Доклад на тему: Периодический закон и периодическая система Д. И. Менделеева

1. Значение и место темы в курсе химии

Важнейшее место при изучении химии в школе занимает тема: "Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева". В процессе изучения данной темы ученики знакомятся с новыми понятиями, овладевают новыми навыками и умениями, которые необходимы школьникам на протяжении всего дальнейшего курса химии. Хотя большинство понятий в обсуждаемой теме носят абстрактный характер, и формирование их в сознании учащихся в соответствии со школьной программой вызывает большие затруднения, что может привести к потере интереса к предмету у учеников, усвоение материала темы всеми учениками является обязательным. В противном случае осознанное изучение дальнейших разделов общей и неорганической химии станет для учащихся невозможным.

Периодический закон - основа современной химии; его открытие дало мощнейший толчок в развитии химических знаний, были разработаны теории строения атома и химической связи. В свою очередь, эти теории позволили глубже понять сущность и смысл Периодического закона.

Основное значение темы заключается в следующем.

1. Углубить и расширить знания учащихся в области химии, продолжить формирование научного мировоззрения.

2. На основе теории строения атома раскрыть физический смысл Периодического закона, тем самым довести до сознания учащихся представления и понятия об объективной взаимосвязи между элементами, об объективности и познаваемости окружающего мира и его единстве.

3. На примере Периодического закона раскрыть значение классификации и научной теории для объяснения и научного прогнозирования (не пророчества) новых явлений и фактов.

4. Познакомить учащихся с жизнью и творчеством Д.И.Менделеева.

Последовательность изучения темы возможно в двух основных вариантах.

1. Вначале изучается закон, история его открытия, затем - строение атома и раскрытие физического смысла периодического закона (исторический подход).

Учебники Р.Г.Иванова; Е.Е.Минченко и др.

2. Вначале изучается строение атома, затем периодический закон и его сущность с точки зрения строения атома.

Учебники Л.Г.Гузей, Р.П.Суровцева; О.С.Габрилян; Е.Н.Кузнецова и др.

На мой взгляд учащиеся легче воспринимают периодический закон. когда уже знакомы со строением атома. так как периодический закон изучается с точки зрения строения атома.

Некоторые авторы включают углубленное изучение темы в 11 классе в рамках раздела "Общая химия".


2. ТРЕБОВАНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СТАНДАРТОВ ПО ВОПРОСАМ ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

В соответствии с образовательным стандартом профильного уровня среднего (полного) общего образования выпускники школы должны усвоить следующие понятия по вопросам строения атомов и периодического закона.

Модели строения атома. Ядро и нуклоны. Нуклиды и изотопы. Электрон. Дуализм электрона. Квантовые числа. Атомная орбиталь. Распределение электронов по орбиталям. Электронная конфигурация атома. Валентные электроны. Основное и возбужденные состояния атомов.

Периодический закон Д.И. Менделеева. Периодическая система химических элементов. Физический смысл порядкового номера элемента, номера периода и группы. Современная формулировка периодического закона и современное состояние периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Электронные конфигурации атомов переходных элементов.

3. Межпредметные и внутрикурсовые связи

Физика - строение атома.

Биология - научная классификация растений и животных.

История - развитие общества и науки в 19-20 вв.

Из предыдущего изученного материала курса химии учащиеся должны знать и помнить такие понятия, как: атом, молекула, химический элемент, валентность, моль, металлические и неметаллические свойства и другие начальные понятия химии; основные классы неорганических веществ, их свойства и генетические связи. Без твердого усвоения ранее изученного материала осознанно усвоить тему учащиеся не смогут. Отсюда будут неизбежно появляться новые пробелы в знаниях при изучении последующих тем курса химии (группы химических элементов).

4. Методические рекомендации при изучении темы

4.1. Первые попытки классификации элементов.

Данный раздел темы позволяет развить представления учащихся о науках и значении классификации для любой науки.

Учитель ставит исходные вопросы.

-Что такое наука?

-Как формируется и развивается наука?

В ходе беседы желательно получить полные ответы на все вопросы.

Выяснив, что одним из важнейших этапов формирования науки является классификация, учитель ставит следующий вопрос.

Каковы основы классификации? (Например, в ботанике, зоологии).

Необходимо прийти к выводу, что в основе научной классификации лежат существенные признаки явлений.

Сразу ли в биологии возникла современная классификация растений и животных? Ответ - отрицательный.

