Студенческое исследование "Галлий - один из предсказанных элементов"

Министерство образования Саратовской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Саратовской      области «Энгельсский политехникум»

Тема работы: История открытия галлия – одно из доказательств триумфа  Периодического закона

Выполнил: студент 1 курса

Бондарев Илья

Руководитель: преподаватель химии

Бардонова Инна Юрьевна

2019 год

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 3

1.   Открытие периодического закона. 4

2.   Значение Периодического закона. 5

3.   Галлий: история открытия элемента. 6

Как был открыт галлий. 6

Нахождение в природе. 7

Добыча галлия. 8

Получение галлия. 8

Применение. 9

Заключение. 10

Список информационных источников. 12

ВВЕДЕНИЕ

Ровно 150 лет назад было совершено величайшее открытие – Д.И.Менделеев сформулировал периодический закон химических элементов. Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований [1].

Д.И. Менделеев был не только убеждён, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят пустые клетки периодической таблицы, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы. В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились; все три ожидаемых элемента были открыты (Ga, Sc, Ge), что было величайшим триумфом периодического закона.

Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран вошел в историю как открыватель трех новых элементов, в числе которых был галлий (1875 год).

Целью моей работы является: изучение истории открытия  периодического закона химических элементов с последующим выявлением его роли в развитии химии и других естественных наук, сделав особенный акцент на истории открытия галлия, а также его свойствах, нахождении в природе, способе добыче и применении.

Задачи:

1.       Используя информационные источники, подробно изучить историю открытия Л.И.Менделеевым периодического закона.

2.       Сделать вывод о масштабах значения открытия периодического закона.

3.       В качестве одного из доказательств масштабности величайшего открытия привести пример открытия галлия, как одного из предсказанных Д.И.Менделеева химических элементов.

В работе использовались различные источники информации, как на бумажном носителе, так и электронные.

1.     Открытие периодического закона

Периодический закон был открыт Д. И. Менделеевым в ходе работы над текстом учебника «Основы химии», когда он столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 г., обдумывая структуру учебника, учёный постепенно пришёл к выводу, что свойства простых веществ и атомные массы элементов связывает некая закономерность.

Открытие периодической таблицы элементов было совершено не случайно, это был результат огромного труда, длительной и кропотливой работы, которая была затрачена и самим Дмитрием Ивановичем, и множеством химиков из числа его предшественников и современников. «Когда я стал окончательно оформлять мою классификацию элементов, я написал на отдельных карточках каждый элемент и его соединения, и затем, расположив их в порядке групп и рядов, получил первую наглядную таблицу периодического закона. Но это был лишь заключительный аккорд, итог всего предыдущего труда…» — говорил учёный. Менделеев подчёркивал, что его открытие было итогом, завершившим собой двадцатилетнее размышление о связях между элементами, обдумывание со всех сторон взаимоотношений элементов[2].

17 февраля (1 марта) рукопись статьи, содержащая таблицу под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», была закончена и сдана в печать с пометками для наборщиков и с датой «17 февраля 1869 г.». Сообщение об открытии Менделеева было сделано редактором «Русского химического общества» профессором Н. А. Меншуткиным на заседании общества 22 февраля (6 марта) 1869 г. Сам Менделеев на заседании не присутствовал, так как в это время по заданию Вольного экономического общества обследовал сыроварни Тверской и Новгородской губерний.

В первом варианте системы элементы были расставлены учёным по девятнадцати горизонтальным рядам и по шести вертикальным столбцам. 17 февраля (1 марта) открытие периодического закона отнюдь не завершилось, а только началось. Его разработку и углубление Дмитрий Иванович продолжал еще в течение почти трёх лет. В 1870 г. Менделеев в «Основах химии» опубликовал второй вариант системы («Естественную систему элементов»): горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две — атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеев исправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 г. на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована[3].

Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований. В то время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Менделеев был не только убеждён, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы. В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились; все три ожидаемых элемента были открыты (Ga, Sc, Ge), что было величайшим триумфом периодического закона.

2.     Значение Периодического закона

   Периодический закон сыграл огромную роль в развитии химии и других естественных наук. Была открыта взаимная связь между всеми элементами, их физическими и химическими свойствами. Это поставило перед естествознанием научно-философскую проблемы огромной важности: эта взаимная связь должно получить объяснение. После открытия Периодического закона стало ясно, что атомы всех элементов должны быть построены по единому принципу, а их строение должно отображать периодичность свойств элементов. Таким образом, периодический закон стал важным звеном в эволюции атомно-молекулярного учения, оказав значительное влияние на разработку теории строения атома. Он также способствовал формулировке современного понятия "химический элемент" и уточнению представлений о простых и сложных веществах.

Используя Периодический закон, Д. И. Менделеев стал первым исследователем, сумевшим решить проблемы прогнозирования в химии. Это проявилось уже через несколько лет после создания Периодической системы элементов, когда были открыты предсказанные Менделеевым новые химические элементы. Периодический закон помог также уточнить многие особенности химического поведения уже открытых элементов. Успехи атомной физики, включая ядерную энергетику и синтез искусственных элементов, стали возможными лишь благодаря Периодическому закону. В свою очередь, они расширили и углубили сущность закона Менделеева, расширили пределы Периодической системы элементов[4].

