Первые попытки классификации химических элементов. Амфотерные оксиды и гидроксиды.
методическая разработка по химии (9 класс) по теме

ТЕМА УРОКА – Первые попытки классификации химических элементов.                                                   Амфотерные оксиды и гидроксиды.

        ТИП УРОКА  –   изучение нового материала.  

        ВИД УРОКА –    беседа.

        ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УРОКА:

1.Обучающие. Доказать учащимся необходимость классификации химических элементов и показать несовершенство доменделеевских классификаций химических элементов. Дать понятие амфотерности и переходных элементов.

2.Развивающие. Продолжить развитие умений: выделять главное, устанавливать причинно-следственные связи, вести конспект, проводить эксперимент, применять знания на практике.

3.Воспитательные. Показать исторический ход развития каждой науки от накопления фактов к их классификации. Показать и подчеркнуть двойственный характер химических элементов.

4..Методы и методические приемы. Самостоятельная работа учащихся с научно-популярной литературой, подготовка сообщений, выполнение лабораторных опытов и демонстрационного эксперимента, диалогический метод изложения знаний с элементами исследования.

Оборудование. Таблицы:

1. Триады Деберейнера.
2. Цилиндрическая система Шанкуртуа.
3. Таблица Мейера.

d)   Мультимедийный проектор, лазерная указка.

Для демонстрационного эксперимента: Образцы простых веществ – медь,          серебро, сера, фосфор, железо, йод, графит.

Для лабораторной работы на каждый стол:

Свежеприготовленный раствор гидроксида цинка, растворы гидроксида натрия и соляной кислоты.

Ход урока:

В течение нескольких уроков Вы будете изучать один из важнейших законов природы – периодический закон. Вы узнаете, как он был открыт Д.И. Менделеевым, Вы научитесь, не заглядывая в книгу, предсказывать свойства химических элементов и их соединений. Я хочу сказать, что истории любого события или открытия предшествует некий временной интервал, который принято именовать предысторией либо периодом накопления предпосылок.

Такая предыстория есть и у нашего закона.

Первая страница истории – доменделеевские попытки классификации химических элементов – это и есть страница нашего урока.

Запишите тему урока.

Девизом урока послужат слова профессора Петербургского университета Д.И. Менделеева:

«Мощь и сила науки, во множестве фактов, цель в обобщении этого множества и возведении их к началам… Собрание фактов и гипотез еще не наука, оно есть только преддверие, но преддверие, мимо которого нельзя войти в святилище науки. На этих преддвериях надпись – наблюдение, предположение, опыт».

        Итак, начнем с Вами путь к преддверию открытия периодического закона. В истории развития периодического закона можно выделить три этапа: (проектируем на экран проектором)

     Первый этап: XVIII - XIX Изучение, накопление фактов.

     Второй этап: 1869 год – противоречие, возникшее между объемом эмпирических сведений о веществах и отсутствием упорядоченности сведений о веществах, достигает кульминационного момента.

    Третий этап: XIX-XX вв. – дальнейшее развитие

 Рассмотрим первый этап в истории развития закона.

Интересно отметить, познание любого закона природы исторически проходит три определенных этапа: единичное, особенное, всеобщее. Ступень единичного в познании химических элементов была пройдена к концу XVIII века. К этому времени было известно около 30 химических элементов. Накоплены сведения об отдельных свойствах уже известных отдельных химических элементах. Возникшее противоречие в науке между большим объемом фактического материала о веществах и отсутствием упорядоченности сведений вызвало появление многочисленных способов классификации химических элементов.

Давайте попытаемся перенестись в прошлое и проникнуть в творческую лабораторию ученых.

Перед нами задача: Разделите простые вещества на две группы – металлы и неметаллы.

Вспомним общие характерные признаки тех и других.

Задание: К какому классу простых веществ следует отнести медь. Перечислить все характерные признаки и сделать выводы.

Медь – твердая, непрозрачная, красноватого цвета с металлическим блеском, хорошо проводит электрический ток и теплоту.

Вывод – металл.

Задание: К какому классу простых веществ следует отнести серу, железо. Перечисляем характерные признаки и делаем вывод: железо – металл, сера – неметалл.

Аналогично предлагается описать свойства йода и графита, относящихся к неметаллам. Наличие металлических свойств у названных неметаллов ведет к возникновению проблемной ситуации, в какую же группу отнести эти элементы? Проблема остается открытой, у учащихся появляются сомнения в правильности предложенного ими вида классификации элементов.

Осталась попытка учесть химические свойства соединений элементов. Курс нашего урока правильный, - мы идем тем путем, которым шли учетные того времени.

В дальнейшем при классификации учитывались химические свойства элементов и их соединений. Для продолжения работы в творческой лаборатории восстановим в памяти генетические ряды металлов и неметаллов, и рассмотрим генетическую связь между его членами.

Ученики говорят о генетической связи между простыми веществами и соединениями элементов: металлам, соответствует основной оксид – основание, а неметаллам – кислотный оксид – кислота.

