数学建模系列讲座 (2).ppt
科学发现系列讲座,元素周期律的发现,元素周期律的发现,物质是由元素构成的，每一种元素都具有不同的特性。经过长期的努力，人们所发现的元素数目不断增加。到了19世纪，人们发现的元素已经达到六十多种。随着元素数目的增多，化学家们开始感到他们像是迷失在一座茂密的丛林中：自然界究竟有多少种元素？它们之间的内在关系怎样？有没有规律？怎样分类？由于科学的精髓就在于要从表面的杂乱中理出秩序来，所以科学家们一直想从元素的特性当中找出某种规律来。,元素周期律的发现,元素有许多特性，如单质的熔点、沸点、密度、硬度等，化合物的化学价、溶解度等。但是，元素最重要的性质是化学性质和原子量，化学性质可以用氧化数描述，原子量等于化学当量乘化学价。以下是到1860年人们所发现的元素情况一览表。,元素周期律的发现,一、从化学性质出发，寻找原子量的分布规律将元素系统排列的最早的实际尝试，是由德国化学家德贝菜纳作出的。早在1816年通过对性质相似的三元素钙、锶、钡的研究，他观察到锶的原子量大体上是50，接近于当时公认的钙的原子量(275)和钡的原子量(725)的平均值。到1929年，他采用贝齐旦乌斯在1926年发表的新原子量数据，通过对当时发现的54种化学元素性质的系统研究，他进一步明确提出了“三元素组”的分类方法。,元素周期律的发现,他确定的一些元素组是： 1锂7 钙40 氯35.5 硫32 锰55 2钠23 锶87 溴80 硒79 铬56 3钾39 钡137 碘127 碲128 铁57从上至下，每三个元素为一组，性质相似，中间一个元素的原子量是另两个元素原子量的平均值。为此，他预计新发现的溴元素的原子量是氯和碘的原子量平均值。当这一点被贝齐里乌斯所肯定时，他真是欣喜若狂。,元素周期律的发现,下面一些元素，他认为中间的元素尚未被发现， l. 硼11 铍9.4 钇60 3 硅28 铝27.3 铯133 德贝莱纳确实发现了一些元素分类的规律，但他没有能够把所有元素都系统地归纳为一个体系。他也没有机械地按原子量的规律硬性地把3个不同性质的元素归为一组。例如，虽然氮的原子量精确地等于碳和氧的平均值，但仍然把它们看作是三个孤立的非金届元素，后来的事实证明，德贝莱纳是对的。,元素周期律的发现,二、从原子量出发，寻找化学性质的变化规律1862年，即在坎尼札罗把原子量确定为化学上的一个重要的研究手段以后，法国的地质学家比古耶·德尚库图瓦发现，如果按原子量递增的顺序把元素排列成表的形式，他能使性质相似的元素处在同一栏内。两年以后，英国青年化学家纽兰兹也发现：按原子量递增的顺序，每隔八个元素就有重复的物理和化学性质出现，因为和音乐上的八度音相似，所以称“八音律”。,元素周期律的发现,但是，他还没有认识到在已知元素之间还有未发现的元素，因此“八音律”存在许多矛盾。 1866年，纽兰兹在英国化学学会上提出了“八音律”的见解时，引起了哄堂大笑。有人讽刺说，你怎么不按元素的字母排列呢？可见要让人们接受一个青年人提出的新的但是还不完整的思想，是多么的困难，科学界内部的保守势力同样在阻碍科学的进步。许多年以后，即在元素周期表的重要性得到普遍承认以后，他们的论文才得以发表。纽兰兹甚至还因此而获得了勋章。,元素周期律的发现,“八音律”在理论上是粗糙的，不完整的；在实践上也没有提出可供检验的预言。它的意义在思想上，首先给出了元素按原子量的顺序出现的规律的雏形。,元素周期律的发现,三、同时从原子量与化学性质出发，寻找变化规律俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素迷宫中理出了一个头绪。门捷列夫为了研究元素的分类和规律，把当时已知的几十种元素的主要性质和原子量写在一张张的小卡片上，反复进行排列，比较它们的性质，探索它们之间的联系。,元素周期律的发现,1869年，他正式提出元素周期律，它在周期表中排列了当时已经知道的63种元素。门捷列夫的元素周期律的原理基本上同纽兰兹的相同，不过门捷列夫的周期律更加的科学和完整，同时也比他具有更大的勇气和信心来宣扬自己的观点。门捷列夫的“周期表”比纽兰兹的元素表更为复杂，也更接近我们今天认为是正确的东西。,元素周期律的发现,门捷列夫第一次修订原子量V = 137 51Nb= 188 94Th= 236 118新发现Er = 55补充、修订后的元素原子量与性质,元素周期律的发现,门捷列夫的第一张元素周期表利用补充、修订后的元素原子量与性质表，门捷列夫给出了他的第一张元素周期律图表。作为试探与假设，他在图表中一些需要探讨的问号。,元素周期律的发现,门捷列夫第二次修订原子量Th = 118 231， Y = 60 88 In = 75 113， Di = 95138Ce = 92140， Er = 56178Os = 199195， Te = 128125， I = 127128Au = 197199， La = 94180补充、修订后的元素原子量与性质,门捷列夫化学元素周期表（发表于1871年12月）,元素周期律的发现,门捷列夫以一种似乎是非常大胆的口气宣布说：属于这些空位的的元素将来一定会被发现。不仅如此，他还用表中待填补进去的元素的上、下两个元素的特性作为参考，预言了表中三个待填补的元素的大致性状。,元素周期律的发现,1875年法国化学家布瓦博德朗宣布发现了新元素镓，它的比重为4.7，原子量是59点几。门捷列夫根据周期表，断定镓的性质与铝相似，比重应为5.9，原子量应为68，而且估计镓是由钠还原而得。一个根本没有见过镓的人，竟然对它的第一个发现者测定的数据加以纠正，布氏感到非常惊讶，实验的结果，果然和门氏判断极为接近，比重为5.94，原子量为69.9，按门氏提供的方法，布氏新提纯了镓，原来不准确的数据是由于称中含有钠，大大减少了它本身的原子量和比重。,
