Параграф 2 - Естествознание. 11 класс. Габриелян О. С.

Естествознание для 11-го класса
Предмет:	Естествознание
Класс:	11 класс
Автор учебника:	Габриелян О. С.
Год издания:	2014
Издательство:
Кол-во заданий:	48
Кол-во упражнений:
Мы в социальных сетях
Телеграм • ВКонтакте

Комментарии, вопросы по параграфу можно добавить на странице обсуждения.

Периодический закон и строение атома

О названиях некоторых химических элементов

• Перечислите химические элементы из таблицы Д. И. Менделеева, названные в честь героев греческих мифов, великих учёных, городов и стран, планет.

Титан (${\ce {Ti}}$). Существуют две основные версии возникновения названия титан. Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (германская мифология). Такое название символизирует легкость и прочность вещества. Существует версия использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи.

Тантал (${\ce {Ta}}$). Тантал открыт в 1802 году шведским химиком Андерсом Густавом Экебергом в двух минералах. Свое название тантал получил, из-за большой трудности его извлечения как элемента, в честь героя древнегреческих мифов Тантала. Тантал совершил множество непростительных преступлений

Торий (${\ce {Th}}$). В 1828 году Йёнс Якоб Берцелиус обнаружил в редком минерале соединение нового элемента, который он назвал торием — в честь древнескандинавского бога Тора. Правда, название это Берцелиус придумал ещё в 1815 году, когда ошибочно „открыл“ торий в другом минерале из Швеции.

Ванадий (${\ce {V}}$). Открыт в 1830 году шведским химиком Нильсом Габриэлем Сефстрёмом. Этот элемент образует соединения с красивой окраской, поэтому был назван в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.

Уран (${\ce {U}}$), Нептуний (${\ce {Np}}$), Плутоний (${\ce {Pu}}$). По традиции алхимиков, в 1789 году Мартин Генрих Клапрот, выделив новый элемент, назвал его в честь недавно открытой планеты Уран. Следом произошло открытие планет Нептун и Плутон, и соответствующих им химических элементов – Нептуния и Плутония. Сами же планеты были названы именами древнегреческих богов: Урана – бога неба, Нептуна – бога подводного царства, Плутона – бога подземного царства.

Мы видим, что в названиях химических элементов часто находят отражение их свойства. Использование для этой цели имен мифологических персонажей позволяет сделать названия понятными любому образованному человеку.

Учёные-химики предшественники Менделеева

• Назовите учёных-химиков — предшественников Д. И. Менделеева (1834 - 1907).

Алессандро Вольта (1745 - 1827): известен обнаружением метана и изобретением гальванической батареи. Алессандро Вольта известен своими новаторскими работами в области электричества и энергетики. В его честь названа единица измерения электрического потенциала (Вольт). Хотя большую часть своей карьеры он был профессором физики, он также провел необычные исследования в области химии.

В конце 1770-х годов он изучил химию газов и открыл метан, простейший углеводород, содержащий один атом углерода и четыре атома водорода. В 1799 году Вольта изобрел первую электрическую батарею (названную гальванической батареей), которая могла непрерывно обеспечивать электрический ток. С помощью этой батареи он доказал, что электричество можно производить химическим путем, и опроверг популярную в то время теорию о том, что электричество создается исключительно живыми существами.

Его исследования вдохновили других ученых на проведение аналогичных опытов, что в конечном итоге привело к развитию новой отрасли физической химии - электрохимии.

Йёнс Якоб Берцелиус (1779-1848): один из самых известных химиков в мире. Трудно переоценить его вклад в развитие науки: он ввел в употребление современную химическую символику, обнаружил несколько новых элементов, уточнил атомные веса известных элементов, определил процентный состав более чем двух тысяч соединений. Именно он предложил такие понятия, как «органическая химия», «катализ», «изомерия», «аллотропия». Много занимался теорией электрохимии, ввел новые способы исследований для аналитической химии, усовершенствовал химические приборы. По его учебникам учились многие поколения химиков из разных стран.

• Химики, предшественники Менделеева Дмитрия Ивановича
• 

  Алессандро Вольта

• 

  Йёнс Якоб Берцелиус

Закономерности в изменении свойств элементов

• Объясните, как на основе сведений о строении атома можно объяснить закономерности в изменении свойств элементов по периодам и группам.

На настоящий момент Периодическая таблица Менделеева содержит 118 химических элементов. Каждый из них занимает своё место в зависимости от атомного числа. Оно показывает, сколько протонов содержит ядро атома элемента и сколько электронов  в атоме находятся вокруг него. Атом каждого последующего элемента содержит на один протон больше, чем предыдущий.

