Урок химии в 10-м классе. Тема: "Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева"

Цель урока:

• Создать условия для обобщения знаний учащихся по темам из курса химии.
• Закрепить знания о взаимосвязях между положением элемента в периодической системе и строении атома.
• Развивать интерес к учебе и познавательной деятельности, умение быстро и четко формулировать и высказывать свои мысли, логически рассуждать.
• Использовать информационные технологии для оформления результатов исследований.
• Воспитывать у учащихся навыки коллективного сотрудничества.

Средство обучения: Средства обучения ТСО: таблица “Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева” компьютерная презентация.

Подготовка учащихся к уроку: Класс заранее разбивается на 4 группы (за месяц до урока), каждая из которых получает свою тему, над которой работает, собирая теоретический и практический материал.

Периодическая система химических элементов и строение атома.

Периодический закон Д.И. Менделеева — фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д.И. Менделеевым при сопоставлении всех известных в то время элементов и величин их атомных масс (весов).

• 1 Группа
• История открытия периодического закона

Триады, октавы, спираль, таблица….?!

• Цель: Раскрыть сущность первых попыток классификации химических элементов. Выяснить как Д.И. Менделеев систематизировал химические элементы.
• Гипотеза: Мы предполагаем, что трудности классификации химических элементов у предшественников Д.И. Менделеева вызваны недостаточностью эксперементальных данных и что Д.И. Менделеев нашел закономерность, которая объеденила все элементы в единую систему.
• Ход исследования: Триады Деберейнера, Спираль де Шанкуртуа, Октавы Ньюледнса, Таблицы Олдинга, Работа Л. Мейера, Таблица Д.И.Менделеева

История открытия Периодического закона

Поиски основы естественной классификации химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми работали в этой области, были вызваны недостаточностью экспериментальных данных: в начале XIX в. число известных химических элементов было ещё слишком мало, к середине 19 века было известно 63 химических элемента, а принятые значения атомных масс многих элементов неточны.

Триады Деберейнера и первые системы элементов

В 1829 г. немецкий химик И.Дёберейнер предпринял первую значимую попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами:

Li — Na — K ; Ca — Sr — Ba ; S — Se — Te ; P — As — Sb ; Cl — Br — I .

Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том, что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады. Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру, естественно, не удалось, закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между атомной массой и свойствами элементов и их соединений. Все дальнейшие попытки систематизации основывались на размещении элементов в соответствии с их атомными массами.

Спираль де Шанкуртуа

А.де Шанкуртуа (Франция) располагал все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс и полученный ряд наносил на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания под углом 45° к плоскости основания (т.н. земная спираль).

При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами.

Так, на одну вертикаль попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т. д. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы — ничего общего с ними не имеющий титан.

Октавы Ньюлендса

Английский учёный Дж. Ньюлендс в 1864 г. опубликовал таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав. Ньюлендс показал, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первого.

Ньюлендс пытался придать этой зависимости, действительно имеющей место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам.

Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест; в итоге закон октав был принят чрезвычайно скептически. Однако в его основе лежала правильная мысль о периодическом изменении свойств элементов с увеличением их атомного веса

Таблицы Олдинга и Мейра

В 1864 г. У.Олдинг опубликовал таблицу, в которой элементы были размещены согласно их атомным весам и сходству химических свойств, не сопроводив её, однако, какими-либо комментариями.

В том же 1864 г. появилась первая таблица немецкого химика Л. Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.

В 1870 г. вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием “Природа элементов как функция их атомного веса”, состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин “периодичность”, уже предложенный к тому времени Менделеевым.

Д.И. Менделеев

В марте 1869 г. русский химик Д.И. Менделеев представил Русскому химическому обществу сообщение об открытии им Периодического закона химических элементов. В том же году вышло первое издание менделеевского учебника “Основы химии”, в котором была приведена его периодическая таблица.

В конце 1870 г. он доложил РХО статью “Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов”, в которой предсказал свойства нескольких не открытых ещё элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа).

В 1871 г. в итоговой статье “Периодическая законность химических элементов” Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: “Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса”. Тогда же Менделеев придал своей периодической таблице вид, ставший классическим (т.н. короткий вариант).

