Становление и развитие периодического закона и теории химического строения конспект

Правила заполнения орбиталей

В многоэлектронном атоме стабильной является та конфигурация, для которой достигается минимум полной энергии. В первую очередь электроны идут на орбитали с меньшей энергией в соответствии с рядом Клечковского:

1s>2s>2p>3s>3p>4s>3d>4p>5s>4d>5p>6s>4f>5d>6p>7s>5f>6d>7p

Принцип Паули

На орбитали могут находиться только один-два электрона.

Правило Гунда

В пределах одного подуровня электроны по одному переходят на свободные орбитали. Только после того, как на каждой орбитали находится по одному электрону, могут формироваться пары.Стоит отметить, что правило Гунда характеризует основное состояние атома.

Презентация на тему: » Тема : « Сравнение двух ведущих теорий химии : Периодического закона Д.И. Менделеева и теории химического строения А.М. Бутлерова»» — Транскрипт:

Тема : « Сравнение двух ведущих теорий химии : Периодического закона Д.И. Менделеева и теории химического строения А.М. Бутлерова»

Цели урока 1. Сравнить философские основы общности двух ведущих теорий химии 2. Показать, что обе теории созданы русскими учеными и составляют вклад отечественной химии в мировую химическую науку 3.Доказать, что обе теории прошли испытания временем и блестяще его выдержали, развиваясь и обогащаясь современными открытиями в химии.

Вопросы семинарского занятия 1.Предпосылки возникновения теорий 2. Основные положения теорий 3. Роль практики в становлении теорий 4. Их значение и развитие

1.Предпосылки. Накопление фактов. 63 химических элемента 1807г.- Й. Берцелиус XVIIIв. –А. Лавуазье( С, Н, О,N) XIXв. – А. Кекуле( химия соединений углерода) К.Шорлеммер ( химия углеводородов и их производных)

1.Предпосылки. Работы предшественников Д.И. Менделеева Классификация Берцелиуса Триады Деберейнера (1816г.) -А r (Na) =( 7+39):2=23 Li, Na, K Октавы Ньюлендса( 1865г.) H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl К Са Сr Ti Mn Fe …………………………… Таблица Мейера (1869г)- 27 элементов

Дополнительный вопрос В 1882г. Лондонское Королевское общество присудило Д.И. Менделееву медаль Деви «за открытие периодических соотношений атомных весов», а пятью годами позже, в 1887г., это же общество вручает эту же медаль своему соотечественнику Дж. Ньюлендсу «за открытие периодического закона химических элементов». Чем объяснить такую нелогичность в решениях Лондонского Королевского общества?

Дополнительная информация Немецкий химик Лотар Мейер( )- претендент на открытие П.З. 1864г – его работа « Современные теории химии», где химические элементы выстраивались в ряд в соответствии с их атомным весом. Он не увидел главные закономерности, не смог ни предсказать новых, ни исправить неверные значения атомного веса уже известных элементов. Его заявление после открытия закона Менделеевым: « Было бы поспешно изменять доныне принятые атомные веса на основании столь непрочного исходного пункта»

Мейер еще раз доказал, что излишняя осторожность в науке препятствует совершению открытий. Надо отдать должное немецкому ученому — он не стал оспаривать первенство Менделеева

1. Предпосылки. Работы предшественников А.М. Бутлерова Теория радикалов- Й. Берцелиус, Ю. Либих, Ж. Дюма Теория типов- Ж.Дюма, Ш. Жерар,О. Лоран 1830г.- Й Берцелиус, термин «изомерия» Успехи в синтезе- Ф.Велер, Н.Н.Зинин, А. Кольбе, М. Бертло, А.М. Бутлеров Э. Франкланд, А. Кекуле- понятие о валентности н H OHC H HC H СlСl CH Cl H

1. Предпосылки. Съезд химиков в г. Карлсруэ ( 1860) Д.И. Менделеев… ? А.М. Бутлеров … ? 1869 год….? 1861год…? Все ученые, которые занимались поисками естественной классификации химических элементов и органических веществ, находились в равных условиях, имели одни и те же предпосылки. Почему же ни одному из них, кроме Д.И.Менделеева и А.М. Бутлерова, не удалось открыть Периодический закон и создать Теорию химического строения?

