В чем заключается обобщающая и объясняющая функции периодического закона

1. Докажите, что Периодический закон Д. И. Менделеева, как и любой другой закон природы, выполняет объясняющую, обобщающую и предсказательную функции. Приведите примеры, иллюстрирующие эти функции у других законов, известных вам из курсов химии, физики и биологии.

Периодический закон Менделеева— один из основополагающих законов химии. Можно утверждать, что вся современная химия построена на нем. Он объясняет зависимость свойств атомов от их строения, обобщает эту зависимость для всех элементов, разделяя их на различные группы, а также предсказывает их свойства в зависимости от строения и строение в зависимости от свойств.

Существуют другие законы, несущие объясняющую, обобщающую и предсказательную функции. Например, закон сохранения энергии, закон преломления света, генетический закон Менделя.

2. Назовите химический элемент, в атоме которого электроны располагаются по уровням согласно ряду чисел: 2, 5. Какое простое вещество образует этот элемент? Какую формулу имеет его водородное соединение и как оно называется? Какую формулу имеет высший оксид этого элемента, каков его характер? Запишите уравнения реакций, характеризующих свойства этого оксида.

3. Бериллий раньше относили к элементам III группы, и его относительная атомная масса считалась равной 13,5. Почему Д. И. Менделеев перенес его во II группу и исправил атомную массу бериллия с 13,5 на 9?

Раньше элемент бериллий ошибочно относили к III группе. Причина этого заключалась в неправильном определении атомной массы бериллия (вместо 9 ее считали равной 13,5). Д. И. Менделеев предположил, что бериллий находится в II группе, основываясь на химических свойствах элемента. Свойства бериллия были очень похожи на свойства Mg и Ca, и совершенно не похожи на свойства Al. Зная, что атомные массы Li и В, соседних элементов к Be, равны соответственно 7 и 11, Д. И.Менделеев предположил, что атомная масса бериллия равна 9.

4. Напишите уравнения реакций между простым веществом, образованным химическим элементом, в атоме которого электроны распределены по энергетическим уровням согласно ряду чисел: 2, 8, 8, 2, и простыми веществами, образованными элементами № 7 и № 8 в Периодической системе. Каков тип химической связи в продуктах реакции? Какое кристаллическое строение имеют исходные простые вещества и продукты их взаимодействия?

5. Расположите в порядке усиления металлических свойств следующие элементы: As, Sb, N, Р, Bi. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.

N, Р, As, Sb, Bi — усиление металлических свойств. Металлические свойства в группах усиливаются.

6. Расположите в порядке усиления неметаллических свойств следующие элементы: Si, Al, Р, S, Cl, Mg, Na. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.

Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl — усиление неметаллических свойств. Неметаллические свойства в периодах усиливаются.

7. Расположите в порядке ослабления кислотных свойств оксиды, формулы которых: SiO2, Р2O5, Al2O3, Na2O, MgO, Cl2O7. Обоснуйте полученный ряд. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Как изменяется их кислотный характер в предложенном вами ряду?

8. Напишите формулы оксидов бора, бериллия и лития и расположите их в порядке возрастания основных свойств. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Каков их химический характер?

9. Что такое изотопы? Как открытие изотопов способствовало становлению Периодического закона?

Периодическая система элементов отражает взаимосвязь химических элементов. Атомный номер элемента равен заряду ядра, численно он равен числу протонов. Число нейтронов, содержащихся в ядрах одного элемента, в отличие от числа протонов, может быть различным. Атомы одного элемента, ядра которых содержат разное число нейтронов, называются изотопами.

Каждый химический элемент имеет по несколько изотопов (природных или полученных искусственно). Атомная масса химического элемента равна среднему значению из масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

С открытием изотопов для распределения элементов по периодической системе стали использовать заряды ядер, а не их атомные массы.

10. Почему заряды атомных ядер элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева изменяются монотонно, т. е. заряд ядра каждого последующего элемента возрастает на единицу по сравнению с зарядом атомного ядра предыдущего элемента, а свойства элементов и образуемых ими веществ изменяются периодически?

Так происходит из-за того, что свойства элементов и их соединений зависят не от общего числа электронов, а только от валентных, которые находятся на последнем слое. Количество валентных электронов меняется периодически, следовательно, свойства элементов также меняются периодически.