Учитель сообщает ,еще алхимики пытались найти закон природы, на основе которого можно было бы систематизировать химические элементы. Были многочисленные попытки классификации элементов (металлы и неметаллы; триады Дёберейнера 1816; спираль Шанкуртуа 1862; закон октав Ньюлендса 1863; таблицы Л.Майера 1864).Но все попытки оказались несостоятельными.

Почему же эти попытки до Менделеева были неудачны?

Ученики должны дать ответ, что в классификациях до Менделеева не были учтены существенные признаки свойств элементов в их взаимосвязи.

Мир сложен,

он полон событий, сомнений,

и тайн бесконечных, и смелых догадок.

Как чудо Природы

Является гений

Ив хаосе этом

Находит порядок...

Весь мир большой;

Жара стужа,

Планет круженье, свет зари-

Все то, видим мы с наружи,

Законом связано внутри,

Найдется ль правило простое,

Что целый мир объединит?

Таблицу Менделеев строит,

Природы ищет алфавит.

Почему же классификация элементов Д.И.Менделеева оказалась научной естественной классификацией и используется до настоящего времени?

Ответ можно получить, изучив ход мысли и работы ученого.


4.2. Формирование понятий о периодическом законе методом дидактической игры.(так как делал Д.И.Менделеев)

Оборудование: карточки из плотной бумаги с символами химических элементов и другими данными:
а/ Карточки элементов №1 - 22. Символы элементов одной группы делаются одним цветом; с помощью особого знака /квадрат, треугольник, круг и т.д./ в верхнем левом углу обозначаются металлы, неметаллы, элементы, дающие амфотерные соединения, благородные газы. Под символом элемента в четыре строки записывают:
- атомную массу элемента;

- формулу летучего соединения с водородом;

- формулу высшего оксида;

- формулу соответствующего гидроксида.

Если элемент не образует указанное соединение, то в карточке ставиться прочерк.

б/ Карточки с символом водорода выполняют в 2-х экземплярах.

в/ Карточки с символом бериллия выполняют в 2-х экземплярах. В одной карточке указывают атомный вес 13,5 /как полагали многие химики до 1869 г./, в другой - 9 /эту величину принял за истинный атомный вес Д.И. Менделеев/.

г/ Карточки с надписями экаалюминий - галий; экабор - скандий; экасилиций - германий; двителлур - полоний; двицирконий - гафний; экамарганец - технеций; двимарганец - рений; экацезий - франций; зкабарий - радий; экаиод - астат /эти элементы наиболее точно предсказал Д.И. Менделеев/. При этом карточки первых трех элементов нужно продублировать, т.е. изготовить по 2 карточки: с названиями по Менделееву и с современными названиями и данными.

д/ Карточки без названий со значением атомных весов 142, 146, 148, 150; 151, 152, 153, 158, 160, 162, 164, 166, 168. Менделеев полагал, что элементы с такими значениями атомных весов будут еще открыты, и расположил их в своей таблице вслед за церием /ат. вес 140/. Так было предсказано существование лантаноидов.

е/ Карточки без названий со значением атомных весов 245, 246, 248, 249, 250. Менделеев полагал, что элементы с таким значением атомных весов также будут еще открыты, и расположил их в своей таблице вслед за ураном /ат. вес 240/. Так было предсказано существование заурановых элементов.

ж/ Карточки с символами элементов церия, лантана, эрбия, иттрия, индия, тория, урана. Атомные веса этих элементов были "исправлены" Менделеевым на основе закономерностей, которые вытекали из положения элемента в периодической системе.

з/ Карточки с номерами 104-120.

Размер всех карточек может быть произвольным, однако лучше всего, чтобы он соответствовал размеру клетки той периодической системы, которая имеется в химическом кабинете. Необходимые записи на карточках должны быть четко видны всеми учащимися. Окраску фона карточек отдельных групп /г, д, е, ж/ можно выделить светлыми различными тонами. Это поможет учащимся лучше различить, какие элементы предсказал Менделеев более точно, какие определил в общей системе, у каких элементов ученый исправил атомные веса.

Необходимо также подобрать способ крепления карточек к классной доске и периодической системе /липкая лента, кнопки, иголки, магниты и т.д./.