В отличие от своих предшественников, Менделеев не только составил таблицу и указал на наличие несомненных закономерностей в численных величинах атомных весов, но и решился назвать эти закономерности общим законом природы. Он взял на себя смелость на основании предположения, что атомная масса предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых элементов и подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов.

В начале XX века Периодическая система элементов неоднократно видоизменялась для приведения в соответствие с новейшими научными данными. Д.И. Менделеев и У. Рамзай пришли к выводу о необходимости образования в таблице нулевой группы элементов, в которую вошли инертные газы. Инертные газы явились, таким образом, элементами, переходными между галогенами и щелочными металлами. Б. Браунер нашёл решение проблемы размещения в таблице редкоземельных элементов, предложив в 1902 г. помещать все РЗЭ в одну ячейку; в предложенном им длинном варианте таблицы шестой период таблицы был длиннее, чем четвёртый и пятый, которые в свою очередь длиннее, чем второй и третий периоды.

Дальнейшее развитие Периодического закона в было связано с успехами физики: установление делимости атома на основании открытия электрона и радиоактивности в конце концов позволило понять причины периодичности свойств химических элементов и создать теорию Периодической системы.

Как отразилась теория строения атом на объяснении Периодического закона

• 2 Группа
• Цель: Раскрыть смысл периодического закона с точки зрения строения атома.
• Гипотеза: Мы утверждаем, что сведения о строении атома уточняют суть Переодического закона и что новые научные открытия в области строения атома позволили уточнить формулировку периодического закона

Ход исследования: Гениальность Д. И. Менделеева:

• Предвидел причины открытых им закономерностей,
• угадал порядок расположения элементов,
• создал таблицу так что, она характеризует строение атома.

Открытие сложного строения атома. Открытие изотопов. Закон Мозли.

Д. И. Менделеев писал: “Легко предположить, но ныне пока нет еще возможности доказать, что атомы простых тел суть сложные существа, образованные сложением некоторых ещё меньших частей, что называемое нами неделим (атом) – неделим только обычными химическими силами, как частицы неделимы в обычных условиях физическими силами… выставленная мною. Периодическая зависимость между свойствами и весом по-видимому, подтверждает такое предчувствие…”

Периодический закон и высказанные на его основе гипотезы явились стимулом к выяснению строения атома. В 1911г. Английский ученый Э.Резерфорд своим опытом Рассеивание альфа частиц доказал, что в центре атома есть положительно заряженное ядро и заряд ядра численно совпадает с порядковым номером элемента.

Вокруг ядра атома движутся электроны имеющие отрицательный заряд, а так как атом электронейтрален следовательно число электронов тоже равно порядковому номеру элемента.

Благодаря открытию радиоактивности учёные убедились, что в состав ядер атомов входят частицы с зарядом +1 и массой 1 их назвали Протонами – Р, а так как массы атомов кроме водорода больше той массы которая приходится на долю протонов, то предположили что в состав ядер входят нейтральные частицы с массой 1. Такие частицы были эксперементально получены в 1913г. и их назвали Нейтроны - п.

В результате эксперементальных исследований. Т.Сведберг в 1909г. Доказал что свинец и неон, полученный в результате радиоактивного распада отличаются по величине атомных масс от “обычных” элементов, но химически им полностью тождественны, это означало что, в природе встречаются атомы одного и того же элемента с одинаковым зарядом ядра но с разными массами. Так были открыты изотопы

В 1911 г. Ф. Содди предложил размещать химически неразличимые элементы, имеющие различные атомные массы (изотопы) в одной ячейке таблицы.

В 1913 г. английский физик Г.Мозли установил, что корень из характеристической частоты рентгеновского излучения элемента (ν) линейно зависит от целочисленной величины — атомного номера (Z), который совпадает с номером элемента в Периодической таблице: ν=R(Z-σ)²(1/m²-1/n²), где R - постоянная Ридберга, σ - постоянная экранирования.

