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=11,0C=11,97N=14,01O=15,96F=19,1Na=22,99Mg=23,9 | Al=27,3Si=28P=30,9S=31,98Cl=35,38K=39,04Ca=39,9 | Ti=48V=51,2Cr=52,4Mn=54,8Fe=55,9Co=Ni=58,6Cu=63,3Zn=64,9 | As=74,9Se=78Br=79,75Rb=85,2Sr=87,0 | Zr=89,7Nb=93,7Mo=95.6Ru=103,5Rh=104,1Pd=106,2Ag=107,66Cd=111,6 | ?In=113,4Sn=117,8Sb=122,1Te=128?I=126,5Cs=132,7Ba=136,7 | Ta=182,2W=183,5Os=198,6Ir=196,7Pt=196,7Au=196,2Hg=199,8 | Tl=202,7Pb=206,4Bi=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).