Далее ученики должны доказать практически, что основание всегда ведут себя только как основания, а кислоты только как кислоты.

Один ученик делает на примере гидроксида кальция, другой – на примере фосфорной кислоты.

Задача учеников – наглядно поставить опыты. Для этого первый ученик в две пробирки наливает раствор гидроксида кальция и добавляет раствор фенолфталеина. Затем в первую пробирку добавляют кислоту – малиновая окраска исчезает. При добавлении во вторую пробирку щелочи окраска усиливается. Значит, раствор гидроксида кальция со щелочью не реагирует. При помощи метилоранжа второй ученик демонстрирует опыты с фосфорной кислотой. Учащиеся записывают соответствующие уравнения реакций.

Учитель подводит итоги: ученикам удалось разделить элементы на две группы - металлы и неметаллы. В группе металлов находятся кальций, медь, железо, цинк. В группе неметаллов – сера, фосфор, углерод, йод.

Затем просит проверить основные свойства гидроксида цинка. Эта работа предусматривает выполнение лабораторного опыта.

Цель: выделить особенность химических свойств гидроксида цинка.

Для этого разделите выданный вам гидроксид цинка на две части. В одну пробирку прилить кислоту, в другую щелочь.

В обеих пробирках произошло полное растворение осадка.

Состав полученных продуктов позволяет утверждать, что в первой пробирке гидроксид цинка проявил себя как снования, а второй как кислота. Значит, он сочетает в себе два противоположных свойства.

Возникает проблема: к металлам или неметаллам следует отнести цинк, если по физическим свойствам он металл, а по характеру гидроксида неметалл?

Учитель сообщает сведения и о других элементах, оксидах и гидроксидах, которые проявляют противоречивую двойственную природу, то есть являются амфотерными. (Алюминий, бериллий, сурьма, олово)

Оксиды и гидроксиды, которые взаимодействуют с кислотами и основаниями называются амфотерными.

Далее работа по группам, читают определение амфотерности и рассказывают друг другу. Затем опрашивает учитель.

Запись для видеопроектора:

Оксид        Ве О               Zп О       Al2О3         Сr2О3

                  Ве (ОН)2      Zп (ОН)2    Аl(ОН)3    Сr(ОН)3

          Гидроксид  Н2ВеО2          Н2ZпО2    Н3АlО3       Н3СrО3

          Записываем уравнения реакций:

                  Zп(ОН)2+2НСl  →  ZпСl2+2Н2О

                  2NаОН+Н2ZnО2 → Nа2ZnО2+2Н2О

Цинк, алюминий, бериллий, хром – элементы образующие амфотерные соединения.

ВЫВОД:  По аналогии с обсуждением генетических рядов элементов – делаем вывод, что химические элементы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды являются родоначальниками особых генетических рядов. Это ряды переходных химических элементов, связывающих элементы – металлы и элементы – неметаллы.

Тем самым подтверждается вывод об отсутствии резких границ между явлениями.

Смотрим таблицу:

Химические элементы            Nа                     Zn                        Р

                                               металл           переходный         неметалл

                                                                         элемент

Простые вещества                  Nа                      Zn                         Р

                                               металл           переходный         неметалл

                                                                         элемент

Оксиды                                   Nа2О                 ZnO                     Р2О5

                                            основной          амфотерный        кислотный

                                               оксид                  оксид                   оксид

Гидроксиды и кислород-

содержащие кислоты             NаОН              Zn(ОН)2               Н3РО4

                                             основание        амфотерный          кислота

                                                             гидроксид

Так учащиеся подводятся к следующим выводам:

1.В рассмотренной классификации нет места для элементов, соединения которых амфотерны.

2.Отнесение элемента по физическим свойствам простого вещества к металлам или неметаллам не даёт возможности правильно предсказывать характер его соединений.

3.Наряду с типичными металлами и неметаллами существуют вещества, совмещающие и те и другие признаки, что свидетельствует об отсутствии резкой границы между элементами металлами и неметаллами и указывает на разницу между ними.

Если классификация на металлы и неметаллы несовершенна, то надо искать новый путь классификации.

С середины 19 в. началось изучение и открытие химических элементов целыми группами, которые вскоре получили название “естественных групп”. Это стало достигаться тем, что химические элементы стали сопоставляться и сравниваться между собой, причем в одну группу включались только элементы, химически сходные друг с другом, и они резко обособлялись от всех остальных элементов как несходных с ними.

Однако дальше этих правильностей внутри отдельных групп химики не шли. Это была ступень познания особенности применительно к химическим элементам.

Рассмотрим, как проходило развитие теоретических воззрений на классификацию химических элементов. Коротко знакомимся с работами ученых.

Сообщения учащихся.

В 1829 году немецкий ученый Деберейнер на основе химического сходства природы некоторых элементов располагает их отдельными триадами:

ЛИТИЙ – 6,94          КАЛЬЦИЙ – 40,07             ФОСФОР – 31,04

НАТРИЙ – 23,00     СТРОНЦИЙ – 87,63           МЫШЬЯК – 74,96

КАЛИЙ – 39,1          БАРИЙ – 137,37                 ОЛОВО – 121,8

При этом он обнаруживает интересную математическую закономерность – масса атома среднего элемента в каждой триаде родственных элементов равна средне арифметической величине из масс атомов крайних.

