Оқулық Алматы, 2003 ббк 28. 073 ф 16 ф 16 Фазылов С. Д., Молдахметов З. М., Ғазалиев А. М

Химияның негізгі мәселесін шешудің негізінен төрт тәсілінің болуы химия жүйесін төрт жүйешеге бөлуде өз көрінісін тапты.

Химия жүйесі туралы түсініктердің маңыздылығын осы Жүйені құруды бастаған ғалым Д. И. Менделеев бәрінен де дәлірек сипаттап берді: "... ғылыми деректер жүйелі түрде талдап қорытуларды қажет

135

6.4. Заттың құрамы туралы ілім.

Химиялық білімдерді "өндірудің" төрт кезеңінің әрқайсысында шешуін табуды талап еткен өз міндеттері туындап отырды. Оларды шешудің әдістері мен тәсілдері үнемі жатық және нақты дұрыс болмады. Ғалымдардың зерттеу жолдары жиі шиеленісті және адасып кетуге болатындай күрделі шытырман тәріздес болды. Химиктер кейін жалғандығы өшкереленген қаншама гипотезалар үсынды! Табиғат өз құпияларын ашуға асықпады, оны танып-білудің әрбір тарихи кезеңінде зерттеушілерді тұйыққа тіреп отырды.

Ғалымдардың алдында ең бірінші кезенде - заттың құрамын зерттеу кезеңінде тұрған негізгі мәселелерді қарастырайық:

1. Химиялық элемент мәселесі.

2. Химиялық қосыңды мәселесі.

3. Құрамына жаңадан ашылған химиялық элементтер кіретін жаңа материалдар жасау проблемасы.

Бұл мәселені шешудің тарихи тамырлары өте көне замандарға кетеді. Ежелгі Грецияда әлемнің құрылы-

136

сы туралы алғашқы атомистикалық теориялар пайда болады. Оларға қарама-қайшы - элементтер туралы, қасиеттер мен элементтер, сапалар жөнінде түсініктер шығады, бұларды кейін алхимиктердің жалған "ілімдері" қағып алады. Біздің білетініміздей, тек Р. Бойль ғана химиялық элементтің "қарапайым" дене немесе заттың химиялық ыдырауының шегі ретінде қазіргі заманғы түсініктің негізін салды. Барлық ал-химиялық адасулар аяқталып, енді химия нағыз ғылымға айналған сияқты еді, бірақ, өкінішке орай, химиктердің қуанышы ерте болды. Олардың қателіктері әлі алда болатын.

Флогистон теориясы (өз мәнінде жалған) алғашқы химиялық теориялардың бірі болды және көптеген зерттеулердің басталуына түрткі болды. 1680-1760 жылдары затты анализдеудің дәл сандық әдістері пайда болды, ал олар өз кезегінде нағыз химиялық элементтердің ашылуына септігін тигізді. Осы кезде фосфор, кобальт, никель, сутегі, фтор, азот, хлор мен марганец ашылды.

1772-1776 жылдары Швецияда, Англия мен Францияда бір мезгідде оттегі ашылды! Францияда оны алғаш ашқан тамаша химик А. Л. Лавуазье (1743-1794) еді. Ол оттегінің қышқылдар, оксидтер мен судың пайда болуындағы ролін анықтап, флогистон теориясын теріске шығарды және химияның принципті жаңа теориясын жасады. Бұл химиядағы нағыз төңкеріс еді. Ол химиялық элементтерді жүйеге келтірудің алғашқы әрекетін жасады, мұны кейін, өздеріңіз білесіздер, Д. И. Менделеев іске асырды. Біз

