобъемлющей системы.

Ответ: До Д. И. Менделеева явление периодичности в свойствах химических элементов исследовали такие учёные, как Иоганн Дёберейнер (закон триад), Александр де Шанкуртуа (земная спираль), Джон Ньюлендс (закон октав), Юлиус Лотар Мейер (зависимость физических свойств от атомной массы) и Уильям Одлинг (разработка вариантов периодических таблиц).

2. Какие предсказания Менделеева подтвердились в XIX в.? Подготовьте сообщение об истории открытия одного из элементов.

Какие предсказания Менделеева подтвердились в XIX в.?

Дмитрий Иванович Менделеев, создавая свою Периодическую систему химических элементов в 1869 году, не просто классифицировал известные элементы, но и оставил в таблице пустые места для тех, что еще не были открыты. Основываясь на открытом им периодическом законе, он с поразительной точностью предсказал существование и свойства нескольких элементов. В XIX веке были подтверждены три его наиболее известных предсказания, что стало триумфом его теории:

• Галий (Ga) — предсказанный как «экаалюминий». Менделеев предсказал его существование в 1870 году. Элемент был открыт в 1875 году французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. Свойства галлия (атомная масса, плотность, температура плавления) практически полностью совпали с предсказанными.
• Скандий (Sc) — предсказанный как «экабор». Открыт в 1879 году шведским химиком Ларсом Нильсоном при изучении минералов гадолинита и эвксенита. Свойства скандия и его соединений также соответствовали прогнозам Менделеева.
• Германий (Ge) — предсказанный как «экасилиций». Был открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером. Это открытие стало самым ярким подтверждением периодического закона, поскольку Менделеев описал свойства экасилиция и его важнейших соединений (оксида, хлорида) с невероятной точностью.

Кроме предсказания новых элементов, Менделеев также исправил атомные массы некоторых уже известных элементов (например, бериллия, индия, урана, тория, церия), что также было позже подтверждено экспериментально и укрепило позиции периодического закона.

Ответ: В XIX веке подтвердились предсказания Д.И. Менделеева о существовании и свойствах трех новых химических элементов: галлия (1875 г.), скандия (1879 г.) и германия (1886 г.). Также были подтверждены его исправления атомных масс ряда уже известных элементов.

Подготовьте сообщение об истории открытия одного из элементов.

Сообщение об истории открытия германия (экасилиция)

Одним из самых убедительных доказательств справедливости периодического закона Д.И. Менделеева стала история открытия элемента германия.

Предсказание. В своей статье 1871 года Менделеев детально описал свойства еще не открытого элемента, который должен был располагаться в IV группе под кремнием. Он назвал его «экасилиций» (от санскритского «эка» — один, т.е. «первый аналог кремния»). Ученый предсказал его атомную массу, плотность, внешний вид, а также свойства его оксида и хлорида.

Открытие. Пятнадцать лет спустя, в 1885 году, в одной из шахт близ города Фрайберг (Германия) был обнаружен новый минерал, названный аргиродитом. Анализом минерала занялся профессор химии Фрайбергской горной академии Клеменс Винклер. Он установил, что минерал содержит серебро, серу, но около 7% его массы приходилось на неизвестное вещество. После нескольких месяцев упорной работы, 6 февраля 1886 года, Винклеру удалось выделить новый элемент в чистом виде. Ученый назвал его германием ($Ge$) в честь своей родины — Германии.

Триумф теории. Изучив свойства германия, Винклер обнаружил, что они поразительно совпадают с теми, что Менделеев предсказал для экасилиция. Сравнение предсказанных и экспериментально установленных свойств представлено в таблице:

Это блестящее подтверждение предсказаний развеяло последние сомнения в справедливости периодического закона и принесло ему всемирное признание. Сам Менделеев писал Винклеру: «...не требует более доказательств периодическая законность». Открытие германия превратило Периодическую систему из удобной классификации в мощный инструмент для научного прогнозирования.

Ответ: В сообщении представлена история открытия германия. Этот элемент был предсказан Д.И. Менделеевым как "экасилиций" в 1871 году. В 1886 году он был открыт немецким химиком К. Винклером, который назвал его германием. Экспериментально определенные свойства нового элемента (атомная масса, плотность, свойства оксида и хлорида) поразительно точно совпали с предсказанными Менделеевым, что стало решающим доказательством истинности периодического закона.

3. Чем ещё, кроме Периодического закона, известен Д. И. Менделеев? Подготовьте сообщение о его достижениях и заслугах.