11. Приведите три формулировки Периодического закона, в которых за основу систематизации химических элементов взяты относительная атомная масса, заряд атомного ядра и строение внешних энергетических уровней в электронной оболочке атома.

1. Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс элементов.
2. Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер элементов.
3. Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения внешних энергетических уровней в электронной оболочке атома.

Источник

Урок-семинар в 11-м классе «Сущность и значение периодического закона»

Разделы: Химия

Учитель: Периодический закон и периодическая система химических элементов пережили уже два этапа в их понимании и развитии. На первом этапе – химическом – внимание концентрировалось на периодическом изменении свойств элементов, на втором – электронном – внимание сосредоточено на зависимости свойств элементов от электронного строения атомов. Цель нашего урока – систематизировать и обобщить знания о связи периодического закона с теорией строения атома, на основе периодического закона подтвердить наиболее общие законы развития природы.

Сообщение учащегося: Причины периодичности.

Периодическая зависимость – повторяемость свойств через определенный период. Период – ряд элементов с одинаковым числом энергетических (квантовых) уровней, расположенных в порядке возрастания зарядов атомных ядер.

В III периоде атомы элементов имеют 3 энергетических уровня. От элемента к элементу на единицу возрастает заряд ядра и число электронов на внешнем электронном слое, атомные радиусы сокращаются, т. к. происходит их стягивание в результате притяжения к ядру большего количества электронов. Натрий и магний – это s-элементы, в их атомах заполняется s-подуровень, от алюминия до аргона – p-элементы, т. к. в их атомах заполняется p-подуровень. С накоплением электронов в наружном электронном слое и сокращением атомного радиуса связано ослабление металлических свойств и нарастание неметаллических свойств. Восстановительные свойства ослабляются, окислительные усиливаются.
В периодах растет высшая степень окисления в соединениях, она определяется числом электронов наружного слоя.
Характер оксидов и гидроксидов изменяется от основных через амфотерные к кислотным, гидроксид натрия – сильное основание, щелочь, гидроксид алюминия – амфотерный гидроксид, хлорная кислота – самая сильная кислота.

Валентность в гидридах металлов увеличивается, в летучих водородных соединениях неметаллов падает. Эти закономерности повторяются в каждом периоде.
В главных подгруппах располагаются элементы сходные, но неодинаковые, с ростом заряда ядра атомные радиусы увеличиваются, т. к. растет число электронных слоев в атомах, усиливается свойство отдавать электроны, растут металлические свойства.
Т. о. главная причина периодичности связана с периодическим изменением числа электронов в наружном слое атома. Количественные изменения, постоянно накапливаясь, приводят к качественным изменениям – возникновению новых свойств.
Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер, числа валентных электронов, строения внешних электронных слоев атомов химических элементов. Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Важнейшие свойства химических элементов – металличность и неметалличность. Подтвердим зависимость свойств химических элементов от строения атома.

Учащиеся выполняют задание № 1 экспериментально-теоретической программы урока

Опишите строение атома определенного химического элемента по плану: схема строения атома, электронная формула, электронно-графическая формула, принадлежность к металлам или неметаллам, определенному семейству, число валентных электронов.

1 вариант 2 вариант
элемент № 11 (Na) элемент № 15 (P)

Составьте уравнения реакций, подтверждающих химические свойства простого вещества, оксида и гидроксида соответствующего элемента, укажите химический характер проявляемых свойств.

Выводы учащихся:

Натрий – s – элемент, типичный металл, т. к. на внешнем электронном слое атома содержит один электрон. Натрий – одновалентен, высшая степень окисления равна +1. При горении среди других продуктов сгорания образует оксид Nа2О. При растворении в воде образует щелочь, сильное основание, это доказывается малиновой окраской индикатора фенолфталеина. Главное свойство оснований – взаимодействие с кислотами. Таким образом, соединения натрия, как типичного металла, проявляют основные свойства.

Фосфор – р – элемент, неметалл, т. к. на внешнем слое атома содержит 5 электронов. Фосфор пятивалентен, высшая степень окисления равна +5. При горении образует высший оксид Р2О5, при растворении оксида в воде образуется фосфорная кислота Н3РО4 – кислота средней силы. Наличие кислоты в растворе доказывается красной окраской лакмуса. Главное свойство кислот – взаимодействие с основаниями.