3.     Галлий: история открытия элемента

Об элементе с атомным номером 31 большинство  помнят только, что это один из трех элементов, предсказанных и наиболее подробно описанных Д.И. Менделеевым, и что галлий — весьма легкоплавкий металл: чтобы превратить его в жидкость, достаточно тепла ладони.

Впрочем, галлий — не самый легкоплавкий из металлов (даже если не считать ртуть). Его температура плавления 29,75° С, а цезий плавится при 28,5° С; только цезий, как и всякий щелочной металл, в руки не возьмешь, поэтому на ладони, естественно, галлий расплавить легче, чем цезий.

Свой рассказ об элементе № 31 я умышленно начал с упоминания о том, что известно почти всем. Потому что это «известное» требует пояснений. Все знают, что галлий предсказан Менделеевым, а открыт Лекоком де Буабодраном, но далеко не всем известно, как произошло открытие. Почти все знают, что галлий легкоплавок, но почти никто не может ответить на вопрос, почему он легкоплавок[5].

Как был открыт галлий

Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран вошел в историю как открыватель трех новых элементов: галлия (1875), самария (1879) и диспрозия (1886). Первое из этих открытий принесло ему славу.

В то время за пределами Франции он был мало известен. Ему было 38 лет, занимался он преимущественно спектроскопическими исследованиями. Спектроскопистом Лекок де Буабодран был хорошим, и это в конечном счете привело к успеху: все три свои элемента он открыл методом спектрального анализа.

  В спектре была обнаружена новая фиолетовая линия, длина волны которой составила 4170А. Новая линия свидетельствовала о присутствии в минерале неизвестного элемента, и, вполне естественно, Лекок де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы этот элемент выделить. Сделать это оказалось непросто: содержание нового элемента в руде было меньше 0,1%, и во многом он был подобен цинку. После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в очень небольшом количестве. Настолько небольшом (меньше 0,1 г), что изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодран смог далеко не полно.

Сообщение об открытии галлия — так в честь Франции (Галлия — ее латинское название) был назван новый элемент — появилось в докладах Парижской академии наук.

Это сообщение прочел Д. И. Менделеев и узнал в галлии предсказанный им пятью годами раньше экаалюминий. Менделеев тут же написал в Париж. «Способ открытия и выделения, а также немногие описанные свойства заставляют предполагать, что новый металл не что иное, как экаалюминий»,—говорилось в его письме. Затем он повторял предсказанные для этого элемента свойства. Более того, никогда не держа в руках крупинки галлия, не видя его в глаза, русский химик утверждал, что первооткрыватель элемента ошибся, что плотность нового металла не может быть равна 4,7, как писал Лекок де Буабодран, она должна быть больше, примерно 5,9—6,0 г/см³.

Как это ни странно, но о существовании периодического закона первый из его утвердителей, «укрепителей», узнал лишь из этого письма. Он еще раз выделил и тщательно очистил крупицы галлия, чтобы проверить результаты первых опытов. Некоторые историки науки считают, что делалось это с целью посрамить самоуверенного русского «предсказателя». Но опыт показал обратное: ошибся первооткрыватель. Позже он писал: «Не нужно, я думаю, указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева».

Почти точно совпали с данными опыта и другие предсказанные Менделеевым свойства элемента № 31. «Предсказания Менделеева оправдались с незначительными отклонениями: экаалюминий превратился в галлий». Так характеризует это событие Энгельс в «Диалектике природы».

Нужно ли говорить, что открытие первого из предсказанных Менделеевым элементов значительно укрепило позиции периодического закона[6].

         Нахождение в природе

Среднее содержание галлия в земной коре относительно высокое, 1,5-10 -30 % по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Галлий — типичный рассеянный элемент. Единственный минерал галлия — галлитCuGaS2очень редок. Геохимия галлия тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть галлия в литосфере заключена в минералах алюминия. Содержание галлия в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации галлия наблюдаются также в сфалеритах (0,01—0,02%), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах.

Добыча галлия

Единственным производителем металлического галлия в Казахстане является АО "Алюминий Казахстана". Предприятие имеет мощность по его выпуску 25 т в год и является по этому показателю лидером в СНГ. Согласно отчету АО "Алюминий Казахстана", в структуре производства (2003 г.) доля галлия составила 1,2% (369 млн. тенге), в 2001 г. - 3,2% (922 млн. тенге). По данным предприятия, выпуск галлия в 2004 и 2005 гг. составил соответственно 8,2 и 6,2 т. Предприятие выпускает чистый галлий (99,9999% - 6N), весь объем производства поставляется на экспорт (в основном в Японию).

09.03.04 - Единственный производитель глинозема в Центральной Азии - ОАО Алюминий Казахстана - прекратил производство первичного металлического галлия из-за резкого снижения цен на мировом рынке, сообщила пресс-служба Евразийской промышленной ассоциации.