Закон Мозли дал возможность экспериментально определить положение элементов в Периодической таблице. Атомный номер, совпадающий, как предположил в 1911 г. голландский физик А. ван ден Брук, с величиной положительного заряда ядра атома, стал основой классификации химических элементов. В 1920 г. английский физик Дж. Чедвик экспериментально подтвердил гипотезу Ван ден Брука; тем самым был раскрыт физический смысл порядкового номера элемента в Периодической системе. Периодический закон получил современную формулировку: “Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов элементов”.

В 1921 — 1923 гг., основываясь на модели атома Бора-Зоммерфельда, представляющей собой компромисс между классическими и квантовыми представлениями, Н. Бор заложил основы формальной теории Периодической системы. Причина периодичности свойств элементов, как показал Бор, заключалась в периодическом повторении строения внешнего электронного уровня атома.

Что означает № элемента, периода, группы?

• Группа 3
• Цель: выяснить, какую особенность или закономерность в строении атомов элементов отражает каждое обозначение в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
• Гипотеза: Периодическая система является графическим изображением Периодического закона?

Ход исследования: Физический смысл элемента, периода, группы. Причины изменения свойств элементов и образованных ими веществ в периодах. Причины изменения свойств элементов и образованных ими веществ в группах (главных подгруппах). Причины более медленного изменения этих свойств в больших периодах. Валентность. Степень окисления.

На основе приобретенных знаний о строении атома каждое обозначение периодической таблицы имеет свой физический смысл. Заряд ядра является основной характеристикой атома он соответствует порядковому номеру элемента и определяет число электронов в атоме, строение энергетических уровней, свойства элемента и его положение в периодической системе. Периодическая система естественная классификация химических элементов основанная на периодическом законе. Графически её изображают в виде таблицы. Таблица состоит из 7 периодов, 10 рядов и 8 групп.

Период - это горизонтальный ряд элементов расположенных в порядке возрастания зарядов ядер атомов. Номер периода – арабская цифра слева - показывает число энергетических уровней в атомах элементов относящихся к данному периоду на которых находятся электроны атома. В этом заключается физический смыл номера периода. Первые три периода малые остальные большие (4,5,6 и 7 не завершенный) состоят из двух горизонтальных рядов.

Во всех периодах с возрастанием заряда ядер атомов наблюдается ослабление металлических и восстановительных свойств атомов элементов и усиление неметаллических и окислительных свойств атомов элементов. Легче отдают электроны атомы щелочных металлов имеющие по одному валентному электрону труднее всего атомы благородных газов, обладающих замкнутой электронной оболочкой.

В малых периодах переход от щелочного металла к инертному элементу происходит через 8 элементов – быстрое уменьшение атомных радиусов, а в больших периодах через 18 и 32 элементов – медленное уменьшение атомных радиусов, по этому в больших периодах металлические свойства элементов ослабляются медленнее чем в малых периодах.

Группа – это вертикальный ряд элементов атомы которых имеют одинаковое число валентных электронов. Валентные это электроны, за счет которых атомы соединяются между собой, образуя молекулы. Номер группы – римская цифра вверху –показывает число валентных электронов в атоме. В этом заключается физический смысл номера группы. В периодической системе элементов 8 групп состоящих из подгрупп. Главные подгруппы содержат элементы малых и больших периодов Подгруппа А. Побочные подгруппы содержат элементы только больших периодов Подгруппа Б. С увеличением заряда ядра металлические и восстановительные свойства возрастают.

Валентность. Наиболее общее определение валентности элемента – это способность его атомов соединяться с другими атомами в определенных соотношениях. Иногда валентность элемента заменяют близким ему понятием степени окисления (с.о.). Степень окисления соответствует заряду, который приобрел бы атом, если бы все электронные пары его химических связей сместились в сторону более электроотрицательных атомов. В любом периоде слева направо происходит увеличение положительной степени окисления элементов. Элементы первой группы имеют с.о., равную +1 и формулу оксида R2O, элементы второй группы – соответственно +2 и RO и т.д. Элементы с отрицательной с.о. находятся в пятой, шестой, и седьмой группах; считается, что углерод и кремний, находящиеся в четвертой группе, не имеют отрицательной степени окисления. Галогены, имеющие степень окисления -1, образуют соединения с водородом состава RH. В целом положительная степень окисления элементов соответствует номеру группы, а отрицательная равна разности восемь минус номер группы. Из таблицы нельзя определить наличие или отсутствие других степеней окисления.

