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元素周期表的发现及发展史


研究性学习

元素周期表的发展和演变

研究领域:历史,化学 指导老师:付君梅 课题成员:王璨(组长)陈思冲 陶俊宏 陈赐 李宜瑾 冯国忠

课题班级:新疆师范大学附属中学高二(4)班 日期:2012 年 9 月

新疆师范大学附属中学 高二 4 班 元素周期表的发展和演变研究性学习课题小组

第一部分:前言

课题背景:学习化学有整整两年了,作为学习化学时刻需要的工具——元
素周期表对我们的学习作用非常的大, 为此, 我们准备借研究 性学习之机, 研究元素周期表的发展历史和几个世纪以来的演 变过程。

课题目的和意义:通过此活动,使同学们能够进一步了解元素周期
表的历史和用途,并对同学们日后的化学学习起 到帮助(本次研究注重元素周期表发展的历史, 在元素周期表的性质上并不做重点) 。

课题内容:通过研究等多种方式了解化学元素周期表的发展历史和发现
元素周期表的人物, 使用大量图片向同学们展示元素周期表的 各种形式图,并知道一些元素的用途和作用。

课题研究方法:1、到学校、家里、市区图书馆或网上搜索所需资料;
2、整理资料; 3、分组汇报、交流、讨论、教师指导; 4、学生进行总结。

人员安排:王璨组织、撰写探究实践报告和负责其它工作;
冯国忠,陈思冲负责查找资料; 陈赐,李宜瑾负责收集、整理、筛选所需资料; 陶俊宏负责多媒体制作。

时间安排:2012 年 8 月上旬进行书面报告,8 月中旬至 9 月上旬进行小
组探究。

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预期成果:了解元素周期表的历史、发展过程和它的发现者。在化学学
习中能够有一些帮助。

表达形式:以文字,图片为主,音像资料为辅。 摘要:◆诞生:1869 年,俄国化学家门捷列夫编制出第一张元素周期表
◆依据:按照相对原子质量由小到大排列,将化学性质相似的元 素放在同一纵行 ◆意义:揭示了化学元素之间的内在联系,成为化学发展史上的 重要里程碑之一 ◆发展:随着科学的发展,元素周期表中未知元素留下的空位先 后被填满。 ◆成熟:当原子结构的奥秘被发现时,编排依据由相对原子质量 改为原子的核电荷数,形成现行的元素周期表

关键词:诞生 化学性质 里程碑 发展 相对原子质量 -----摘自《百度》百科

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第二部分:对元素周期表的认识
一、元素周期表的发现者
1.贝莱那 1829 年,德国的化学家贝莱纳首先敏锐地察觉到已知元素所表露的这种内 在关系的端倪:某三种化学性质相近的元素,如氯,溴,碘,不仅在颜色、化学 活性等方面可以看出有定性规律变化, 而且其原子量之间也有一定理的关系, 即: 中间元素的原子量为另两种元素原子量的算术平均值。这种情况,他一共找到了 五组,他将其称之 为"三元素族",即: 锂 3 钠 11 钾 19 钙 20 锶 88 钡 137 氯 17 溴 35 碘 127 硫 16 硒 79 碲 128 锰 55 铬 52 铁 56

2.门捷列夫 德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫生于一八三四年二月七日俄国西伯利亚的 托波尔斯克市。这个时代,正是欧洲资本主义迅速发展时期。生产的飞速发展, 不断地对科学技术提出新的要求。化学也同其它科学一样,取得了惊人的进展。 门捷列夫正是在这样一个时代,诞生到人间。门捷列夫从小就热爱劳动,热爱学 习。他认为只有劳动,才能使人们得到快乐、美满的生活。只有学习,才能使人 变得聪明。 他不分昼夜地研究着, 探求元素的化学特性和它们的一般的原子特性,然后 将每个元素记在一张小纸卡上。 他企图在元素全部的复杂的特性里,捕捉元素的 共同性。但他的研究,一次又一次地失败了。可他不屈服,不灰心,坚持干下去。 在一八六九年二月十九日,他终于发现了元素周期律。他的周期律说明:简 单物体的性质, 以及元素化合物的形式和性质,都和元素原子量的大小有周期性 的依赖关系。门捷列夫在排列元素表的过程中,又大胆指出,当时一些公认的原 子量不准确。如那时金的原子量公认为 169.2,按此在元素表中,金应排在锇、 铱、铂的前面,因为它们被公认的原子量分别为 198.6、196.7、196.7,而门捷 列夫坚定地认为金应排列在这三种元素的后面,原子量都应重新测定。大家重测 的结果,锇为 190.9、铱为 193.1、铂为 195.2,而金是 197.2。实践证实了门捷 列夫的论断,也证明了周期律的正确性。 一九 0 七年二月二日, 这位享有世界盛誉的科学家, 因心肌梗塞与世长辞了。 但他给世界留下的宝贵财产,永远存留在人类的史册上。