Периоды — это строки таблицы. На данный момент их семь. У всех элементов одного периода одинаковое количество заполненных электронами энергетических уровней.

Группы — это столбцы. В группы в Периодической таблице объединяются элементы с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. В кратком варианте таблицы, используемой в школьных учебниках, элементы разделены на восемь групп. Каждая из них делится на главную (A) и побочную (B) подгруппы, которые объединяют элементы со сходными химическими свойствами.

Расположение химических элементов в таблице Менделеева позволяет сопоставлять не только их атомные массы, но и химические свойства.

Вот как они изменяются в пределах группы (сверху вниз):

• Металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают.
• Увеличивается атомный радиус.
• Усиливаются основные свойства гидроксидов и кислотные свойства водородных соединений неметаллов.

В пределах периодов (слева направо) свойства элементов меняются следующим образом:

• Металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются.
• Уменьшается атомный радиус.
• Возрастает электроотрицательность.

Химические элементы связанные с Россией и русскими учёными

• Перечислите химические элементы из таблицы Д. И. Менделеева, названия которых связаны с Россией и русскими учёными.

1. Рутений (${\ce {Ru}}$): Первый химический элемент, названный в честь России, можно найти в таблице химических элементов под номером 44. Это металл был открыт в 1844 году профессором Карлом Эрнстом Клаусом в Казанском государственном университете. Клаус назвал его латинским словом «Rutheium» — европейским названием восточнославянских земель в средние века. Рутений добывают из платиновой руды. Сегодня это важный элемент в промышленности, и его использование ограничено лишь небольшими количествами в природе. Например, его сплав делает титан устойчивым к коррозии, а смесь с платиной используется для изготовления электрических контактов. Рутений также используется в качестве катализатора для очистки воды на орбитальных станциях.
2. Самарий (${\ce {Sm}}$): Элемент с атомным номером 62 получил свое название в честь горного инженера Василия Самарского-Быховца. В 1847 году этот русский инженер передал для изучения немецкому химику и члену Российской академии наук Генриху Розе некий минерал из Ильменских гор (современная Челябинская область). Розе дал ему название «самарскит», а затем, в 1878-1879 годах, химики Марк Делафонтен и Поль-Эмиль Лекок де Буабодран открыли в нем новый химический элемент, назвав его «самарий». Сегодня он используется для изготовления магнитов и в медицине.
3. Менделевий (${\ce {Md}}$): Элемент с атомным номером 101 назван в честь Дмитрия Менделеева. Он был синтезирован в 1955 году американскими учеными из Калифорнийского университета в Беркли. Они предложили назвать его в честь создателя таблицы Менделеева. В том же году Комиссия Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) назвала элемент 101 «Менделевием». Это высокорадиоактивный металл. Пока науке известны 17 его изотопов с периодом полураспада от 1 часа до 51 дня. На практике этот химический элемент пока не используется.
4. Дубний (${\ce {Db}}$): В Московской области есть наукоград Дубна, где находится Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ). С конца 1950-х годов это главный центр в России, где ученые синтезируют новые химические элементы с помощью ядерных реакций. Химический элемент с атомным номером 105 был открыт в 1970 году как советскими учеными ОИЯИ, так и американскими учеными Лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии (в Дубне первые результаты были получены еще раньше, в 1968 году). Оба научных центра проводили независимые исследования. Элемент также назывался по-разному: в СССР его называли «Нильсборий» (${\ce {Ns}}$), в честь датского физика Нильса Бора, а в США — «Ганиум» (${\ce {Ha}}$), в честь немецкого физика Отто Хан. В 1994 году Комиссия IUPAC предложила название «Joliotium» (${\ce {Jl}}$) в честь французского физика Фредерика Жолио-Кюри. Так, в таблицах Менделеева разных лет можно увидеть разные названия этого элемента. Комиссия приняла окончательное решение только в 1997 г., назвав элемент 105 именем Дубны. Что касается самого элемента, то известно, что он чрезвычайно радиоактивен, а самый стабильный из его изотопов имеет период полураспада всего 28 часов. Дубний пока не нашел практического применения.
5. Флеровий (${\ce {Fl}}$): Элемент 114 был синтезирован в Дубне в 1998 году под руководством выдающегося (и ныне живущего) специалиста в области экспериментальной ядерной физики Юрия Оганесяна при участии американских физиков из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Комиссия IUPAC официально утвердила название Флеровиум в 2012 году в честь основателя дубненской лаборатории, советского физика Георгия Флерова. В 1965-1974 годах группе Флерова удалось синтезировать элементы 102-106. Флеровий — это металл, которого не существует в природе (по крайней мере на данный момент он не обнаружен). Его изотопы распадаются за доли секунды. Однако физики предполагают, что если бы его можно было получить в любом весовом количестве, то он был бы подобен свинцу по плотности и мог бы стать одним из самых легкоплавких и легкокипящих металлов.
6. Московий (Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{Mc}} ): Элемент номер 115 был синтезирован в Дубне в 2003 году, но получил международное признание только в 2015 году, после серии экспериментов в научных центрах по всему миру. В 2016 году комиссия IUPAC официально назвала его «Московиум» в честь Московской области, где расположена Дубна. Этот сверхтяжелый элемент обладает высокой радиоактивностью и имеет период полураспада, измеряемый долями секунды. Его свойства еще предстоит изучить. Стоит отметить, что московий распадается на дубний.
7. Оганесон (Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{Og}} ): Последний и самый тяжелый среди известных элементов 118 назван в честь Юрия Оганесяна, который руководил его синтезом в Дубне в 2002 году в сотрудничестве с Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса. Элемент 118, как и 115, высокорадиоактивен, период полураспада не превышает доли секунды. Его свойства до сих пор изучается. Известно, что оганессон — благородный газ, как неон и ксенон.

