Периодический закон (ПЗ) и Периодическая система химических элементов (ПСХЭ) Д. И. Менделеева - Введение

Цели урока. Обобщить знания учащихся о строении атома, химических элементах, их классификации и формах их существования в виде величайшего закона природы — Периодического закона Д. И. Менделеева и его графического отображения — Периодической системы. Раскрыть научное и мировоззренческое значение Периодического закона.

Оборудование. Портрет Д. И. Менделеева. Разные формы (варианты) Периодической системы.

I. Открытие Периодического закона

В начале урока учитель говорит, что сегодня предстоит обобщить знания, которые ученики получили за весь предшествующий период обучения химии в виде Периодического закона. Его существенная особенность состоит в том, что в отличие от некоторых других фундаментальных законов природы (например, закона сохранения массы и энергии, закона всемирного тяготения и т. д.) этот закон не может быть записан в виде какой-либо математической формулы или уравнения, а имеет наглядное графическое отражение в форме Периодической системы химических элементов. Она представлена главным образом различными видами таблиц (учитель демонстрирует их коротко- и длинно-периодный варианты). Таким образом, основная мысль этой части урока сводится к тому, чтобы, перефразируя высказывание великого поэта, показать учащимся, что «Периодический закон и Периодическая система — это близнецы-братья. Мы говорим «Периодический закон» — подразумеваем Периодическую систему. Мы говорим «Периодическая система» — подразумеваем Периодический закон».

Периодический закон и Периодическая система являются основой современной химии. Они относятся к таким научным законам, которые реально существуют в природе и поэтому никогда не потеряют своего значения.

Эти закономерности были открыты не на пустом месте, они были подготовлены всем ходом истории развития химии, однако потребовалась вся гениальность научного предвидения Д. И. Менделеева, чтобы эти закономерности были озвучены. Мы будем пользоваться современными значениями тех терминов, которые применял великий русский химик, подчеркивает учитель и конкретизирует:

1) «атомный вес» → «относительная атомная масса» (А_r);

2) «валентность» → «степень окисления».

Предшественники Д. И. Менделеева сравнивали между собой только сходные элементы, а поэтому и не смогли открыть Периодический закон. В отличие от них Д. И. Менделеев обнаружил периодическое изменение свойств элементов в зависимости от изменения величин их атомных масс, сравнивая между собой все, в том числе и несходные, элементы. В своем открытии он опирался на четко сформулированные исходные положения:

• общее неизменное свойство атомов всех элементов — их относительная атомная масса;

• свойства элементов зависят от их относительных атомных масс;

• форма этой зависимости — периодическая.

Д. И. Менделеев расположил все известные ему химические элементы (их к тому времени было открыто 63) в длинную цепочку в порядке увеличения значений их А_r и заметил в этой цепочке отрезки — периоды, в которых свойства химических элементов и образованных ими веществ изменялись сходным образом, а именно:

1) металлические свойства — ослабевали;

2) неметаллические свойства — усиливались;

3) с. о. элементов в высших оксидах и гидроксидах увеличивалась с +1 до +7 (+8);

4) с. о. элементов в высших оксидах и гидроксидах увеличивалась с +1 до +3 и далее в летучих водородных соединениях увеличивалась с -4 до -1;

5) оксиды от основных через амфотерные сменялись кислотными;

6) гидроксиды от щелочей через амфотерные сменялись кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев сделал вывод — сформулировал свой Периодический закон:

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс (1-я формулировка дается в современных терминах, не искажающих ее первоначальной сути).

Днем рождения закона считается 1 марта 1869 г.