2. Основные положения теорий Задание 1.Дать определение основным положениям ТХС, привести примеры 1гр.- первое положение 2гр.- второе положение 3гр.- третье положение Задание 2 Ответить на вопросы по теме « Периодический закон»

3. Роль практики в становлении теории. Развитие теории. Периодический закон Д.И. Менделеева…? «…от атомных масс», «…от зарядов их атомных ядер» Теория строения А.М. Бутлерова…? «…от химического строения», « …от их пространственного и электронного строения»

Выводы 1. Теории сходны в своем становлении (факты, работы предшественников, съезд, личностные качества ученых) Теории созданы гениальными русскими учеными, эти теории- большой вклад в мировую науку Им «… будущее не грозит разрушением, а лишь развитие и надстройки обещаются». ( Д.И. Менделеев)

Кроссворд. Авторы: Барташевский Павел, Скрябиков Егор Теория А.М.Бутлерова. 1.Эффект смещения электронных пар сигма- связей 2.Наименьшая единица вещества 3.Этот ученый ввел термин «орг.химия» 4.Химия углерода 5.Эффект смещения электронов пи-связи 6.Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение и свойства 7.Создатель ТХС 8.Вид пространственной изомерии 9.Главный элемент орг. соединений 10.Эта частица – название теории Теория Д.И. Менделеева. 1.(гориз.) Создатель ПЗ 6. (верт.) Частица вещества 2. Первый элемент ПСХЭ 7.Система Ньюлендса 3.Разновидность атомов элемента 8.Число ковалентных связей 4. Переход электрона на более низкий уровень 9.Функция ПЗ и ПСХЭ 5.Город, где проходил съезд химиков 10.Последний элемент таблицы

Периодический закон

К середине XIX века учёные располагали множеством сведений о физических и химических свойствах разных элементов и их соединений. Появилась необходимость упорядочить эти знания и представить их в наглядном виде. Исследователи из разных стран пытались создать классификацию, объединяя элементы по сходству состава и свойств веществ, которые они образуют. Однако ни одна из предложенных систем не охватывала все известные элементы.

Пытался решить эту задачу и молодой русский профессор Д.И. Менделеев. Он собирал и классифицировал информацию о свойствах элементов и их соединений, а затем уточнял её в ходе многочисленных экспериментов. Собрав данные, Дмитрий Иванович записал сведения о каждом элементе на карточки, раскладывал их на столе и многократно перемещал, пытаясь выстроить логическую систему. Долгие научные изыскания привели его к выводу, что свойства элементов и их соединений изменяются с возрастанием атомной массы, однако не монотонно, а периодически.

Так был открыт периодический закон, который учёный сформулировал следующим образом: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Своё открытие Менделеев совершил почти за 30 лет до того, как учёным удалось понять структуру атома. Открытия в области атомной физики позволили установить, что свойства элементов определяются не атомной массой, а зависят от количества электронов, содержащихся в нём. Поэтому современная формулировка закона звучит так:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

Этот принцип Менделеев проиллюстрировал в таблице, в которой были представлены все 63 известных на тот момент химических элемента. При её создании учёный предпринял ряд весьма смелых шагов.

<<Форма демодоступа>>

Во-первых, многочисленные эксперименты позволили Менделееву сделать вывод, что атомные массы некоторых элементов ранее были вычислены неправильно, и он изменил их в соответствии со своей системой.

Во-вторых, в таблице были оставлены места для новых элементов, открытие которых учёный предсказал, подробно описав их свойства.

Мировое научное сообщество поначалу скептически отнеслось к открытию русского химика. Однако вскоре были открыты предсказанные им химические элементы: галлий, скандий и германий. Это разрушило сомнения в правильности системы Менделеева, которая навсегда изменила науку. Там, где раньше учёному требовалось провести ряд сложнейших (и даже не всегда возможных в реальности) опытов — теперь стало достаточно одного взгляда в таблицу.

Теперь расскажем, как устроена Периодическая таблица элементов Менделеева и как ею пользоваться.

История открытия Периодического закона.

К середине XIX века были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно.
В 1829 году Дёберейнер опубликовал найденный им «закон триад»: атомный вес многих элементов близок к среднему арифметическому двух других элементов, близких к исходному по химическим свойствам (стронций, кальций и барий; хлор, бром и йод и др.). Первую попытку расположить элементы в порядке возрастания атомных весов предпринял Александр Эмиль Шанкуртуа (1862), который разместил элементы вдоль винтовой линии и отметил частое циклическое повторение химических свойств по вертикали. Обе указанные модели не привлекли внимания научной общественности.