ХОД ДИДАКТИЧЕСКОЙ ИГРЫ

После объявления темы урока и обсуждения проблемы классификации химических элементов в химической науке к середине XIX века учитель предлагает учащимся проследить ход рассуждений и действий Д.И. Менделеева и других ученых в процессе открытия и становления периодического закона с помощью соответствующих карточек. Процесс работы над открытием закона, а, следовательно, и ход игры удобно разделить на несколько этапов.

Этап 1.

Исходные данные и первый опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве.

Учитель информирует учащихся, что к 1869 году было открыто около 60 химических элементов. Попытки многих ученых составить их естественную классификацию были безуспешными. Почему? Не отвечая на этот вопрос, учитель предлагает учащимся "повторить" открытие закона Д.И. Менделеевым, т.е. найти основной критерий для естественной классификации химических элементов.

Учитель показывает ученикам несколько карточек группы а/, разъясняет их содержание и размещает на доске в два ряда, в соответствие с атомными весами, принятыми в 1869 г.


Li (7) B (11) C (12) Be (13,5) N (14) O (16) F (19)

Na (23) Mg (24) Al (27) Si (28) P (31) S (32) Cl (35,5)


Примечание. С целью упрощения мы намеренно располагаем карточки рядами, как принято в современных таблицах, а не столбцами, как это делал Менделеев в своих первых набросках системы элементов.

Обсуждая полученный результат, когда сходные по химическим свойствам элементы располагаются в столбцы, учитель показывает, что Менделеев не мог согласиться с несоответствием свойств бора и магния, углерода и алюминия, бериллия и кремния. На самом деле, по сходству свойств отвечали следующие вертикальные пары элементов: бериллий-магний, бор-алюминий, углерод-кремний. Чтобы привести таблицу в соответствие, ученый "меняет" атомный вес элемента бериллия на 9 и строит таблицу следующим образом.


Li (7) Be (9) B (11) C (12) N (14) O (16) F (19)

Na (23) Mg (24) Al (27) Si (28) P (31) S (32) Cl (35,5)


Используя полученный фрагмент будущей таблицы, учитель обсуждает закономерности в изменении свойств элементов в этих рядах:

- сходство свойств элементов в вертикальных столбцах;

- изменение металлических и неметаллических свойств элементов по горизонтали и вертикали;

- изменение валентности элементов /степени окисления/ в высших оксидах в рядах;

- изменение кислотно-оснόвных свойств оксидов в рядах и столбцах;

- изменение валентности элементов /степени окисления/ в летучих водородных соединениях в рядах;

- изменение характера свойств летучих водородных соединений в рядах и столбцах;

- изменение валентности /степени окисления/ элементов в гидроксидах в каждом ряду;

- изменение кислотно-оснόвных свойств гидроксидов в рядах и столбцах.

Установив, что указанные свойства элементов изменяются периодически, учитель переходит к следующему этапу.

Этап II.

Начало следующего ряда химических элементов /калий, кальций, скандий, титан/.

Учитель обсуждает место следующих /по атомному весу за хлором/ элементов, известных к тому времени /К, Са, Тi/, и укрепляет их карточки на доске по порядку.

Li Be B C N O F

Na Mg Al Si P S Cl

K Ca Ti

Установив карточки, учитель обращает внимание учащихся на соответствие закона периодичности для калия и кальция и на его нарушение для титана /свойства алюминия не повторяются в свойствах титана по основным параметрам/. Как же Менделеев решает проблему? Ученый оставляет под алюминием свободное место для неоткрытого элемента! Более того, он дает ему условное название экабор /Eb/ и предсказывает его свойства /Ат.вес 44; оксид Eb₂О₃, гидроксид Eb/ОН/₃ и др./. Титану отводится место под карточкой кремния. Учитель прикрепляет на доске карточки экабора и титана.


Li Be B C N O F

Na Mg Al Si P S Cl

K Ca Эb Ti


Этап III.

Предсказание Д.И. Менделеевым неизвестных химических элементов и их открытие.

Учитель информирует, что Д.И. Менделеев оставил в таблице пустые места почти для 30 химических элементов.

Для многих он с поразительной точностью предсказывает свойства. Учитель прикрепляет к периодической системе карточки группы г/; указывает на сходство данных научного прогноза Менделеева со свойствами элементов, найденными учеными. Здесь можно подробнее остановиться на нескольких примерах: экаалюминий - галлий, экабор - скандий, экасилиций - германий и т.д. Учитель говорит об "укреплении" периодического закона вследствие открытия предсказанных элементов.