Дмитрий Иванович Менделеев, гениальный русский учёный, известен всему миру прежде всего как создатель Периодического закона и Периодической системы химических элементов. Однако его научные интересы и достижения были гораздо шире и охватывали множество областей знания. Менделеев был не просто химиком, а учёным-энциклопедистом, чьи труды оказали огромное влияние на развитие науки, промышленности и экономики России. Его основные заслуги, помимо Периодического закона, лежат в следующих областях:

Исследования в области физики

Менделеев внёс значительный вклад в молекулярную физику, особенно в изучение свойств газов и жидкостей. Он вывел обобщённое уравнение состояния идеального газа, которое связывает давление, объём, температуру и количество вещества газа. Сегодня оно известно как уравнение Менделеева–Клапейрона:

$pV = \frac{m}{M}RT$

где $p$ — давление, $V$ — объём, $m$ — масса газа, $M$ — молярная масса газа, $T$ — абсолютная температура, $R$ — универсальная газовая постоянная.

Также он глубоко исследовал свойства жидкостей, их расширение и сжимаемость. В 1860 году он открыл существование «температуры абсолютного кипения», ныне известной как критическая температура. Это температура, выше которой вещество не может существовать в жидком состоянии, независимо от величины давления.

Ответ: Д. И. Менделеев внёс фундаментальный вклад в физику газов, выведя уравнение состояния (уравнение Менделеева–Клапейрона) и введя понятие критической температуры.

Химическая теория растворов

Менделеев разработал гидратную теорию растворов, которая стала важным этапом в развитии физической химии. Согласно этой теории, при растворении вещества в воде происходит химическое взаимодействие между молекулами растворённого вещества и молекулами воды с образованием нестойких соединений — гидратов. Эта теория смогла объяснить многие аномалии в поведении растворов, например, изменение их плотности и объёма при смешивании компонентов. Именно в рамках этих исследований, работая над докторской диссертацией «О соединении спирта с водою», он установил, что наибольшее сжатие объёма наблюдается при смешении спирта и воды в весовой концентрации около 46% спирта, что соответствует крепости примерно в 40°. Это научное исследование часто ошибочно связывают с «изобретением» русской водки, хотя напиток существовал задолго до Менделеева.

Ответ: Д. И. Менделеев является автором гидратной теории растворов, которая объясняла свойства растворов с точки зрения химического взаимодействия растворителя и растворённого вещества.

Метрология

Огромны заслуги Д. И. Менделеева в области метрологии — науки об измерениях. С 1892 года и до конца жизни он был управляющим Главной палаты мер и весов. Под его руководством была проведена масштабная работа по созданию и стандартизации национальной системы эталонов. Он разработал точнейшие для своего времени прототипы фунта и аршина, а также организовал их сверку с международными стандартами. Менделеев был последовательным сторонником перехода России на метрическую систему мер, понимая её важность для развития науки, промышленности и международной торговли.

Ответ: Д. И. Менделеев провёл реформу метрологической службы в России, создал национальные эталоны мер и весов и способствовал внедрению метрической системы.

Экономика и промышленность

Менделеев был глубоким экономистом и убеждённым сторонником промышленного развития и протекционизма. Он тщательно изучал нефтяную промышленность, выступал против хищнической эксплуатации месторождений и продажи сырой нефти за границу. Именно он предложил идею фракционной перегонки нефти и транспортировки её по трубопроводам, что было революционным для того времени. По заказу правительства он разработал технологию производства бездымного пороха — пироколлодия, который превосходил по своим качествам зарубежные аналоги. Его фундаментальный труд «Толковый тариф» лёг в основу таможенной политики России конца XIX – начала XX века и способствовал защите и росту отечественной промышленности.

Ответ: Д. И. Менделеев внёс огромный вклад в развитие российской промышленности и экономики, предложив идею нефтепроводов, разработав бездымный порох и создав научную основу для таможенной политики.

Воздухоплавание и география

Учёного всю жизнь интересовали вопросы метеорологии и воздухоплавания. В 1887 году, чтобы не пропустить солнечное затмение из-за низкой облачности, он в одиночку совершил полёт на воздушном шаре «Русский», поднявшись на высоту более 3 километров. Во время полёта он проводил научные наблюдения за атмосферой. Этот отважный поступок принёс ему широкую известность не только в научных кругах. Менделеев также работал над проектами управляемых аэростатов и стратостатов, занимался вопросами освоения Крайнего Севера и участвовал в проектировании первого в мире арктического ледокола «Ермак».