В 1866 году свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, модель которого («закон октав») внешне немного напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована настойчивыми попытками автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В этом же десятилетии появились ещё несколько попыток систематизации химических элементов; ближе всего к окончательному варианту подошёл Юлиус Лотар Мейер (1864). Д. И. Менделеев опубликовал свою первую схему периодической таблицы в 1869 году в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» (в журнале Русского химического общества); ещё ранее (февраль 1869 г.) научное извещение об открытии было им разослано ведущим химикам мира.

По легенде, мысль о системе химических элементов пришла к Менделееву во сне, однако известно, что однажды на вопрос, как он открыл периодическую систему, учёный ответил: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».

Написав на карточках основные свойства каждого элемента (их в то время было известно 63, из которых один — дидим Di — оказался в дальнейшем смесью двух вновь открытых элементов празеодима и неодима), Менделеев начинает многократно переставлять эти карточки, составлять из них ряды сходных по свойствам элементов, сопоставлять ряды один с другим. Итогом работы стал отправленный в 1869 году в научные учреждения России и других стран первый вариант системы («Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве»), в котором элементы были расставлены по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 году Менделеев в «Основах химии» публикует второй вариант системы («Естественную систему элементов»), имеющий более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото похоже на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются в точности, к ним добавляются и изменения. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две — атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеевым были предприняты очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, индия, урана, тория, церия, титана, иттрия), несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентности), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 году на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.

Научная достоверность Периодического закона получила подтверждение очень скоро: в 1875—1886 годах были открыты галлий (экаалюминий), скандий (экабор) и германий (экасилиций), для которых Менделеев, пользуясь периодической системой, предсказал не только возможность их существования, но и, с поразительной точностью, целый ряд физических и химических свойств.

Строение атома

Атомы – частицы, из которых состоят молекулы. Понятие «атом» ввел Демокрит. Он считал эти частицы первоначалом мироздания. С греческого языка атом переводится как неделимый.

Представление Демокрита о месте атомов в мире.

После Демокрита учение об атомах было забыто на несколько веков. Возродил атомистическую теорию Джон Дальтон.Он установил, что атомы одного элемента одинаковы. Джон Дальтон определил атом, как «неделимый, вечный и неразрушимый».

В начале XX в. было установлено, что атом делим. Этот вывод был сделан исходя из ряда научных открытий.

Катодные лучи – поток электронов в вакуумной трубке, содержащей катод и анод.
Фотоэффект – испускание металлом электронов под действием падающего на него света.
Рентгеновские лучи – электромагнитное излучение подобное свету с гораздо более высокой частотой, испускаемой при действии на них катодных лучей.
Радиоактивность – явление самопроизвольного превращения одного химического элемента в другой, которое сопровождается испусканием электронов или других частиц и рентгеновского излучения.

Экспериментальные данные показывают, что атом – сложная частица. На протяжении многих лет ученые спорили о строении и свойствах атома.

Закономерности изменения свойств элементов и их соединений в связи с положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева

Напомним, что группами называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:

усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
возрастает атомный радиус;
возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
электроотрицательность падает.

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R₂O, RO, R₂O₃, RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇, RO₄, где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).

Оксиды состава R₂O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства.

Оксиды состава RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇ проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH₄, RH₃, RH₂, RH.

Соединения RH₄ имеют нейтральный характер; RH₃ — слабоосновный; RH₂ — слабокислый; RH — сильнокислый характер.

Напомним, что периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.

В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:

электроотрицательность возрастает;
металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
атомный радиус падает.

Положение водорода в периодической системе

Если посмотреть на периодическую таблицу, то можно заметить, что у водорода двойственное положение. Водород – элемент, порядковый номер которого 1. Его электронная формула: 1s1. Водород – элемент, у которого на единственной орбитали располагается только один электрон.

Водород – двойной агент, который может быть как окислителем, так и восстановителем. Он может входить как в I, так и в VII группу. Это связано с тем, что он имеет черты сходства и со щелочными металлами, и с галогенами.

Если водород выступает в роли восстановителя, то он стоит в первой группе. В этом случае ему характерна степень окисления +1. Например, водород-восстановитель в соединениях Н₂О, HCl.Если водород выступает в роли окислителя, то он стоит в седьмой группе.В этом случае для элемента характерна степень окисления -1. Например, водород-окислитель в соединениях NaH, CaH₂.

