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

Осылайша тұжырымдай отырып, заттардың периодты түрде өзгеріп отыратын басқа да физикалық қасиеттері өз түсініктемесін тапты: тығыздық, қорытылу температурасы, атомдағы электрондар байланысының беріктігі және т.с.с.

125

Ең маңыздысы, Менделеев кестесі элементтердің физикалық қасиеттеріне жай ғана түсінік беріп қойған жоқ, оларга сәйкес етіп, олардың химиялық қасиеттерін қойды, Кестенің негізгі постулаты хими-ялық элементтің валенттілігі сыртқы электрон қабатындағы электрон сандарымен анықталатындығы болып табылады (сондықтан да бұл электрондар осылайша - валентті электрондар деп аталады). Периодтық заңның маңызды ролі - атомдар қүрылысы мен элементтердің физикалық және химиялық қасиеттеріне осы құрылыстың әсерінің арасындағы байланыстың анықталатындығыңца.

1872 жылы Д. И. Менделеев былай деп жазады: "Қазіргі

заманғы химияның негізгі міндеті қарапайым және күрделі денелердің құрамының, реакциялары мен қасиеттерінің

олардың құрамына кіретін элементтердің негізгі қасиеттеріне қатысты екендігін анықтау болып табылады, бұл осы берілген элементтің белгілі сипатының негізінде оның қоспаларының

әлі белгісіз құрамы мен қасиеттері жөнінде қорытынды жасау мүмкін болу үшін қажет". Содан бері жүз жылдан астам уақыт өтті. Бұл мәселені табысты шешу үшін қазіргі заманғы химиктер химиялық элементтер мен заттардың сан алуан қасиеттерін кванттық химия негізінде есептеп шығаратын, мәліметтердің орасан үлкен көлемдерімен жұмыс жасайтын ең жаңа бағдарламалар пакеті салынған ЭВМ-мен қаруланған. Менделеевтің заманындағы сияқты осы тәріздес зерттеулердің нәтижесі күрделі химиялық қоспа-лардың синтезінің, оның ішінде органикалық синтездің де, дамуына әкеледі. Өткен ғасырда ғылым қойған мәселе бүгінгі күнге дейін өзекті болып қала бермек.

126

Химия дамуының барлық тарихы оның негізгі мәселесін шешу тәсілдерінің заңды түрде ауысып отыруында болып табылады. Ғылымның даму шамасына қарай материяның құрылуы, заттардың құрамы, молекулалардың құрылымы туралы ұғымдар да өзгеріп отырды, химиялық үрдістердің өзі туралы да жаңа мәліметтер алынды, бұл әрине, жаңа заттарды синтездеу тәсілдерін де, олардың қасиеттерін зерттеу әдістерін де түбегейлі өзгертті. Қазіргі уақытта қоғам өмірінде химиялық технологиялардың жетістіктерін қолданбайтын бірде-бір сала жоқ деп айтуға болады. Енді химия тарихын қысқа түрде еске түсіріп көрейік.

XVII ғасырға дейінгі химия ғылымының тарихын -бұл заттардың қасиеттерінің пайда болуы туралы мәселені шешудің

ғасырларға созылған жеміссіз әрекеттері деп қарастыруға болады. Осы мезгіл ішінде денелердің қасиеттерінің пайда болуын түсіндіретін принциптердің әр түрлі екі түсініктемесі ұсынылды. Левкипп (500-400 б.э.д.), Демокрит (б.з.д. 470-380), Эпикур (б.з.д. 341-270) және олардың ілімін қолдайтын атомистикалық натурфилософиянын басқа да өкілдері барлық денелер көлемі мен формалары әр түрлі атомдардан тұрады, бұл олардың сапалық өзгешеліктерін түсіндіреді деген данышпалдық болжамдар айтты.

Аристотель (б.з.д. 384-322) мен Эмпедокл (б.з.д. 490-430) денелердің барлық көрнекі әр түрлілігін антиато-мистикалық позициялардан - денедегі әр түрлі элементтердің тіркесуі арқылы: құбылыстардың немесе элементтердің, қасиеттердің, жылу мен суықтың, құрғақтық пен ылғалдың жэне т.б. қосылуымен - түсіндіреді.