Таким образом, соединения фосфора, как неметалла, проявляют кислотные свойства.

Учитель: Естественная система химических элементов включает элементы не только с ярко выраженными металлическими и неметаллическими свойствами. Деление элементов на металлы и неметаллы относительно, несовершенно.Приведите доказательства этого положения.

Учащиеся приводят примеры металлических признаков физических свойств графита, кремния, йода, металлического водорода, молекулярной кристаллической решетки и химической инертности инертных газов, амфотерности соединений многих металлов.

Учитель: Деление элементов на металлы и неметаллы применимо больше к простым веществам, которые, в зависимости от условий могут проявлять как металлические, так и неметаллические свойства. Металличность и неметалличность простых веществ – это функция условий существования химического элемента. Для соединения металлов и неметаллов в единую систему связующим мостиком являются амфотерные соединения. Выявим причины амфотерности на основе строения атомов элементов.

Учащиеся выполняют задание № 2 экспериментально-теоретической программы урока

а) Опишите строение атома химического элемента по плану: схема строения атома, электронная формула, электронно-графическая формула, принадлежность к металлам или неметаллам, определенному семейству,число валентных электронов

1 Вариант 2 Вариант

элемент №13 (AL) элемент №24 (Cr)

б) Вам выданы следующие вещества:

1 Вариант 2 Вариант

Гидроксид алюминия Гидроксид хрома (III)

На основе строения атома указанного элемента определите химический характер соединения, подтвердите свойства экспериментально, составьте молекулярные и ионные уравнения реакций. Укажите, какие свойства проявляет соединение в каждой реакции, каковы признаки реакций? Выявите главную причину проявляемых соединением свойств.

Выводы учащихся: гидроксиды алюминия и хрома (III) амфотерны, амфотерность обусловлена промежуточным числом валентных электронов и проявляемой промежуточной степенью окисления алюминия и хрома +3.

Учитель: Все разнообразие химических элементов связано единой идеей строения атома. Периодический закон в настоящее время является важнейшим инструментом познания, определяет развитие атомной физики, химии, геологии, астрономии, атомной и ядерной техники, химической технологии, металлургии, медицины и других отраслей знания. Выделяют несколько важнейших функций периодического закона.

Сообщение учащегося. Функции периодического закона.

Объясняющая функция закона заключается в способности объяснить те или иные явления. При составлении таблицы Менделеев трижды сознательно нарушил принцип ее построения, отраженный в периодическом законе. Он переставил элементы местами так, что элемент с большей массой опережает элемент с меньшей массой, но при такой расстановке все они попадают в группы сходных по свойствам элементов. Открытие строения атома оправдало данные перестановки. Элементы оказались в системе расставлены правильно на основе зарядов атомных ядер. Перестановки Менделеева можно объяснить явлением изотопии. Развивающая функция закона проявляется в том, что закон может дать толчок развитию других направлений науки. Периодический закон способствовал развитию теории строения атома, что дало самому закону более глубокое научное обоснование.
Обобщающая функция проявляется в способности соединить отдельные факты в строгую систему взаимосвязанных явлений.
Прогностическая функция заключается в способности предсказывать свойства и явления.

Сообщение учащегося. Прогностическая функция периодического закона.

У 10-ти элементов Менделеев изменил принятые в то время относительные атомные массы и соответственно изменил их валентность, у 10-ти других атомные массы подправил, 8 элементов разместил в системе вопреки принятым представлениям. Все эти новшества были восприняты ученым миром как неслыханная дерзость. Но твердо убежденный в естественности своей системы, Менделеев решается на невиданный в истории химии шаг. Свойства предсказанных им экабора, экаалюминия и экасилиция он описывает с удивительной точностью и предлагает даже методы их открытия.

