數(shù)學(xué)建模系列講座.ppt

1、科學(xué)發(fā)現(xiàn)系列講座,元素周期律的發(fā)現(xiàn),元素周期律的發(fā)現(xiàn),物質(zhì)是由元素構(gòu)成的，每一種元素都具有不同的特性。經(jīng)過長期的努力，人們所發(fā)現(xiàn)的元素數(shù)目不斷增加。到了19世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)的元素已經(jīng)達到六十多種。隨著元素數(shù)目的增多，化學(xué)家們開始感到他們像是迷失在一座茂密的叢林中：自然界究竟有多少種元素？它們之間的內(nèi)在關(guān)系怎樣？有沒有規(guī)律？怎樣分類？由于科學(xué)的精髓就在于要從表面的雜亂中理出秩序來，所以科學(xué)家們一直想從元素的特性當(dāng)中找出某種規(guī)律來。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),元素有許多特性，如單質(zhì)的熔點、沸點、密度、硬度等，化合物的化學(xué)價、溶解度等。 但是，元素最重要的性質(zhì)是化學(xué)性質(zhì)和原子量，化學(xué)性質(zhì)可以用氧化數(shù)描述，原子

2、量等于化學(xué)當(dāng)量乘化學(xué)價。以下是到1860年人們所發(fā)現(xiàn)的元素情況一覽表。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),一、從化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，尋找原子量的分布規(guī)律 將元素系統(tǒng)排列的最早的實際嘗試，是由德國化學(xué)家德貝菜納作出的。早在1816年通過對性質(zhì)相似的三元素鈣、鍶、鋇的研究，他觀察到鍶的原子量大體上是50，接近于當(dāng)時公認(rèn)的鈣的原子量(275)和鋇的原子量(725)的平均值。到1929年，他采用貝齊旦烏斯在1926年發(fā)表的新原子量數(shù)據(jù)，通過對當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的54種化學(xué)元素性質(zhì)的系統(tǒng)研究，他進一步明確提出了“三元素組”的分類方法。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),他確定的一些元素組是： 1鋰7 鈣40 氯35.5 硫32 錳55 2鈉23 鍶8

3、7 溴80 硒79 鉻56 3鉀39 鋇137 碘127 碲128 鐵57 從上至下，每三個元素為一組，性質(zhì)相似，中間一個元素的原子量是另兩個元素原子量的平均值。為此，他預(yù)計新發(fā)現(xiàn)的溴元素的原子量是氯和碘的原子量平均值。當(dāng)這一點被貝齊里烏斯所肯定時，他真是欣喜若狂。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),下面一些元素，他認(rèn)為中間的元素尚未被發(fā)現(xiàn)， l. 硼11 鈹9.4 釔60 3 硅28 鋁27.3 銫133 德貝萊納確實發(fā)現(xiàn)了一些元素分類的規(guī)律，但他沒有能夠把所有元素都系統(tǒng)地歸納為一個體系。他也沒有機械地按原子量的規(guī)律硬性地把3個不同性質(zhì)的元素歸為一組。例如，雖然氮的原子量精確地等于碳和氧的平均值，但仍然把它

4、們看作是三個孤立的非金屆元素，后來的事實證明，德貝萊納是對的。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),二、從原子量出發(fā)，尋找化學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律 1862年，即在坎尼札羅把原子量確定為化學(xué)上的一個重要的研究手段以后，法國的地質(zhì)學(xué)家比古耶德尚庫圖瓦發(fā)現(xiàn)，如果按原子量遞增的順序把元素排列成表的形式，他能使性質(zhì)相似的元素處在同一欄內(nèi)。 兩年以后，英國青年化學(xué)家紐蘭茲也發(fā)現(xiàn)：按原子量遞增的順序，每隔八個元素就有重復(fù)的物理和化學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)，因為和音樂上的八度音相似，所以稱“八音律”。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),但是，他還沒有認(rèn)識到在已知元素之間還有未發(fā)現(xiàn)的元素，因此“八音律”存在許多矛盾。 1866年，紐蘭茲在英國化學(xué)學(xué)會上提出了“八

5、音律”的見解時，引起了哄堂大笑。有人諷刺說，你怎么不按元素的字母排列呢？可見要讓人們接受一個青年人提出的新的但是還不完整的思想，是多么的困難，科學(xué)界內(nèi)部的保守勢力同樣在阻礙科學(xué)的進步。許多年以后，即在元素周期表的重要性得到普遍承認(rèn)以后，他們的論文才得以發(fā)表。紐蘭茲甚至還因此而獲得了勛章。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),“八音律”在理論上是粗糙的，不完整的；在實踐上也沒有提出可供檢驗的預(yù)言。它的意義在思想上，首先給出了元素按原子量的順序出現(xiàn)的規(guī)律的雛形。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),三、同時從原子量與化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，尋找變化規(guī)律 俄國化學(xué)家門捷列夫終于從雜亂無章的元素迷宮中理出了一個頭緒。 門捷列夫為了研究元素的分類和

6、規(guī)律，把當(dāng)時已知的幾十種元素的主要性質(zhì)和原子量寫在一張張的小卡片上，反復(fù)進行排列，比較它們的性質(zhì)，探索它們之間的聯(lián)系。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),1869年，他正式提出元素周期律，它在周期表中排列了當(dāng)時已經(jīng)知道的63種元素。門捷列夫的元素周期律的原理基本上同紐蘭茲的相同，不過門捷列夫的周期律更加的科學(xué)和完整，同時也比他具有更大的勇氣和信心來宣揚自己的觀點。 門捷列夫的“周期表”比紐蘭茲的元素表更為復(fù)雜，也更接近我們今天認(rèn)為是正確的東西。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),門捷列夫第一次修訂原子量 V = 137 51 Nb= 188 94 Th= 236 118 新發(fā)現(xiàn)Er = 55 補充、修訂后的元素原子量與性質(zhì),

7、元素周期律的發(fā)現(xiàn),門捷列夫的第一張元素周期表 利用補充、修訂后的元素原子量與性質(zhì)表，門捷列夫給出了他的第一張元素周期律圖表。 作為試探與假設(shè)，他在圖表中一些需要探討的問號。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),門捷列夫第二次修訂原子量 Th = 118 231， Y = 60 88 In = 75 113， Di = 95138 Ce = 92140， Er = 56178 Os = 199195， Te = 128125， I = 127128 Au = 197199， La = 94180 補充、修訂后的元素原子量與性質(zhì),門捷列夫化學(xué)元素周期表（發(fā)表于1871年12月）,元素周期律的發(fā)現(xiàn),門捷列夫以一種似乎是非常大膽的口氣宣布說：屬于這些空位的的元素將來一定會被發(fā)現(xiàn)。不僅如此，他還用表中待填補進去的元素的上、下兩個元素的特性作為參考，預(yù)言了表中三個待填補的元素的大致性狀。,元素周期律的發(fā)現(xiàn),1875年法國化學(xué)家布瓦博德朗宣布發(fā)現(xiàn)了新元素鎵，它的比重為4.7，原子量是59點幾。門捷列夫根據(jù)周期表，斷定鎵的性質(zhì)與鋁相似，比重應(yīng)為5.9，原子量應(yīng)為68，而且估計鎵是由鈉還原而得。一個根本沒有見過