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二、元素周期表发现史

1.周期律发现前的元素分类 1789 年拉瓦锡在他的著作中首次出现了《元素表》。1815 年英人威廉· 普 劳特提出: 所有元素的原子量均为氢原子量的整数倍; 氢是原始物质或“ 第 1、 2、 一物质” , 他试图把所有元素都与氢联系起来作为结构单元。1829 年德伯赖纳 提出五组《三素组》:Li、Na、K;Ca、Sr、Ba;P、As、Sb;S、Se、Te;Cl、Br、I。 1843 年盖墨林把当时己知的化学元素按性质相似分类制成了元素表。十八世纪 六十年代法人尚古多制出了元素分类的螺旋线图或地螺柱图。 他最先提出元素性 质和原子量之间有关系, 并初步提出了元素性质的周期性。 螺旋图是向揭示周期 律迈出了有力的第一步, 但缺乏精确性。1864 年英人欧德林用 46 种元素排出了 《元素表》。同年德人迈尔依原子量大小排出《六元素》表。该表对元素进行了 分族, 有了周期的雏型。 1865 年英人纽兰兹把 62 种元素依原子量递增顺序排表, 发现每第八个元素性质与第一个元素性质相近, 好似音乐中的八度音, 他称为 “ 八音律” 。 八音律揭示了元素化学性质的重要特征, 但未能揭示出事物内在 的规律性。 2 .周期律的发现 化学家绝不满意元素漫无秩序的状态。从《三素组》到《八音律》, 逐步对 元素知识进行归纳和总结, 试图从中找出视律性的东西, 为发现周期律开辟了 道路。 由于科学资料积累, 元素数目增多, 终于在十九世纪后半期迈尔和门捷列 夫同时发现了元素周期律。1867 年俄人门捷列夫对当时已发现的 63 种元素进行 归纳、 比较, 结果发现: 元素及其化合物的性质是原子量的周期函数的关系, 这 就是元素周期律。 依据周期律排出了周期表, 根据周期表, 他修改了铍、铯原子 量, 预言了三种新元素, 后来陆续被发现, 从而验证了门氏周期律的正确性, 迅速被化学家所接受。在周期律的指导下, 先后发现了稼、钪、锗、钋、镭、锕、 镤、铼、锝、钫、砹等十一种元素同时还预言了稀有气体的存在, 并于 1898 年 以后, 陆续发现了氖、氢、氙等元素, 因而在周期表中增加ⅧA 族。到 1944 年 自然界存在的 92 种元素全部被发现。 如果说, 原子一一分子论的建立是对化学的一次总结, 那么周期律的发现, 使元素成了一个严整的自然体系, 化学变成一门系统的科学, 它是化学史上的 一个重要里程碑它讨原子结构、有机化学、原子能、地球化学、生物化学、冶金、 新元素的发现与合成都有深远的影响。为了纪念门氏的伟大发现, 科学家把 101 号元素命名为钔。恩格斯曾给以高度评价:“ 门捷列夫不自觉地应用黑格尔的 量转化为质的规律, 完成了科学上的一个勋业。” -5-

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由于时代的局限性, 门氏不可能认识到周期律更本质的规律。 因此可以说门 氏只是原子体系的哥白尼, 而原子体系的伽利略和牛顿, 自有后来人。