кванттық физика саласындағы табыстардың кейін барлық

137

белгілі химиялық элементтердің атомының күрделі құрылымын анықтауға көмектескенін білеміз, бүл туралы қазіргі заманғы кез келген химия оқулығында толық айтылған: атом дегеніміз оң зарядталған ядро мен теріс зарядталған электрондық қабықтан тұра-тын бірыңғай кванттық-механикалық жүйе болып табылады. Ал химиялық элемент атауының "астында" бірдей зарядтары бар барлық атомдар "жасырынған" (бірақ кейде атомдық салмағымен ерекшеленетін баршаға мәлім изотоптар да бар). Баржоғы екі ғасыр бұрын бұл мәселені түсіну үшін ең жұмбақ және күрделі мәселе болғанын көзімізге елестету қиын! Бірақ бұл мәселе қазіргі кезде әбден тәмамдалды деп есептеу дұрыс болмас еді. Осы уақытқа дейін түпкілікті шешілмеген мәселе: дүниеде барлыгы қанша химиялық элемент бар? Ең ақырғы, біздің кезімізде ашылған! 109-шы элемент — мейтнерий бізге белгілі, ол секундтың мыңнан бір сәтіндей ғана "өмір сүреді". Мұндай тұрақсыз элементті зерттеудің ғалымдарға қаншалықты қиын екенін түсінуге болады! Ал қаншама элементтер өзінің ашылуын күтіп тұр!

Лавуазьенің химиялық элементтер туралы мәселесін шешуге қосқан үлесі әлемге белгілі, бірақ басқа бір тамаша француз химигі Ж. Прусстың да еңбектерін де еске алайық. Ол 1801-1808 жылдары құрамның тұрақтылығы туралы заңды анықтады, бүл заң бойынша кез келген жеке химиялық қосынды бір-бірімен тартылыста тұрған нақты өзгермейтін құрамдас бөлшектерден тұрады және осы айырмашылығымен ол қоспалардан ерекшеленеді.

ПРУСТТЫҢ ҚҰРАМ ТҰРАҚТЫЛЫҒЫ ЗАҢЫ (1801-1808 жж.). Кез келген таза заттың оның шыққан тегі мен алу тәсіліне қарамастан тек бір ғана қүрамы бар.

138

Пруст Заңының теориялық негіздемесін заттардың құрамы туралы ілімдегі басқа негіз қалаушы заңның - еселі қатынастар заңының авторы ағылшын Дж. Дальтон жасады. Ол барлық заттардың молекулалардан, ал барлық молекулалардың өз кезегінде, атом-дардын тұратынын және кез келген заттың құрамын АВ, АВ₂, А₂В₃ және т.с.с. қарапайым формула түрінде бейнелеуге болатынын көрсетті; мұндағы А және В белгілері молекуланы құрайтын екі атомның атауларын білдіреді. Эквиваленттердің бұл заңына сәйкес "молекуланың құрамдас бөліктері" — А және В атомдары басқа — С және Д атомдарына айырбастала алады, мысалы, реакцияларға сәйкес:

Сонымен, еселі қатынастар заңының дәл тұжырымын берейік.

ДАЛЬТОННЫҢ ЕСЕЛІ ҚАТЫНАСТАР ЗАҢЫ (1803 ж.): Егер бір элементтің белгілі бір мөлшері басқа бірнеше салмақтық қатынастағы элементпен қосылысқа түссе, онда екінші элементтің мөлшерлері өзара бүтін сандар қатынасында болады.

Химиялық қосындының құрамы тек қана тұрақты болуы мүмкін. Кейін Н. Я. Берцелуистың, Д. Л. Гей-Люссактың, Ю. Либихтың және басқа ғалымдардың еңбектерінің нәтижесінде заттың қүрамының тұрақтылық заңы түпкілікті бекітілді және химияның негізге алынатын заңдарының бірі болды.

Заттың құрылысының молекулярлық теориясы газдық фазада болатын процестерге жаңаша қарауға мүмкіндік беріп, физика мен химияның торабында тұрған жаңа ғылымның - молекулярлық физиканың

139

бастауын жасады. Нағыз көңіл аударарлық оқиға 1811 жылы Авогадро заңының ашылуы болды. Итальяндық ғалым Амадео Авогадро (1776-1856) бірдей физикалық жағдайларда (қысымда және температурада) әр түрлі газдардың бірдей көлемдерінде молекулалардың бірдей саны болатындығын анықтады. Басқа сөзбен айтқанда, бұл кез келген газдың грамм-молекуласы бірдей температура мен қысым жағдайында бірдей көлемге сияды деген сөз. Ол тіпті бұл көлемді қалыптық физикалық жағдайлар үшін есептеп те шығарды. Қысым 760 мм сынап бағанасы жөне темпера-тура 0° С болғанда ол (көлем) 22,4 л-ге, дәлірек айтсақ - 22,414 л-ге тең болады. Айтылған жағдайларда бұл көлемде газ тәріздес заттың 6,023 АІО²³ молекулалары болады (Авогадро саны).