II. Периодический закон и строение атома

Первая формулировка Периодического закона сохраняла силу на протяжении 40 лет, но Периодический закон оставался лишь констатацией фактов и не имел физического обоснования. Оно стало возможным лишь в середине 1910 г., когда была разработана ядерно-планетарная модель атома и установлено, что порядковый номер элемента в Периодической системе численно равен заряду ядра его атома. Были открыты изотопы (учитель просит учащихся вспомнить, что это такое), существование которых также доказывало, что свойства химических элементов и образованных ими веществ зависят не от значений А_r (у изотопов одного элемента они разные), а от зарядов их атомных ядер (они одинаковы у изотопов одного химического элемента), например:

Открытие изотопов объяснило, казалось бы, аномальное расположение некоторых пар элементов в Периодической системе:

Аr и К, Те и I, Ni и Со.

Отсюда вывод — современная формулировка Периодического закона.

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер (2-я формулировка).

III. Периодическая система и строение атома

Периодическая система химических элементов — это графическое отображение Периодического закона, еще раз подчеркивает учитель, и каждое принятое в таблице обозначение отражает какую-либо особенность в строении атома. Учитель предлагает учащимся закончить предложения:

1) порядковый номер элемента указывает на ... (число р⁺). А так как атом электронейтрален, то номер элемента указывает и на ... (число ē);

2) число других ядерных частиц — нейтронов находят по формуле ... (N = А - Z).

Строение атома объясняет причины изменения свойств элементов

• в периодах, а именно — металлические свойства ослабевают, неметаллические — усиливаются, потому что:

а) увеличивается заряд ядра и, соответственно, число электронов на внешнем уровне, которое равно номеру элемента;

б) число энергетических уровней в пределах периода одинаково, оно равно номеру периода;

в) радиус атома уменьшается, «сжимается»;

• в группах, а именно — металлические свойства усиливаются, а неметаллические — ослабевают, так как:

а) число электронов на внешнем уровне не меняется, оно равно номеру группы;

б) число энергетических уровней увеличивается, оно равно номеру периода;

в) радиус атома увеличивается.

Следовательно, заключает учитель, можно сделать вывод — дать еще одну, причинно-следственную формулировку Периодического закона:

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от периодичности в изменении конфигураций внешних электронных слоев атомов химических элементов (3-я формулировка).

В заключение этой части урока можно или еще раз повторить закономерности в изменении свойств элементов и форм их соединений, или перенести их из 2-го урока в этот.

IV. Значение ПЗ и ПСХЭ Д. И. Менделеева

1. ПЗ и ПСХЭ позволили исправить неверные значения А_г — например, для Be с 13,5 на 9.

2. ПЗ и ПСХЭ дали возможность исправить неверные с. о. — например, для того же Be с +3 на +2.

3. ПЗ и ПСХЭ позволили предсказать, описать свойства и указать пути открытия еще не открытых элементов. Триумфом ПЗ стало открытие Ga, Sc и Ge.

4. ПЗ и ПСХЭ — это путеводная звезда к синтезу новых химических элементов.

5. Периодический закон открыл путь к изучению строения атома, позволил ученым строить гипотезы о рождении и превращении химических элементов во Вселенной, в недрах Солнца и других звезд.

Открытие Периодического закона показывает, что мир познаваем и нет предела процессам познания тайн природы. В свою очередь, Периодический закон является в настоящее время важнейшим инструментом познания. Он в значительной мере определяет развитие атомной физики, химии, геологии и астрономии, атомной и ядерной техники, химической технологии, металлургии, медицины и др.

Недаром Д. И. Менделеев писал: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются».

В заключение этой части урока учитель может также поставить ряд проблемных вопросов перед учащимися.

1. Почему один из философов назвал открытие Д. И. Менделеевым Периодического закона и предсказание на его основе неоткрытых элементов научным подвигом?

2. Почему водород в ПСХЭ записывается дважды и в столь резко полярных группах: в IA и в VIIA?

3. В 1906 г. Нобелевский комитет по химии обсуждал две кандидатуры на соискание Нобелевской премии: Д. И. Менделеева, которого представила Академия наук Германии, и Анри Муссана, которого представила Академия наук Франции за открытие фтора. Кому была присуждена Нобелевская премия? Почему?