三、元素周期表的发展史
1 .周期律概念的更新 十九世纪末, 二十世纪初, 由于原子量的精确测定, 确知碲的原子量大碘, 氩大于钾, 钴大于镍等。基于这个事实, 并照顾到元素性质的相似性,1902 年捷 克化学家布拉乌勒尔设计的周期表中有几处颠倒了原子量的排列。1905 年瑞士 化学家维尔纳设计的专表也有这种现象, 这是对门氏周期律的直接挑战。 面对矛 盾, 当时科学家无法解释。随着阴极射线、电子、射线、放射性等的发 现,1899--1900 年英人卢瑟福提出原子有核模型, 揭示了原子的复杂结构。1913 年荷兰人范德布洛克指出元素在周期表中排列序数等于该元素原子具有的电子 数。 这一假说开始把元素在周期表中排列序数和原子结构联系起来。这个假定动 摇了门氏和他的同辈以及先辈们的周期律的固有概念。 1913--1914 年间, 英国青年物理学家莫斯莱对 X 射线技术进行了研究,从而 验证了范德布洛克的假说, 揭示了元素周期律的本质: 元素的化学性质是它们原 子序数的周期性函数。 原来在诸原子中有决定意义的东西不是原子量, 而是原子 的核电荷以及核外电子数。1916 年德国化学家柯塞尔就立即把原子序数放进周 期表中, 代替了门氏的原子量。1920 年英人查德维克证实了摩斯莱的工作。这 样, 一系列物理学中的新发现, 使元素周期律获得了新定义: 元素的物理性质和 化学性质, 以及由元素形成的各种化合物的性质, 皆与元素原子核电荷的数量 成周期性关系。 2 .周期律理论的深化与探索 按照核电荷递增顺序排列各元素, 使前面出现的矛盾迎刃而解。 随着现代原 子结构理论的建立, 周期律理论得到发展。1913 年玛丽· 居里提出原子核结构 设想。1913 年卢瑟福和查德维克发现质子。1932 年查德维克发现中子。质子和 中子发现后, 苏联科学家伊万年柯, 德国物理学家海森堡等人立即提出原子核 由质子和中子组成的理论。1913 年英国化学家索迪提出“ 同位素” 概念.1919 年阿斯登用质谱仪精确的确是了原子量.1913 年丹麦物理学家玻尔用他的原子 结构模型成功的解释了氢元素的线光谱。1923--1924 年法国年青物理学家德布 罗依提出“ 物质波”概念, 1926 年德国物理乒家薛定谔提出了解决微观粒子运 动方程, 对核外电子运功状态和能级的计算提供了依据。 遵循周期律, 把众多的元素(106 种)组织在一起所形成的系统, 称做化学 元素周期系。周期系的具体形式是各式各样的周期表。如塔式表、三分族元素周 期表环形、螺旋形、扇形、蜗牛形, 对角形、带形、立体支架形、阶梯形、罗盘 形、园筒式等五花八门, 各具特色。但其中最常用的是短表和长表。近年来, 由 -6-

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于人工合成元素增多, 长表的优越性日益显露出来, 短表已经完成了历史使命, 更多的应用让位于长表。长表的重要特点之一是能够很好的把元素分成元素群, 便于按群体性质来掌握化学元素的总体知识。表中明显的划分出活泼金属、非金 属、过渡元素、低熔合金、镧系、锕系元素区。根据电子构型可分成 S 区、p 区、 d 区、f 区四组。便于人们从结构观点去分析比较。

四、元素周期表简介

门捷列夫(Dmitri Mendeleev)将当时已知的 63 种 元素依原子量大小并以表的形式排列, 把有相似化学性质 的元素放在同一行, 就是元素周期表的雏形。 利用周期表, 门捷列夫成功的预测当时尚未发现的元素的特性(镓、 钪、 锗)。1913 年英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产 生 X 射线,发现原子序越大,X 射线的频率就越高,因 此他认为核的正电荷决定了元素的化学性质, 并把元素依 照核内正电荷(即质子数或原子序)排列.后来又经过多名 科学家多年的修订才形成当代的周期表。 元素周期表中共有 118 种元素。 将元素按照相对原子 质量有小到大依次排列, 并将化学性质相似的元素放在一 个纵列。每一种元素都有一个编号,大小恰好等于该元素原子的核内质子数目, 这个编号称为原子序数。在周期表中,元素是以元素的原子序排列,最小的排行 最先。表中一横行称为一个周期,一列称为一个族. 原子的核外电子排布和性质有明显的规律性, 科学家们是按原子序数递增排 列, 将电子层数相同的元素放在同一行, 将最外层电子数相同的元素放在同一列。 元素周期表有 7 个周期,16 个族。每一个横行叫作一个周期,每一个纵行叫作 一个族。这 7 个周期又可分成短周期(1、2、3) 、长周期(4、5、6)和不完全 周期(7) 。共有 16 个族,又分为 7 个主族(ⅠA-ⅦA) 个副族(ⅠB-ⅦB) ,7 , 一个第Ⅷ族,一个零族。 元素在周期表中的位置不仅反映了元素的原子结构, 也显示了元素性质的递 变规律和元素之间的内在联系。 使其构成了一个完整的体系称为化学发展的重要 里程碑之一。 同一周期内,从左到右,元素核外电子层数相同,最外层电子数依次递增, 原子半径递减(零族元素除外) 。失电子能力逐渐减弱,获电子能力逐渐增强, 金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。元素的最高正氧化数从左到右递增(没有 正价的除外) ,最低负氧化数从左到右递增(第一周期除外,第二周期的 O、F 元素除外) 。 同一族中,由上而下,最外层电子数相同,核外电子层数逐渐增多,原子序 数递增,元素金属性递增,非金属性递减。 元素周期表的意义重大,科学家正是用此来寻找新型元素及化合物。