Сондықтан қазір химиялық қосынды ретінде бір немесе бірнеше химиялық элементтерден тұратын, атомдары өзара әрекеттесу арқылы бөлшекке біріккен, тұрақты құрылымы бар белгілі бір затты - молекуланы, кешенді, монокристалды немесе басқа агрегатты, түсінеді. Бұл "күрделі зат" деген ұғымнан гөрі кеңірек ұғым. Шынында да, әр түрлі емес, бірдей элемент-

140

терден тұратын химиялық қосындылыар баршаға белгілі ғой. Бұлар сутегінің, оттегінің, хлордың, графиттің, алмаздың және т.б. молекулалары.

Материяның химиялық құрылысының әрі қарай күрделенуі атомдық және молекулярлық бөлшектердің күрделенуімен, молекулярлық ассоциаттар мен агрегаттардың, сонымен қатар олардың комбинацияларының түзілу жолымен жүреді.

Агрегаттардың түзілуі кезінде жүйенің фазалық қалпы өзгереді, ал ассоциаттарды жасауда бұлай болмайды. Еске түсірейік, фазалық күй - бұл кез келген зат (газ, сұйық, қатты дене) бар болатын негізгі физикалық күй.

5 6.4.3. Жаңа материалдар жасау мәселесі

Табиғат өзінің материалдық қорларын бүкіл ғаламшар аумағында жомарттықпен "шашқан". Адамның өндірістік қызметін атқаратын жер қабаты массасының 98.7%-тін сегіз химиялық элемент құрайды: оттегі - 47.0%, :@5<=89 - 27.5%, алюминий - 8.8%, темір -4.6%, кальций - 3.6%, натрий - 2.6%, калий - 2.5%, магний - 2.1%. Бұл химиялық элементтер жер бетінде біркелкі таралмаған және бір деңгейде қолданылмайды. Күнделікті өмірде қолданылып жүрген металл өнімдерінің 95%-нің негізі темір болып келеді. Бұлайша қолдану темірдің жетіспеушілігіне алып келеді.

141

Ғалымдар мынадай бір түсініксіз завдылықты байқады: адам өзінің тіршілік өрекеттерінде көбінесе табиғи қорлары шектелген затгарды жиі пайдаланады екен.

1. Өндірісте химиялық элементтерді пайдалану тәжірибесін олардың табиғаттағы шынайы қорларымен сәйкестікке келтіру.

2. Металдарды бірте-бірте керамиканың әр түрлі түрлерімен айырбастау.

3. Органикалық синтез базасында элементтік-органикалық қоспалар өндірісін кеңейту.

Қазіргі уақытта өндірісте алюминий, магний, кальций, кремний тәрізді элементтерді көбірек пайдалануды көбейтуге назар аудару ұсынылады. Табиғатта бұл элементгер едәуір жиі кездеседі және оларды өндіру ерекше қиын еңбекті қажет етпейді. Сонымен қатар, бұл жағдай осылар сияқты көбірек жиі кездесетін табиғи элементгерден құралған затгарды пайдалану қоршаған ортаны қалдықтармен ластауды азайтуға - қазіргі кездегі еткір проблеманы шешуге жақындатар еді. Бұл мәселенің шешілуі біздің ғаламшарымыздың алдағы тағдырына тікелей қатысты.

Металдарды керамикамен айырбастау қажеттілігінің өсуі керамиканы өндірудің жеңіл және экономикалық тұрғыдан тиімділігімен байланысты. Ал, сонымен қатар, кейбір өндірістерде оның орнына металл қолдану мүмкін де емес. Химиктер отқа төзімді, ыстыққа берік, химиялық жағынан берік және өте қатты керамиканы (гексанит-Р), сонымен қатар электротехникада қолданылатын керамиканы алуды үйренді. Кейінгі кезде кейбір керамикалық заттардың таң қаларлық қасиеті - жоғары температуралық аса үлкен өткізгіштігі, яғни, азоттың қайнау температурасынан да жоғары температурадағы ең жоғары өткізгіштігі байқалады. Бұл бірегей физикалық қасиетті ашуға химиктердің бір кешендегі барий, лантан және мыспен алынған кешендер негізінде жаңа

142

Қазіргі кезде химиктердің алдында тұрған практикалық міңдеттерді шешу мәселелері жаңа заттарды синтездеу мен олардың химиялық құрамына анализ жасауға тығыз байланысты. Сондықтан да бұдан көптеген жылдар бұрынғыдай химия ғылымында заттар құрамының мәселесі бұрынғыша өзекті болып қала береді.