Физический смысл атомного номера. Истинное понимание периодической таблицы возможно на основе современных представлений о строении атома. Порядковый номер элемента в периодической таблице – его атомный номер – значительно важнее.

Знаете ли вы, что с открытием Периодического закона химия перестала быть описательной наукой?

• Группа 4
• Цель: раскрыть значение периодического закона и Периодической системы химических элементов для современной науки.
• Гипотеза: мы предполагаем, что с открытием Периодического закона химия стала экспериментальной наукой. Периодический закон стал инструментом познания и объективным законом природы.

Ход исследования: Установление связи между элементами и объединение их в группы. Расположение элементов в естественной последовательности. Объяснение периодичности. Исправление и уточнение относительных атомных масс элементов. Предсказание и описание свойств, указание пути открытия еще неоткрытых элементов. Значение закона.

В большинстве случаев с возрастанием заряда ядра атомов элементов закономерно увеличиваются их относительные атомные массы. Это обстоятельство и позволило Д.И. Менделееву открыть периодический закон, располагая элементы в порядке возрастания относительно атомных масс.

С открытия периодического закона начинается новый этап развития химической науки. Химия стала целостной наукой, разнообразность содержания которой объединено в стройную систему. Как любой закон природы он объясняет многие факты и явления, объясняет взаимосвязь строения и свойств химических элементов, закономерности изменения их свойств, причины периодичности изменения свойств элементов и их соединений.

Сущность явления периодичности объясняется тем, что с возрастанием зарядов ядра атомов элементов наблюдается периодическая повторяемость элементов с одинаковым числом валентных электронов, чем объясняется периодическая повторяемость свойств химических элементов и их соединений

Например, периодическая повторяемость свойств у атомов лития Li, натрия Na и калия K объясняется тем, что на наружном энергетическом уровне их атомов имеется по одному валентному электрону.

Благодаря периодическому закону стало возможно не только исправлять относительные атомные массы элементов но и предсказывать свойства элементов, которые ещё не открыты. Д.И. Менделеев исправил атомные массы 9 химических элементов (Be,La,U и другие) Так, относительная атомная масса Be была 13,5. Он делает заключение, что масса должна быть равна 9. Последующие исследования подтвердили правильность вычисления.

Д.И. Менделеев предсказал существование более 10 неизвестных в то время элементов; свойства 3 из них (№ 21 - скандий, № 31- галлий, № 32 - германий) он описал наиболее подробно. Все предсказанные элементы были в последствии открыты. Существование этих элементов и описание их свойств он основывал на положении: Свойства любого химического элемента (например Mg) являются промежуточными между свойствами соседних элементов расположенных слева и справа (Na, Al), снизу и сверху (Be, Ca)

Он назвал предсказанные элементы соответственно экабором, экаалюминием, экасилицием (эка значит “под”), так как считал, что эти элементы должны быть сходны по свойствам с бором, алюминием и кремнием

• В 1875 г. Французский химик П.Лекок де Буабодран открыл элемент № 31, который обладал всеми свойствами экаалюминия, он был назван Галлием.
• В 1879 г. Шведский ученый Л.Нильсон открыл элемент № 21 – скандий имевший свойства экабора.
• В 1886 г. Немецкий химик К.Винклер открыл элемент № 32 – германий имевший свойства экасилиция.

Периодический закон – объективный закон природы он отражает материальность мира его единство и развитие, показывает что мир познаваем и нет предела процессу познания тайн природы.

Периодический закон и периодическая система являются в настоящее время важнейшим инструментом познания – это компас и путеводная звезда для научного предвидения во многих областях естественных наук.

Урок заканчивается рефлексией учащимся предлагается периодическая таблица с заданием. Учащийся каждой группы по данному заданию заполняет.

• 1гр. – Элементы 1 и 2 группы.
• 2.гр – Элементы 3 и 4 группы.
• 3.гр. – Элементы 5 и 6 группы.
• 4.гр. – Элементы 7 и 8 группы.

Возможны варианты заполнения на усмотрение учителя.

Приложение 2

Презентация