Открытие Л.Буабодраном галлия, Л.Нильсоном скандия, К.Винклером германия подтвердило прогностические возможности периодического закона.
В 1884 г. Николай Александрович Морозов, заключенный царским правительством за революционную деятельность пожизненно в Шлиссельбургскую крепость, начинает от тоски тюремной жизни изучать химию. Он знакомится с системой Менделеева и ставит перед собой вопрос: нет ли периодической зависимости среди углеводородов? Морозов составляет свою таблицу и приходит к неожиданному выводу: все углеводороды, как и все элементы периодической системы, в той или иной степени активны, но среди элементов нет химически инертных, подобно предельным углеводородам. Возникает вопрос: а что, если инертные элементы существуют в природе, но пока не открыты? И Морозов предсказывает, что эти элементы следует искать в воздухе, т. к. скорее всего это газы.
Можно представить себе торжество Морозова, когда он, находясь в заключении, узнал из газет, что английский ученый У. Рамзай открыл, и именно в воздухе, инертный газ аргон. Вскоре последовало открытие и других инертных газов.
Так на основе периодической системы Морозову удалось предсказать то, что не удалось сделать в полной мере даже самому Менделееву.

Сообщение учащегося. Искусственное получение элементов

К 1937 г. общее число открытых элементов достигло 88. Самым тяжелым из них был уран – № 92. Значит, в периодической системе оставались еще 4 «окна» с номерами 43, 61, 85, 87. Все попытки найти их в природе заканчивались неудачей. Этим окнам суждено было заполниться в период с 1937 по 40-й годы, и получены они были при помощи ядерных реакций. Самым первым был искусственно получен элемент № 43 путем обстрела изотопов молибдена ядрами атомов дейтерия (дейтерий – изотоп водорода).

Ядра атомов молибдена и дейтерия сливаются, образую ядро с зарядом 43, массой 99. Этот элемент был назван в честь торжества техники технецием. Искусственным путем было открыто значительное число химических элементов.
. Ядерные реакции еще раз доказывают взаимосвязь всех элементов, объединенных в периодическую систему.

Сообщение учащегося. «Меченые атомы»
«Меченые атомы» – радиоактивные изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся массой. Спонтанно делясь, они постоянно сигнализируют о себе, и их распад можно зафиксировать регистрационными приборами; меченые атомы широко применяют в сельском хозяйстве, медицине, в научных исследованиях. Так, например, было обнаружено, какую природу имеет кислород, выделяющийся при фотосинтезе.

Учитель: Периодический закон, основанный на теории строения атома, объяснил множество явлений природы, подтвердил философские категории.

Учитель предлагает учащимся воспользоваться справочниками, словарями, ознакомиться с философскими категориями: «причина и следствие», «единичное, особенное, общее», « содержание и форма», ответить на вопросы:

1. Что помогают осознать категории общего и особенного? Чем обусловлена общность всех химических элементов? Чем обусловлена особенность отдельных групп элементов и единичность (индивидуальность) каждого из химических элементов?
2. Что выражает бесконечная цепь причин и следствий? Какова главная причина периодического изменения свойств элементов? Каковы следствия увеличения числа валентных электронов в атомах элементов одного периода и увеличения атомных радиусов элементов главных подгрупп?

Учащиеся отвечают на вопросы.

Сообщение учащегося. Содержание и форма.

Любой предмет состоит из отдельных элементов и процессов, которые в совокупности составляют содержание предмета. У содержания имеется форма, форма и содержание не существуют друг без друга. В процессе развития содержание играет ведущую роль, его изменение ведет к изменению формы. Если периодический закон – это содержание, то его формой является графическое изображение – периодическая система. Существует около пятисот вариантов периодической системы (например, короткая и длинная), но содержание одно – периодическая зависимость свойств от зарядов атомных ядер элементов. В п. с. 7 периодов и 8 групп. По форме период – горизонтальный ряд элементов, начинающийся щелочным металлом и заканчивающийся инертным элементом, а по содержанию период – это ряд элементов с одинаковым числом энергетических уровней. По форме группа – это вертикальная колонка элементов, а по содержанию – это ряд элементов, имеющих одинаковую максимальную степень окисления. По форме каждый элемент имеет свое место, свою клетку в периодической системе, а по содержанию каждый элемент можно отнести к s-, p-, d- или f семействам.

