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1、第七节 无机化学的系统化,本节内容,一、化学元素大发现 二、元素周期律发现前的准备工作 三、元素周期律的发现 四、化学元素周期律的证实及其意义,一、化学新元素的大发现,元素周期律发现之前（1869年），化学家共发现了63种元素，被誉为是分析方法进步的胜利。具有几个阶段特征： 一、感性直观方法阶段到炼金术时期止 从人类懂得用火开始到炼金术结束。 表现：用火冶炼、用碳还原，对元素的认识停留在感性、直观、定性阶段，停留在对元素表面的宏观性质的粗浅认识上。,成果：发现元素主要有：金、银、铜、锡、铅、铁、 汞、 锌、碳、 硫、砷、磷等等。在炼金术时期共发现四种元素：砷、锑、铋和磷。,二、古典化学分析方法
2、阶段,古典分析化学是由波义尔、普利斯特里、舍勒、拉瓦锡以及后来的贝采里乌斯等逐步创立，从17世纪下半叶到19世纪初，约100多年。 特点是需要分析仪器和化学试剂，天平的使用使分析工作由定向走向定量。 成就：共发现14种元素：氢（H）、氮（N）、氧（ O）、钴（Co）锰（Mn）、氯（Cl）、镍（Ni）、铬（Cr）、钨（W）、铂（Pt）、碲（Te）铍（Be）、锆（Zr）、钼（Mo）。,三、电解法阶段 1782-1800年的18年间，元素发现经历了一个历史低谷。直到1799年伏打制成直流电源及1807年戴维利用250对锌片和铜片制成电堆成公敌电解苛性碱得到钠和钾，开创了新元素发现的高潮，44年间发现
3、了31种新元素。,四、光谱分析法光谱仪的发明和使用阶段 1844年钌被发现之后，一直到1859年，15年间一种新元素也没有发现，又出现了元素发现的空白时期，表明只用传统的化学分析方法和电化学方法也显得不够，需要改进方法，革新工具。 1860年德国化学家本生和基尔霍夫制成了第一台光谱分析仪，开创了光谱分析新时代。 意义：应用光谱分析，首先发现了铯和铷。利用光谱分析不仅发现了一大批新元素，还对以往发现的元素进行了系统验证。,19世纪70年代前发现的新元素剪影,1、铝（Al）和钒（V）的发现 铝是德国化学家弗里德里希维勒 (FriedrichWhler18001882)发现的。著名化学家贝采里乌斯(
4、JonsJ.Berzelius)的学生。,1827年维勒用金属钾还原熔融的无水氯化铝得到较纯的金属铝单质。 维勒还用同样的方法发现了铍(1828年)、钇，并且命名了铍。 这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。泰国当时的国王曾用过铝制的表链；1855年巴黎国际博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：“来自粘土的白银”，并将它放在最珍贵的珠宝旁边。1889年，俄国沙皇赐给门捷列夫铝制奖杯，以表彰其编制化学元素周期表的贡献。1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。,
5、钒的发现,翻开元素周期表，我们发现，第23号元素是有色金属钒。钒的发现者，是瑞典化学家塞夫斯德朗。,塞夫斯德朗出生于1786年，长大后，他选择了化学研究这条道路。幸运的是，他成为当时欧洲化学界权威、瑞典著名的化学家柏济力阿斯的学生。不过，在发现钒之前，在国际化学界他还是个名不见经传的人物。 1830年，塞夫斯德朗正在研究一种铁矿，这种铁矿产于瑞典的斯马兰德。在研究中，他发现矿石中含有一些金属化合物，而且这些金属化合物表现为多种颜色，其中以红色最为显著。,经过贝采里乌斯的确证，这黑色的金属粉末确实是一种新的元素。该给它取个什么名字呢?塞夫斯德朗采用希腊神话中女神“凡娜迪丝”的名字来给这种金属元素
6、命名钒。 塞夫斯德朗公布了发现钒的消息之后，世界化学界都为之鼓舞化学元素大家庭中又添了一位新成员了。 没想到，不久之后，柏济力阿斯收到他的另一位学生、德国化学家维勒寄来的一封信和一块矿石。原来，维勒在1828年分析这种产自墨西哥的矿石时，已经开始怀疑它含有某种新的元素，但他忙于手头上的其他科研工作，没有再深入研究下去。现在，他从报上得知新发现的元素钒之后，觉得这块矿石中很可能就含有钒。,看完来信后，柏济力阿斯经过分析，证明维勒寄来的这块矿石中的确含有钒可惜维勒当年与它失之交臂!于是，柏济力阿斯提笔给维勒写了一封耐人寻味的信，信中说道： “在遥远的地方，有一位美丽的女神，叫凡娜迪丝。有一天，女神
7、正在房里休息，她听见了敲门声。她心想：会是谁呢?女神没有马上起身开门。结果那敲门的人悄然离开了。女神很奇怪：是谁这么没有耐心?她跑到窗前一看，哦，原来是维勒。 “过了一阵，又有人来敲门了。这次，敲门声持续了很久，终于把女神感动了，于是她开门迎纳了这位耐心的敲门人。他就是塞夫斯德朗。”,2、伏打电池的诞生,伏打(AlessandroVlota 17451827年) 意大利物理学家。巴黎科学院国外院士。1745年2月18日生于科摩，1827年3月5日卒于同地。成年后出于好奇，才去研究自然现象。1774年伏打担任科摩大学预科物理教授。同年发明了起电盘，这是靠静电感应原理提供电的装置。伏打还研究了化学
8、，进行各种气体的爆作试验。17741779年任科莫大学预科物理学教授，1779年他担任巴佛大学物理教授。17791815年任帕维亚大学实验物理学教授，1815年任帕多瓦大学哲学系主任。,1782年他成为法国科学学会的成员。1791年英国皇家学会聘请他为国外会员，3年后又因创立伽伐尼电的接触学说被授予科普利奖章。1801年拿破仑一世召他到巴黎表演电堆实验并授予他金质奖章和伯爵称号。 伏打发明电堆时已经50多岁了，他绝没有想到持续电流对以后的影响会有那么大，他也没有再作进一步的研究，一直在巴佛大学任教。1819年伏打退休回到故乡，于1827年3月5日逝世。,伏打电池的发明，使得科学家可以用比较大的