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五、教科书中的元素周期表

这些图片不过是我们常见的在普通不过的元素周期表了, 它们能够以最简洁 的方式告诉我们所要查找的一部分,具有简便,清楚的特点。

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六、其他形式的元素周期表
1.漫画周期表
看,多生动活 泼的漫画式元素周 期表啊!对理解化 学元素的性质多有 帮助!看那个卤族 上面坐着的两个氢 原子,紧盯着下面 得到一个电子形成 稳定结构的得意的 氟原子,其中一个 向另一个哭诉: “他 偷走了我的唯一一 个电子,现在我只 剩下一个原子核了!”(我猜是这个意思)别的元素的原子之间的对白也十分有 趣。 是呀, 氟是元素周期表主族元素中非金属性最强的了, 与氢化合是最容易的!

2.钟表式周期表

3.柱式周期表

(现在看看越来越不像周期表 了)

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4.层叠式(右下角那个,是坐标吗?)

5.环式

6.螺旋式

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7.透视式

8.三角形式

9.配图式

10.门捷列夫早期的元素周期表
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11.圆柱式

12.建筑群式

13.螺旋时钟式 14.塔式

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15.笔筒式

16.树形

17.六边形式

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第三部分: 小组成员汇报、反思

冯国忠: 在本次研究性学习中,我们组的主题是元素周期表的发展和演变。从
中我们通过到学校、家里、市区图书馆或网上搜索所需资料的方法学 到了一些元素周期表的历史及了解了贝莱那,门捷列夫等发明者对元 素周期表的贡献。学习化学有整整两年了,作为学习化学时刻需要的 工具——元素周期表对我们的学习作用非常的大。 元素周期表是世界化学历史上重要的一部分, 对世界的科技进步 也起到了一定作用。作为中学生的我们,要向那些伟大的科学家们学 习,学习他们的有恒心,有毅力的美好品质。在化学史上,我们应该 以他们为榜样,努力学习科学文化知识,不断充实自己,多观察,多 动手实践,这样我们在学习生活中才能有所成就。 通过这次研学, 我觉得我们调查速度和小组分工合作比上一次默 契了许多,希望下次依旧这么有行动力。

陶俊宏:这次应该是最后一个课题了吧,本来第一次接触研究性课题的时候感
觉还挺新鲜的,后来的几次课题让我觉得这个挺麻烦的,这次的对后 一个课题完成后,感觉又有点不舍。 刚开始的打算是希望通过此活动, 使同学们能够进一步了解元素 周期表的历史和用途,并对同学们日后的化学学习起到帮助,了解元 素周期表的历史、发展过程和它的发现者。在化学学习中能够有一些 帮助。化学我们也学了这么长时间了,元素周期表的重要性大家都知 道,这次跟它有关的课题也比较贴近我们高中生的学习生活。 和以前一样,大家都在领了任务后积极完成中,每个同学都认真 参加组内项目,认真组织并且配合组长工作,所以我们小组的进度算 是比较快的了。在每个研究性课题完成后,我们都能够学到很多有用 的东西,在整理过程中体会到了团结的力量,众人拾柴火焰高,一个 人的力量是很有限的,通过团队合理的分工安排可以减少很多不必要 的时间损失,这对于我们学会合作,运用合作是难能可贵的一个机会。 这次研究性学习不但给我带来了美好的回忆,并且收获中我还学 会了一些做人,做事的基本道理。对于我们来说,还有很多的不足之 - 14 -

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处,但是我们还有机会再慢慢改进,重要的是我们已经认识到了。在 以后的学习和生活中,我还要加强提高自己的综合素质,得到精神的 成长。