Учитель: Закон – объективная, всеобщая, необходимая и существенная связь явлений и предметов, которая характеризуется устойчивостью и повторяемостью. Периодический закон, связывающий химические элементы, – один из общих законов природы. Он выполняется везде, где имеются химические элементы и их соединения, но он действует только в рамках совокупности химических элементов, не распространяясь на другие явления природы. Вы знаете, что есть и другие законы – наиболее общие законы развития природы. Периодический закон подтверждает эти законы.

Сообщение учащегося: Закон единства и борьбы противоположностей утверждает, что борьба противоположностей – источник движения и развития материального мира. Этот закон проявляется в строении атома, как единстве двух противоположностей (положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов), в металлических и неметаллических свойствах отдельных элементов, которые могут взаимодействовать с образованием соединений, в основном и кислотном характере соединений металлов или неметаллов, во внутренней противоречивости амфотерных соединений, в неделимости друг от друга процессов окисления и восстановления.
Ярким примером элемента с внутренне противоречивостью является водород, который проявляет свойства металла и неметалла, восстановителя и окислителя.
Подобно щелочным металлам, атом водорода содержит на внешнем и единственном электронном слое один электрон, легко сбрасывает его в химических реакциях с неметаллами и при этом проявляет свойства восстановителя.
Однако водород может проявлять и окислительные свойства, взаимодействуя с щелочными металлами, превращая их в гидриды. При этом атом водорода принимает один электрон до завершения внешнего слоя. В данной реакции водород вдет себя как типичный неметалл.

Сообщение учащегося: Закон перехода количественных изменений в качественные характеризует процесс обновления материального мира, говорит о его скачкообразном развитии. Под скачком понимается переход от одного качества к другому. Скачки условно делят на медленные (многостадийные) и мгновенные (одностадийные). Переход от элемента к элементу в периоде с ростом заряда ядра атома – это незначительные мгновенные скачки образования нового качества, т. е. новых свойств. Изменение свойств элементов от типичных металлов к типичным неметаллам в периоде – это результат медленного многостадийного скачка. Переход от галогенов к инертному газу – это большой мгновенный скачок, связанный с завершением наружного электронного слоя, также большим мгновенным скачком является переход от инертного элемента к щелочному металлу, он связан с возникновением нового слоя. Таким образом, количественные изменения в отдельных атомах и системе элементов постоянно ведут к качественно новым свойствам.

Сообщение учащегося: Закон отрицания отрицания выражает всеобщую закономерность развития материального мира от простого к сложному и предполагает связь, преемственность в развитии. Наиболее ярко она выражена при переходе от периода к периоду. Например, калий повторяет свойства натрия, но в то же время атом калия имеет на один электронный слой больше и является более реакционноспособным. Следовательно, развитие идет как бы по спирали, с каждым витком повторяя предыдущие этапы развития, но на более высоком уровне.

Учитель: Открытие и развитие периодического закона на основе теории строения атома подтвердило познаваемость мира, доказало его материальность, единство и противоречивость. Химические элементы – ступени развития вещества. Основой их единства и взаимосвязи служит сходство элементарных частиц, входящих в состав атомов. Каждый элемент, будучи частью целого, занимает свое место в периодической системе. В природе имеет место не беспорядочное скопление качественно разнородных веществ: все они находятся друг с другом в закономерных взаимосвязях и построены из атомов ограниченного числа элементов. Величайшая заслуга Д.И.Менделеева в том, что он не остановился на разделении элементов по группам, а объединил отдельные группы элементов в единую систему.
Нельзя не согласиться с ярким высказыванием А.Е. Ферсмана: «Будут, конечно, появляться и умирать новые теории; блестящие обобщения и новые представления будут сменять устаревшие понятия; величайшие открытия и эксперименты будут далеко превосходить все прошлое и открывать невероятные по новизне и широте горизонты – все это будет приходить и уходить, но периодический закон Менделеева будет всегда жить, развиваться, уточняться и руководить исканиями».

Литература:

1. Смирнова Т.В. Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении химии. М. Просвещение, 1984;
2. Агафошин И.П. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. М.Просвещение. 1982;
3. Габриелян О.С., Лысова Г.Г., Введенская А.Г. Настольная книга учителя химии. 11 класс. Часть I. М. Дрофа. 2003.
4. Аспицкая А.Ф. Роль химии в формировании мировоззрения учащихся. Химия (ИД «Первое сентября») 2011 № 3.

Источник