Учитель обращает внимание учащихся на различие в научном подходе к классификации химических элементов со стороны Д.И. Менделеева и других ученых в данном вопросе.

Далее учитель прикрепляет к периодической системе карточки групп д/ и е/, в том числе 13 карточек вслед за церием и 5 за ураном, и обсуждает научный прогноз открытия лантаноидов и заурановых элементов и реализацию этого прогноза.

Этап IV.

Исправление Д.И.Менделеевым атомных весов, принятых учеными для некоторых элементов к 1869 году.

Учитель информирует учащихся, что наряду с исправлением атомного веса бериллия, Д.И. Менделеев на основе открытого закона периодичности исправил атомные веса и других элементов. Одновременно учитель прикрепляет на периодическую систему карточки группы ж/ с символами химических элементов, атомные веса которых были исправлены ученым. Анализируя этот факт, учитель еще раз обращает внимание учащихся на различие в научном методе исследования Менделеева и других ученых в вопросах классификации элементов.

Этап V.

Открытие благородных газов и их место в периодической системе. Проблема отклонений в последовательности расположения элементов в зависимости от их атомного веса.

Учитель информирует учащихся об открытии гелия /1868 г. на Солнце; 1882-1895 г. на Земле/ и других благородных газов /1894-1898/ и включении в периодическую систему дополнительной группы элементов. Одновременно учитель прикрепляет к доске карточки гелия, неона и аргона.

He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti


Учитель обращает внимание учащихся на несоответствие принципа последовательности возрастания атомных весов у аргона /39,9/ и калия /39,1/; меняет карточки местами; обсуждает проблему и возвращает карточки аргона и калия на свои места. Далее учитель указывает на другие пары элементов, расположенных с "нарушением" общей закономерности таблицы по Менделееву /кобальт - никель, теллур - иод и др./, и подводит учащихся к мысли, что объяснение тому кроется в строении атомов элементов.

Этап VI.

Место водорода в периодической системе. Учитель обсуждает положение водорода в периодической системе и укрепляет на доске две карточки с символами этого элемента.

Н Н He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti


Этап VII.

Подведение итогов. Обобщение результатов игры. Учитель еще раз, используя карточки на доске и на таблице периодической системы, уточняет, обобщает, разъясняет следующие вопросы:

-критерий классификации химических элементов Д.И. Менделеевым;

-отличие в научном подходе к классификации элементов со стороны Д.И. Менделеева и других ученых;

-формулировка периодического закона и его графическое выражение в виде периодической системы химических элементов;

-структура периодической системы;

-закономерности изменения свойств химических элементов и их соединений в рамках периодической системы;

-постановка проблемы физического смысла периодического закона /если по программе строение атома изучается после изучения периодического закона/;

Этап VIII.

Завершение седьмого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Идея этого этапа игры заключается в том, чтобы "завершить" седьмой период, заполнив пустые клетки карточками группы з/.

Форма организации этого этапа игры может быть различной. В частности, учитель, обсуждая с учащимися проблемы синтеза сверхтяжелых элементов, размещает на периодической системе карточки элементов №104 - 118, указывает, какие из них открыты /синтезированы/, и просит учащихся сделать прогноз об их химических свойствах. Более подробно можно остановиться на свойствах элемента 118, завершающего период. Далее учитель обсуждает проблему возможности 8-го периода, используя карточки 119 и 120. Более подготовленным учащимся можно дать задание подсчитать вероятные значения атомных масс /массовых чисел/, наиболее стабильных изотопов неоткрытых элементов.

Таким образом учащиеся смогут проделать работу Д.И.Менделеева; изучить периодическую систему и химические элементы.; предсказать новые химические элементы и подойти к современному понятию периодического закона и периодической системы.

Периодическая система - графическое изображение закона, каждое обозначение отражает какую либо особенность в строении атома

Периодическая система - это графическое выражение периодического закона. Современная периодическая система содержит 117 химических элементов. Каждый элемент занимает определённое место (клетку) в периодической системе и имеет свой порядковый (атомный) номер.

Символ элемента порядковый (атомный) номер

20

Са

40,8

кальций

Относительная атомная масса русское название элемента

Структура периодической системы

Периодическая система состоит из 7 периодов, десяти рядов и 8 групп

.