9、持续电流来进行各种电学研究，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。,3、戴维用电解法发现6个金属元素,戴维研究电的化学作用问题。关于这个问题，戴维在克利夫顿有一定成果，他通过继续研究写出了关于电的某些化学作用一书。当他以这份材料在皇家学会作了报告以后，闻所未闻的消息传出来了电在化学中会发生作用！戴维是位伟大的发明家。于是戴维以自己的成就赢得了更高的声望。,随之戴维又在实验中发现了两种新的金属。他发现新的金属钾和钠非常活泼，反应能力极强。在多次反复的各种方式的实验中，戴维不幸受伤，
10、脸上的伤口结疤后，一只受伤的眼睛却失明了。损失是惨重的，但已经证实，从苏打和碳酸钾中可以提取两种不同的金属钾和钠。这两种金属都是柔软的，比水轻，能同水发生激烈的反映，产生火焰。,举世闻名的伟大化学家汉弗里戴维（HDavy，17781829）发现了迈克尔法拉第（MFaraday，17911867）的才能，并将这位铁匠之子、小书店的装订工招收到大研究机关皇家学院做他的助手。戴维具有伯乐的慧眼，这已被人们作为科学史上的光辉范例，争相传颂。戴维自己也为发现了法拉第这位科学巨擘而自豪。他临终前在医院养病期间，一位朋友去看他，问他一生中最伟大的发现是什么，他绝口未提自己发现的众多化学元素中的任何一个，却说
11、：“我最大的发现是一个人法拉第！”,4、卤素元素的发现,（1）碘的发现 1811年，法国的库特尔，用硫酸处理海草灰母液时，发现了碘的存在。 18世纪末和19世纪初，法国皇帝拿破仑发动战争，需要大量硝酸钾制造火药。当时法国第戎(Dijon)的制造硝石商人、药剂师库尔图瓦利用海草或海藻灰的溶液把天然的硝酸钠或其他硝酸盐转变成硝酸钾的方法生产着硝酸钾。1811年，他发觉到盛装海草灰溶液的铜制容器很快就遭腐蚀。他认为是海草灰溶液含有一种不明物质在与铜作用，于是他进行了研究。 他将硫酸倒进海草灰溶液中，发现放出一股美丽的紫色气体。这种气体在冷凝后不形成液体，却变成暗黑色带有金属光泽的结晶体。这，就是碘。
12、,（2）溴的发现,1826年8月14日法国科学院审查了巴拉尔的新发现，对巴拉尔的发现给予很高的评价，并将这种元素命名为Bromine（中文译名为溴），含义是恶臭。,（3）氟的发现,在化学元素史上，参加人数最多、危险最大、工作最难的研究课题，莫过于氟元素的发现。自1768年德国化学家马格拉夫（Marggraf,A.S.1709-1782）发现氢氟酸以后，到1886年法国化学家莫瓦桑（Moissan,H.18521907）制得单质的氟，历时118年之久。在这当中不少化学家损害了健康，甚至献出了生命，可以说是一段极其悲壮的化学元素史。,弗雷米教授是当时研究氟化物的化学家，莫瓦桑在他的门下不仅学到了化
13、学物质一般的变化规律，而且还学到了有关氟的化学知识和研究过程 后来，莫瓦桑完成了这项伟大的事业。,6、用分光镜发现新元素,（1）早期的焰色反应 焰色反应是一种非常古老的定性分析法，早在中国南北朝时期，著名的炼丹家和医药大师陶弘景(456 563) 在他的本草经集注中就有这样的记载“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石(硝酸钾)也”。由于当时及以后的许多年里，生产力水平不高，这种方法一直没有得到广泛的应用及发展。,18 世纪，德国人马格拉夫(17091782) 是这一时期的著名的定性分析化学家。他的一项重要的研究成果是观察到了植物碱(草木灰，即碳酸钾) 与矿物碱(苏打，即碳酸钠) 的区别。1762 年
14、他系统地对比了这2 种碱转化生成的各种钾盐与钠盐的晶形、潮解性和溶解度，并发现钠盐和钾盐可以分别使火焰着上各自特征的焰色。从此以后利用焰色反应鉴别钾、钠盐就成为常用手段了。,19 世纪中叶， 德国著名化学家本生( 1811 1899) 设计制造了本生灯，它使煤气燃烧时产生几乎无色的火焰，温度高达两千多度。本生利用这种灯研究各种盐类在火焰中呈现不同焰色的现象，根据火焰中的彩色信号来检测各种元素。后来，本生在好友物理学家基尔霍夫的建议下，通过观察光谱实现了对元素的定性检验，开创了分析化学的一个重要分支：光谱分析。,（2）光谱学的创立,光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同
15、物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。 光谱学的研究已有一百多年的历史了。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。,其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在18141815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。,实用光谱学是由基尔霍夫
16、与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。 从19世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。,氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。此后的20年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885年，从事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子诺线的位置，此后便把这一组线称为巴耳末系。继巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光谱学家里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。,1852年到1862年约10年间入本生与罗斯合作研究光化学。他采用等体积的氢和氯在光炽下进行反应。经研究发现，光照射化学物质使之产