143

Бұл сұрақтарға XIX ғасырдың бірінші жартысында өмір сүрген швед химигі И. Я. Берцелиус жауап беруге талпынды. Ол атомның электрлік дипол түріндегі жаңа үлгісін ұсынды. И. Я. Берцелиус көптеген заттардың ол берген процентгік құрамын анықтау

мен қарапайым стехиометриялық заңдылықтарды іздеу негізінде, сонымен қатар ертіңдідегі күрделі заттардың электр тоғының әсерінен ыдырауын зерттеп, ойға қалды: берілген нақты заттың электрлік зарядының белгісі мен шамасына не әсер етеді?

Неліктен оң электрлік және теріс электрлік заттар бар?

Қышқыл мен сілтінің молекулаларының құрылысының немесе нейтрал тұздағы сілтінің айырмашылығы неде? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін И. Я. Берцелиус мынадай гипотеза ұсынды: әр түрлі химиялық элементтердің барлық атомдарының әр түрлі электрлік терістігі бар деп, оларды осы электрлік терістіктің көбеюіне қарай өзгеше бір қатарға орналастырды. Сонымен,

И. Я. Берцелиус молекула атомдардың қарапайым "үйіндісі" емес, керісінше, өзара электростатикалық күштермен байланысқан атомдардың белгілі бір реттелген құрылымы деп жорамалдады.

1840 жылы француз ғалымы Ш. Жерардың еңбектерінде

И. Я. Берцелиус құрылымдарының барлық жағдайларда бірдей дұрыс болмайтындығы көрсетідді: молекулаларын электр тоғының ықпалымен жеке атомдарға бөліп орналастыруға болмайтын көптеген заттар бар, олар бірыңғай түтас жүйе тәрізді және дәл осы бір-бірімен өзара байланысқан атомдардың бөлінбейтін жүйесін Ш. Жерар молекула деп атауды ұсынды. Ол органикалық қосындылардың түрлерінің теориясын зерттеп, дайындады.

Бірақ, атомдарды дәл осы молекулаларға бірігуге қандай күштер мәжбүр етеді деген сұрақ ашық қал-

144

1857 жылы неміс химигі А. Кекуле жекелеген элементтердің кейбір қосындылар қатарында сутегі атомын айырбастай алатын қасиеттері туралы өз бақылауларын жариялады. Ол мынадай қорытындыға келді: олардың кейбіреуі сутегінің үш атомын, басқа біреулері екі немесе тіпті біреуін ғана ауыстыра алады. Сонымен қатар А. Кекуле "көміртегінің бір атомы ... сутегінің төрт атомына эквивалентті" екендігін анықтады. Бұлар заттардың валенттілік теориясының негізіне алынған ережелер болды.

А. Кекуле қолданысқа "туыстық" деген жаңа химиялық терминді енгізді, бұл берілген химиялық элемент ауыстыра алатын сутегі атомдарының санын білдірді. Ол барлық элементтерге сәйкес түрде "туыстықтың" үш, екі немесе бір бірлігін тіркеді. Көміртегі мұнда ерекше жағдайда тұрады — оның атомының төрт туыстық бірлігі бар екен. Берілген химиялық элементке тән туыстық бірліктердің санын ғалым атомның валенттілігі деп атады.

Атомдар молекулаға біріккен кезде туыстықтың бос бірліктерінің тұйықталуы жүзеге асады. Мысалы:

А. Кекуленщ жеңіл қолымен молекула қүрылымы ұғымы көрнекті формулалық сызбалардың жасалуына әкелді, бұлар химиктерге олардың практикалық