Надо сказать, что классификация элементов по триадам занимала умы многих химиков и в последующее время. Стали появляться всё новые и новые триады родственных между собой элементов, и в 1857 году Ленсен укладывает почти все известные в этом году элементы в двадцать триад не без некоторой натяжки в отношении отдельных элементов.

Заслуга: четко сформулировал представления о естественных элементах.

Совершенно особое место в предистории занимают работы Дж.Ньюлендса. Этот английский ученый один из первых расположил все известные элементы по мере увеличения их атомных масс.

В августе 1864 года он отметил, что восьмой по счету элемент, начиная c любого повторяет свойства первого, подобно восьмой ноте в музыке.

Ньюлендс назвал эту закономерность “законом октав” и исходя из него попытался разбить все известные ему элементы на группы (октавы). Размещая элементы в октавах, Ньюлендс действовал очень произвольно, иногда он переставлял их, искусственно подгоняя под свою схему, иногда ставил на одно место два элемента, при этом он совершенно не учитывал возможности открытия новых элементов.  

По общему мнению, попытка Ньюлендса явилась шагом в правильном направлении. Тем не менее к его классификации можно предъявить три следующие серьёзные претензии:

1.В ней не было места новым ещё не открытым элементам.

2.Система Ньюлендса не позволяла научно определять атомные массы, прогнозировать свойства элементов.

3.И, наконец, некоторые элементы представлялись неудачно помещенными:    Si и Ti, P и Mn, S и Fe.

Однако заслуга английского ученого в том, что он впервые уловил явление периодичности изменения свойств химических элементов.

Таблица элементов иллюстрирующая ‘Закон октав”                                                      

В 50-х годах 19-го века делаются попытки систематизации элементов по группамна основе того, что между атомными массами элементов в таких группах наблюдаются определённости, иногда довольно сложные математические закономерности.

Например: объёмное построение французского ученого Шанкуртуа. Он расположил около 50-ти элементов по винтовой линии на поверхности цилиндра, откладывая их на этой линии, соответственно их относительным атомным массам. Многие химически сходные элементы оказались в его построении расположенными друг под другом на вертикалях – образующих цилиндра. Интересно, из его витка впервые выявилось связь между водородом и галогенами, лишь недавно ставшая общепризнаной. Однако, эта подмеченная им так сказать, в зародыше периодичность не нашла развития в нижней половине цилиндра, где уже вообще ни о какой аналогии по вертикалям говорить не приходится.

Ближе к истине оказался немецкий химик Лотар Мейер. Он предложил таблицу, в которой все известные химические элементы были разбиты на шесть групп, согласно их валентности. В каждой из них находятся элементы, сходные по их атомности (валентности). В зту таблицу таблицу Мейер поместил всего 27 элементов , то есть меньше половины известных  в то время . Расположение остальных элементов: B, Al, Cu, Ag и др.- оставалось неясным , а структура таблицы была неопределенной .

        ВЫВОДЫ: Общее число попыток классификации элементов до М.И.Менделеева, считая варианты упомянутых таблиц, достигает пятидесяти. В них принимали участие ученые разных стран. Некоторым из н их удалось подойти к предчувствию периодического закона, даже вступить на порог открытия его.

И все же им не удалось довести свои попытки до конца. Их работы не были приняты учеными в качестве естественной классификации, так как все попытки сводились к объединению известных элементов в небольшие группы, установлению свойств между ними, но не поднимались до обобщения, когда установленная закономерность естественного изменения свойств элементов способна не только отражать и объяснять известные факты, но и предвидеть ещё не познаные, предсказывать их закономерность. На эту ступень научного подвига смог подняться только гений Д.И.Менделеев.

Менделеев, Ньюлендс, Шанкуртуа, Мейер – двигались по одной и той же дороге научного исследования. Все они по очереди подходили к лежавшему на пути науки драгоценному, но  не обработанному камню. Каждый из них держал его в руках и каждый чувствовал, что камень этот не прост. Но один лишь гениальный Д.И.Менделеев оказался настолько проницательным, что не отбросил его в сторону, а смело принялся шлифовать и отрабатывать до тех пор, пока в руках у него не засияло во всём блеске величайшая ценность – ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ – фундаментальный закон природы.

Задание на дом:

Учебник О.С. Габриеляна «Химия - 9», § 2 упр. 2-3. § 3

Литература:

Степанов          “История открытия закона”

Агафошин “Периодический закон и периодическая система”                      Ахметов “Неорганическая химия” Учебное пособие для                              учащихся  с углубленным изучением химии.

Ахметов  “Общая неорганическая химия” – М. Высшая школа 1981г.        

 Приложение 1

Таблица Ньюлендса, 1864.

Таблица Мейера 1864 г. (фрагмент).

Таблица Мейера 1870 г.

  Общий вид кривой атомных объёмов Мейера