Ученые всего мира в настоящее время работают над получением элементов 119-126. Их существование предсказано теоретической наукой, но на практике еще не подтверждено.

Субъективные предпосылки открытия периодического закона

• Становление любой научной теории обусловлено как объективными, так и субъективными предпосылками. Перечислите субъективные предпосылки, которые предшествовали открытию периодического закона.

Версия периодической системы Менделеева 1891 года. В ней нет благородных газов

Ко времени открытия Периодического закона было известно 63 химических элемента, описаны состав и свойства их многочисленных соединений.

Ученые неоднократно предпринимали попытки классифицировать химические элементы, привести сведения о них в систему. К концу 60-х гг. XIX в. насчитывалось более 50 различных вариантов классификации химических элементов (среди них: классификация Берцелиуса на металлы и неметаллы, триады Деберейнера, спираль Шанкуртуа, октавы Ньюлендса, таблица Мейера и др.).

Большинство ученых пытались выявить связь между химическими свойствами элементов и их соединений и атомной массой. Но создать классификацию, включающую все известные в то время химические элементы, не удалось. Ни одна из попыток не привела к созданию системы, отражающей взаимосвязь элементов и выявляющей природу их сходства и различия. Открытие Периодического закона и построение Периодической системы химических элементов — заслуга великого русского ученого Д. И. Менделеева.

В отличие от работ предшественников, предложенная Д. И. Менделеевым таблица Периодической системы химических элементов имела четкую структуру в виде групп и периодов (с рядами), в которой нашлось место не только для всех известных в то время элементов, но были оставлены пустые места для еще не открытых (рис. 8). Система Д. И. Менделеева позволила не только предсказать существование неизвестных элементов, но и предугадать их свойства, исправить неверно определенные атомные массы уже известных элементов.

Третьей предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в г. Карлсруэ в 1860 г., когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который мы теперь называем относительной атомной массой (Аr). Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д. И. Менделеев положил в основу своей классификации. Он писал: «Масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами — с другой».

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 периодичность в изменении свойств химических элементов, расположенных в порядке возрастания величин их атомных масс, сравнивая между собой все известные ему, в том числе и несходные, элементы.

Д. И. Менделеев в своем открытии опирался на четко сформулированные исходные положения:

1. общее неизменное свойство атомов всех химических элементов — их атомная масса;
2. свойства химических элементов зависят от их атомных масс;
3. форма этой зависимости — периодическая.

Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, т. е. не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.

Но без личностных качеств великого химика, которые составляют четвертую, субъективную предпосылку открытия Периодического закона, вряд ли он был бы открыт в 1869 г. Если бы его открыл какой-нибудь другой химик, вероятно, это произошло бы намного позже. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д. И. Менделеева сыграли свою немалую роль в открытии Периодического закона.

Дополнительное задания

• Прочитайте строчки из стихотворения С. Щипачёва «Читая Менделеева» и сформулируйте основную мысль данного произведения.

Основная идея этого стихотворения - подчеркнуть мудрость и проницательность Менделеева, его способность раскрывать законы природы.

Темы для рефератов

• История открытия периодического закона — одного из фундаментальных законов мироздания — Д. И. Менделеевым.
• Менделеев Дмитрий Иванович — русский учёный-энциклопедист.
• История открытий галлия, скандия и германия — химических элементов, существование которых было предсказано Д. И. Менделеевым.