Период - это последовательность элементов, которая начинается щелочным металлом (Li, Na. K, Rb, Cs , Fr) и заканчивается благородным газом (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).

Исключение: первый период начинается водородом; седьмой период является незавершённым.

Периоды разделяются на малые и большие. Малые периоды состоят из одного горизонтального ряда (первый, второй и третий периоды). Большие периоды состоят из двух горизонтальных р рядов (четвёртый, пятый и шестой периоды).

В каждом периоде слева направо металлические свойства ослабевают, а неметаллические свойства усиливаются.

В чётных рядах больших периодов находятся только металлы.

Группа - это совокупность элементов, которые имеют одинаковую высшую валентность в оксидах и в других соединениях. Эта валентность равна номеру группы.

Каждая группа состоит из двух подгрупп: главной и побочной.

Главная подгруппа содержит элементы малых и больших периодов.

Побочная подгруппа содержит элементы только больших периодов.

В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические свойства ослабевают. Все элементы побочных подгрупп являются металлами.

Современная формулировка Периодического закона:

Закончите предложения:

1) порядковый номер элемента указывает на

2) число других ядерных частиц - нейтронов находят по формуле -….

3) Номер периода указывает на ……

4) номер группы показывает на …..

Строение атома объясняет причину изменения свойств элементов.

Вопр: Как изменяются металлические и неметаллические свойства в периодах и группах и почему? Следовательно, можно сделать вывод - дать еще одну причинно-следственную формулировку Периодического закона

Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения внешних электронных слоев атомов химических элементов

4. Значение закона:

1).позволил исправить неверные значения масс - бериллий 13.5 на 9

2).неверные с.о. - бериллий - +3 на +2;

3).описывать свойства элементов и образованных ими веществ предсказать существование не открытых элементов, описывать их свойства и указывать пути открытия.

Триумф - открытие галлия - (экаалюминий), скандия- (экабор), германия - (экасиллиций)

Был четвертый ряд нарушен

Элемент не обнаружен

Элемент не обнаружен -

Тот, что в этом месте нужен.

Но напрасно беспокойство:

Существует где-то он!

«Я найду сначала свойства,

и поможет мне закон!»

Удельный вес назвал и цвет,

Летуч на воздухе иль нет,

Как плавится, в чем растворим...

Законом пользуясь своим,

Быть может, раз в тысячелетье

Свершить подобное дано.

Но мир открытья не заметил

Иль не поверил, все равно.

И кто-то говорил по-свойски

«Забудь об этой ерунде!
Как можно обнаружить свойства

Веществ, не найденных нигде!»

Как будто их в глаза видал!

И вот через 5 лет, в 1875 г., французский ученый П.Э.Лекок де Буабодран, ничего не знавший о работах Дмитрия Ивановича, открыл новый металл, назвав его галлием. По ряду свойств и способу открытия галлий совпадал с экаалюминием, предсказанным Менделеевым. Но его вес оказался меньше предсказанного. Несмотря на это, Дмитрий Иванович послал во Францию письмо, настаивая на своем предсказании.

Вот как-то раз узнали

ученые всех стран:
Металл чудесный галлий (в честь Франции назвали)

Открыл Буабодран.
Довольный и счастливый

Рассматривал металл,
Но писем из России
Никак не ожидал.
Он взял письмо, прочел его.
- От русского ученого?
Ошибся я! Слыхали?! -
Француз был удивлен

Глаза его сверкали,

Топорщились усы

В глаза не видел галлий

А свойства знает он

Вес высчитал удельный

Точней, чем я, стократ

Какой-то Менделеев

Еще пять лет назад

Но вот металл свой галлий

Он кинул на весы!..
Ответ в Россию мчится:

«Прекрасная таблица!

Я вами восхищен!
Проверен мной практически

Закон периодический,
И я категорически
Приветствую Закон!»

По ходу игры учащимся, активно и плодотворно участвовавшим в "научном поиске" оптимального варианта классификации химических элементов и "открытий" периодического закон.

Литература:

Ю.И.Соловьев. История химии. М.: Изд. "Просвещение", 1976; Книга для чтения по неорганической химии. Часть 1 /Составитель В.А. Крицман/. М.: Изд."Просвещение", 1983; М. Джуа. История химии. М.:Изд."Мир",1966; Г.И. Штремплер, Г.А.Пичугина. Дидактические игры при обучении химии. - 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2005. - 96 с. и др.