陈赐 : 我去们这次的研学是‘关于元素周期表的形成过程’为主要线索展开
调查的。也许大多数同学都知道元素周期表,但对它是如何产生的一 无所知。所以为了满足大家的需要,增加我们的课外知识,我们这阻 绝为大家服务,让同学对元素周期表的形成过程有更深刻的认识。 通查资料搜集信息,我们发现门捷列夫发现并完成元素周期表的 制作并不是一帆风顺的。在这期间他进行大量的猜测,重新测定一些 认为不对的元素的原子量,收到当时人的争论,但他坚信实验是检验 真理的唯一标准。他的坚持不懈大胆猜疑科学的实践证明他发现的元 素周期律是自然界的一条客观规律。它作为描述元素及其性质基本理 论有力的促进了现代化学和物理化学的发展。 现代的我们也要有这种敢于创新、大胆实践的能力,要敢于挑战 真理,我们每个人都有可能成为下一个‘门捷列夫’ 。

李宜瑾:关于这次研学,我有了不一样的体会,关于这次的主题,是关于元素
周期表,是一次将学习与实践结合在一起的研学主题。 首先, 研学的主题给人一种耳目一新的感觉,会让人提起兴趣来做, 这就增加了研学的成功率,但是同时还有一点就是,让人觉得有压力, 不自觉的想要放弃这次的研学,这一点不太好…… 其次,就内容来说,道出了元素周期表和周期律的重要性,让人体 会到化学的奇妙,使人对化学产生兴趣,也让人对元素周期表和周期律 的发展历史更加的了解,同时还能了解到很多化学家的故事,对学生的 素质教育提供了很好的素材,励志了学生,为学生更加努力的学习提供 了动力,这一点很好! 还有对人员分工及时间分布安排,时间有点仓促,令人对研学主题 不能很深入的了解以及对研学的调查方面不能很好的切入到调查对象中 去,这一点做得不是很好!希望下一次可以更好地完善! 最后,我希望这次研学带给我们的不只是研学而已,更希望它带给 我们的还有启发!还希望以后我们的希望不下仅仅只是希望而已,希望 可以变成现实让我们去幸福!!!

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第四部分:分析总结

在本次研究性学习中, 我们的课题为: 元素周期表的发展和演变。 这所以选择这个题目, 是我们在讨论后选择出的。 在本次研究性学习 中, 我们的课题为: 元素周期表的发展和演变。 这所以选择这个题目, 是我们在讨论后选择出的。在学习化学两年后,我们发现,元素周期 表对化学的学习用途很大,并且在懂得元素周期表的一些现象规律 后,可以简单的解决很多的问题。为此,我们将此次研学题目定为: 元素周期表的发展和演变。在学习化学两年后,我们发现,元素周期 表对化学的学习用途很大,并且在懂得元素周期表的一些现象规律 后,可以简单的解决很多的问题。为此,我们将此次研学题目定为: 元素周期表的发展和演变。 元素周期表的历史可谓是: “新生命的生命” 。是在 1869 年门捷 列夫通过一些方格卡片排列组成的。 他将元素按照相对原子质量由小 到大依次排列,并将化学性质相似的元素放在一个纵行,通过分类、 归纳, 制出了第一张元素周期表。 这张表揭示了化学元素之间的内在 联系, 使其构成了一个完整的体系, 成为化学发展史上的重要里程碑 之一,从这里看来,元素周期表在化学领域里是非常重要的。 本小组同学在几次探究中发现,元素周期表的发现、使用和学习
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是科学发展的必然结果, 在距离今天约三个世纪前, 人类进入了第一 次世界工业革命,在接下来的几百年间,化学和其它学科一样,有了 飞跃的发展, 各种元素在此期间陆续被人类发现。 而在元素周期表发 现前期,是将已发现的元素依依“填入”表中。而在后期,便是“按 图索骥”将元素周期表中“空”着的元素依依找到或是“造”出,这 便是元告素周期表的魅力。在如今的 21 世纪,元素周期表在人类的 指引下正努力向第八、 第九周期迈入, 并且还出现了从前未听说过的 可以向反方向、负方向发现元素,这是因为出现了负质子,正电子, 所有这些全都是随着科学技术的发展才一步一步发展过来的。 本次研究性学习,我们小组成员相互配合,相互帮助,终于圆满 完成了此次研究性学习,在学习过程中,我们收获很大,懂得了很多 “化学课里的历史课” ,这在化学课里是学不到了,相信在以后的学 习生活中, 一定会给我们带来帮助的, 从这个方面看我们进行此次研 究性学习还是值得的。

第五部分:参考文献

一、网络查找
1、百度搜索:http://www.baidu.com

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