Двойственность водорода связана с тем, что у него только один электрон. На s-уровне может находиться только два электрона. Поэтому водород с легкостью отдает свой единственный электрон или отнимает электрон у другого элемента.

Значение периодической системы Д.И. Менделеева

Создание ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым определило развитие химии и других естественнонаучных дисциплин. Открытие периодического закона показало, что все атомы построены по одному принципу, а их химическое строение должно отображать периодичность свойств элементов.Периодическая система оказала влияние на разработку теории строения атома.

Таблица Д.И. Менделеева – основа неорганической химии. Без нее человек бы не узнал о существовании хлорида натрия NaCl – веществе, которое придает супу соленый вкус.Без периодической системы люди бы не узнали, почему натрий так бурно вступает в реакцию с водой или почему органические вещества горят с копотью. Периодический закон объясняет то, почему некоторые элементы похожи друг на друга. Таблица Дмитрия Ивановича раскрывает тайны человечества и открывает новые границы химической науки.

Модели атомов

Атом – сфера положительного электричества с плавающими электронами. Если проводить аналогию с кондитерским пудингом, то сфера – тесто, а электроны – изюм.

Эрнест Резерфорд (1911 г.) – планетарная модель

В центре атома располагается небольшое ядро, которое имеет положительный заряд. Вокруг ядра электроны, заряженные отрицательно, движутся как планеты. Т.е. ядро – Солнце нашей галактики, а планеты – это электроны.

Нильс Бор (1913 г.) – квантовая теория

Положения теории Бора.

Электрон может вращаться по стационарным круговым орбиталям.
При движении по орбиталям электроны не излучают энергию.
Атом излучает или поглощает электромагнитную энергию при переходе электрона на другую орбиталь.
Квантовая теория (с 1932 г.) – современная теория

Ядро атома включает протоны и нейтроны. Количество электронов равно сумме протонов. Точное расположение электрона определить невозможно, можно только найти его наиболее вероятную область нахождения. При переходе с орбитали на орбиталь испускается или поглощается электромагнитная энергия.

Термины

Металлы — вещества, обладающие металлическими свойствами, такими как высокие электро- и теплопроводность, высокая пластичность, ковкость и характерный металлический блеск. Они способны взаимодействовать с неметаллами, водой и некоторыми кислотами, а также могут вступать в окислительно-восстановительные реакции.

Неметаллы — вещества, не обладающие металлическими свойствами. Они способны взаимодействовать с металлами и некоторыми неметаллами, водой, щелочами и некоторыми кислотами, а также могут вступать в окислительно-восстановительные реакции.

Электронная конфигурация — это формула, отражающая распределение электронов по электронным оболочкам атома (энергетическим уровням).

Ориентир – франций

Для начала изучим свойства элементов, которые увеличиваются справа налево и сверху вниз при движении по таблице (т.е. при движении к францию – Fr).

Металлические/восстановительные свойства

Вообще, под металлическими свойствами подразумевают способность атомов отдавать электроны. Можно провести воображаемую линию, которая начинается у атома бора и заканчивается у атома астата. Так вот, все элементы, которые попадут в левую область таблицы будут являться , а элементы главных подгрупп, которые попадут в правую часть — . Поэтому металлические/восстановительные свойства в периодах увеличиваются справа налево, а в группах — сверху вниз.

Радиус атома

При движении по периоду увеличивается число электронов на соответствующем валентном уровне — электроны начинают сильнее притягиваться к положительному ядру, тем самым «сжимая» размер радиуса. Поэтому радиус атома уменьшается слева направо при движении по периоду.

При движении по группе сверху вниз увеличивается число электронных оболочек, атом становится «толще», поэтому сверху вниз по группе радиус атома увеличивается.

При сравнении элементов ориентируемся снова на франций: какой атом ближе к нему, у того радиус больше.

Как связаны снеговик и радиус атома?С увеличением номера периода количество электронных слоев растет, а значит, увеличивается и радиус атома. Но так как к фтору увеличивается электроотрицательность, то электроны все ближе и ближе «прижимаются» к ядру атома: атомный радиус уменьшается.Проще всего это представить в виде снеговика, у которого самая «маленькая» голова и самое «большое» туловище. Именно так увеличивается радиус ядра атома по группе.

Основные свойства высших оксидов/гидроксидов

Основные свойства характеризуют способность соединений реагировать с кислотами, они зависят от металлических свойств и меняются точно так же: в периодах увеличиваются справа налево, а в группах — сверху вниз.