Получение галлия

Основной источник получения галлия — алюминиевое производство. Галлий при переработке бокситов по способу Байера концентрируется в оборотных маточных растворах после выделения Аl(ОН)з. Из таких растворов выделяют электролизом на ртутном катоде. Из щелочного раствора, полученного после обработки амальгамы водой, осаждают Ga(OH)3, которую растворяют в щёлочи и выделяют галлий электролизом.

При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды галлия концентрируется в последних фракциях осадков, выделяемых в процессе карбонизации. Для дополнительного обогащения осадок гидроокисей обрабатывают известковым молоком. При этом большая часть Al остаётся в осадке, а галлий переходит в раствор, из которого пропусканием CO2 выделяют галлиевый концентрат (6—8% Ga2O3); последний растворяют в щёлочи и выделяют галлий электролитически.

Источником галлия может служить также остаточный анодный сплав процесса рафинирования Al по методу трёхслойного электролиза. В производстве цинка источниками галлия являются возгоны (вельц-окислы), образующиеся при переработке хвостов выщелачивания цинковых огарков.

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий галлий, промытый водой и кислотами (HCl, HNOз), содержит 99,9—99,95% Ga. Более чистый металл получают плавкой в вакууме, зонной плавкой или вытягиванием монокристалла из расплава[7].

         Применение

Широкого промышленного применения галлий пока не имеет. Потенциально возможные масштабы попутного получения галлия в производстве алюминия до сих пор значительно превосходят спрос на металл. Наиболее перспективно применение галлия в виде химических соединений обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и др. приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приёмниках инфракрасного излучения. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью. Сплав алюминия с галлием предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине. Жидкий галлий и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600—1300° С) и манометров. Представляет интерес применение галлия и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах[7].

Заключение

                В данной работе представляется история открытия Периодического закона     Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Внимание уделяется тому, что открытие было не случайным, а результатом огромного труда, длительной и кропотливой работы, которая была затрачена и самим Дмитрием Ивановичем, и его современниками. За основу классификации были взяты: атомная масса и химические свойства элементов. Ученому удалось разместить все известные элементы в своей системе, вопреки принятым в то время представлениям об их сходствах с другими. А также Д.И.Менделеев оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместить пока не открытые элементы.

                Периодический закон имел огромное значение для науки. Была открыта взаимная связь между всеми элементами, их физическими и химическими свойствами. Это поставило перед естествознанием научно-философскую проблему огромной важности: эта взаимная связь должна была получить объяснение. После открытия Периодического закона стало ясно, что атомы всех элементов должны быть построены по единому принципу, а их строение должно отображать периодичность свойств элементов. Таким образом, периодический закон стал важным звеном в эволюции атомно-молекулярного учения, оказав значительное влияние на разработку теории строения атома. Периодический закон также способствовал формулировке современного понятия "химический элемент" и уточнению представлений о простых и сложных веществах.

                Одним из первых предсказанных Менделеевым элементов был Галлий. Он был получен из цинковой обманки методом спектрального анализа французским ученым Л. Де Буабодраном в 1875 году.

Сообщение об открытии галлия — так в честь Франции (Галлия — ее латинское название) был назван новый элемент — появилось в докладах Парижской академии наук вместе с описанием его свойств. Русский химик утверждал, что первооткрыватель элемента ошибся, что плотность нового металла не может быть равна 4,7, как писал Лекок де Буабодран, она должна быть больше, примерно 5,9—6,0 г/см³. Почти точно совпали с данными опыта и другие предсказанные Менделеевым свойства элемента № 31. «Предсказания Менделеева оправдались с незначительными отклонениями: экаалюминий превратился в галлий».

Это событие Энгельс так характеризует в «Диалектике природы»:

«Нужно ли говорить, что открытие первого из предсказанных Менделеевым элементов значительно укрепило позиции периодического закона».

Список информационных источников

1.Ахметов Н. С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. — М.:

Просвещение, 2000г..

2.Корольков Д. В. Основы неорганической химии. — М.:Просвещение,2001г.

3.Менделеев Д. И. Основы химии, т. 2. М.: Госхимиздат, 1977.

4.Менделеев Д.И. Периодическая законность химических элементов

5.Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: 1890—1907. : СПб. 2002г

6.Имянитов Н. С. Новая основа для описания периодичности. Журн. общей химии 1993г

7. ChemNet Россия [Электронный ресурс] Учеб. пособ. – Химический факультет МТУ, 2018. - Режим доступа: http://www.chem.msu.su/rus/history/element/Ga.html

Краткое описание документа:

Целью работы является: изучение истории открытия периодического закона химических элементов с последующим выявлением его роли в развитии химии и других естественных наук, сделав особенный акцент на истории открытия галлия, а также его свойствах, нахождении в природе, способе добыче и применении.

Одним из первых предсказанных Менделеевым элементов был Галлий. Он был получен из цинковой обманки методом спектрального анализа французским ученым Л. Де Буабодраном в 1875 году.

Его открытие стало триумфальным доказательством монументальности периодического закона.