Ответ: Д. И. Менделеев занимался научными исследованиями в области воздухоплавания, совершив полёт на воздушном шаре для изучения атмосферы, а также внёс вклад в освоение Арктики.

Педагогическая деятельность и просветительство

Дмитрий Иванович был выдающимся педагогом и просветителем. Его двухтомный учебник «Основы химии», в котором он впервые последовательно изложил неорганическую химию на основе своего Периодического закона, стал классическим. Книга выдержала множество изданий при жизни автора и была переведена на английский, немецкий и французский языки, став настольной для нескольких поколений химиков во всём мире. На протяжении многих лет он был профессором Санкт-Петербургского университета, где читал лекции и воспитал целую плеяду талантливых учеников.

Ответ: Д. И. Менделеев был выдающимся педагогом, автором классического учебника «Основы химии» и профессором, воспитавшим множество учеников.

Какую информацию можно найти в Периодической системе?

Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева — это кладезь информации о химических элементах и их свойствах. В каждой ячейке таблицы, а также по положению элемента в ней, можно найти следующие сведения:

Основные сведения об элементе, указанные в ячейке

Символ элемента: Уникальное одно- или двухбуквенное обозначение (например, H для водорода, Fe для железа).

Название элемента: Полное название на русском и/или латинском языке.

Порядковый (атомный) номер ($Z$): Это целое число, которое соответствует количеству протонов в ядре атома. Оно же определяет количество электронов в нейтральном атоме. Например, у кислорода (O) порядковый номер 8, что означает наличие 8 протонов и 8 электронов.

Относительная атомная масса ($A_r$): Среднее значение массы атомов элемента с учётом распространённости его природных изотопов. Обычно это дробное число. Например, для хлора (Cl) она составляет примерно 35.453 а.е.м.

Информация о строении атома, определяемая по положению элемента

Заряд ядра: Равен порядковому номеру элемента со знаком плюс ($+Z$).

Количество протонов ($p^+$): Равно порядковому номеру ($Z$).

Количество электронов ($e^-$): В нейтральном атоме равно количеству протонов, то есть порядковому номеру ($Z$).

Количество нейтронов ($n^0$): Можно вычислить для наиболее стабильного изотопа по формуле $N = A - Z$, где $A$ — массовое число (округленная относительная атомная масса), а $Z$ — порядковый номер. Например, для натрия (Na) с $A_r \approx 23$ и $Z = 11$, число нейтронов $N = 23 - 11 = 12$.

Количество энергетических уровней (электронных оболочек): Равно номеру периода (горизонтального ряда), в котором находится элемент.

Количество валентных электронов: Для элементов главных подгрупп (A-групп) равно номеру группы (вертикального столбца).

Электронная конфигурация: Показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. Её можно определить по положению элемента в таблице.

Информация о химических свойствах, определяемая по положению элемента

Металлические и неметаллические свойства: Элементы в левой и нижней частях таблицы — металлы, в правой верхней части — неметаллы. Элементы на границе (диагональ от бора до астата) проявляют свойства металлоидов. В периодах слева направо металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В группах сверху вниз металлические свойства усиливаются.

Высшая степень окисления: Для большинства элементов высшая положительная степень окисления равна номеру группы. Например, сера (S) находится в VI группе, её высшая степень окисления +6 (в соединениях $SO_3$, $H_2SO_4$).

Низшая степень окисления: Для неметаллов она часто рассчитывается по формуле (Номер группы - 8). Например, для азота (N) из V группы низшая степень окисления равна $5 - 8 = -3$ (в соединении $NH_3$).

Характер соединений: Зная степень окисления, можно предсказать формулу и характер высшего оксида (кислотный, амфотерный, основный) и соответствующего ему гидроксида (кислоты или основания).

Формулы летучих водородных соединений: Для неметаллов IV-VII групп можно определить их формулу (например, для элемента Э V группы - $ЭH_3$).

Ответ: Периодическая система предоставляет исчерпывающую информацию о каждом химическом элементе, включая его символ, название, порядковый номер и относительную атомную массу. Кроме того, положение элемента в таблице (период, группа) позволяет определить строение его атома (количество протонов, нейтронов, электронов, число электронных оболочек, количество валентных электронов), а также спрогнозировать его химические свойства (металлические/неметаллические, возможные степени окисления, характер и формулы его соединений).