Кейінірек осындай түсініктемелерді алхимикгер де дамытгы. Бірақ келісіңіз, ол кезде осы тәсіддердің ешқайсысы да:

127

Заттардың қасиеттерінің пайда болу проблемасын шешудің ұтымды тәсілі XVII ғасырдың екінші жартысында ағылшын ғалымы Р. Бойлдің еңбектерінде көрінді. Р. Бойлдің зерттеулері денелердің сапалары мен қасиеттерінің абсолюттік сипаты болмайтындығын және бұл көрсеткіштер денелердің қандай материалдық элементтерден құралғандығына қатысты екендігін көрсетті.

Бұл заттар мен олардың қасиеттерінің әртүрлілігін түсіндіретін

жаңа көзқарас болды, ол бүрынғы ерте заманнан келе жатқан натурфилософиялық ұғымдарды - Демокриттің атомизмі мен Аристотелдің элементаризмін бітімдестіруге мүмкіндік берген сияқты болды. Иә, шынында да, заттың ең кіші субстанциялары бөлінбейтін, сезім мүшелерінің көмегімен түсінілмейтін, бір-бірінен белгілі физикалық қасиеттерімен (мысалы, формасымен) ерекшеленетін өте ұсақ бөлшектер — тіпіта паturalіа больш табы-лады. Бұл бөлшектер бір-бірімен байланысып, ірірек бөлшектер жасай алады, бұларды Р. Бойль кластерлер деп атайды. Кластерлердегі кішкене бөлшекшелердің байланысы жеткілікті тұрғыда берік, сондықтан мұндай кластерлердің өзі шынайы физика-лық денені құруға арналған, адам көзіне көрінбейтін кірпішшелер болып табылатын тәрізді. Кластерлердің көлемі мен формасына, олардың қозғалыста не тыныштықта болуына қарай бұларға табиғи денелердің өзінің қасиеттері тәуелді болады — оның өзінде алы-

128

натын дененің формасы кластерлердің өзінің формасын қайталауы тіпті керек емес.

ЗАТТЫҢ ҚҰРАМЫ----------ЗАТГЫҢ

ҚАСИЕТТЕРІ

Бұл тәсіл ғылыми химиялык білімдердің біріиші деңгейі

болған заттардың қүрамы туралы ілімнің басын бастады.

XIX ғасырдың бірінші жартысына дейін заттардың қүрамы

туралы ілім сол кездегі бүкіл химияда көрініс тапты.

6.3.3. Химияның ғылым ретінде дамуының

екінші кезеңі — XIX ғ. Құрылымдық химия

1820-1830 жылдары өндірістің қол техникасына негізделген мануфактуралық сатысы фабрикалық сатымен ауысты. Өндіріске жаңа машиналар келді, өнеркәсіпте қолданылатын жаңа шикізаттық материалдарды іздеп табуға сұраныс пайда болды. Химия өндірісінде өсімдіктен және жануарлардан шығатын заттардың орасан көп массасын өндеу басым бола бастады, олардың көбінің сапалық ерекшеліктері таң қаларлықтай көп болғанымен, құрамы біртектес болды: көміртегі, сутегі, оттегі, күкірт, азот, фосфор. "Ендеше, заттардың қасиеттері тек қана құрамымен ғана анықталмайды!" деп қорытынды жасайды химиктер.

Дүниеге осыдан кейін заттың құрылымы деген ұғым келді. Егер заттың құрамы туралы білім берілген зат-

129

тың молекуласы қандай химиялық элементтерден түрады деген сұраққа жауап берсе, ал заттың құрылымын білу осы молекуладағы атомдардың кеңістіктік орналасуы туралы түсінік береді. Сіздер, әрине, бала кездеріңізде ойыншық конструктордың ішіндегі стан-дарт бөлшектерді пайдаланып, өздеріңізге ұнамды заттарды құрастырғандарыңызды ұмытқан жоқ шығарсыздар. Детальдар жинағы өзгермейді, бірақ сіз оларды бір-бірімен әр кезде әр түрлі қосып байланыстырдыңыз және нәтижесінде тіпті басқа жаңа нәрсе құрастырып шығатынсыз! Құрамын сақтай отырып, өзіңіз де байқамай, құрылымын өзгерттіңіз.

Осы сияқты, химиктер заттардың қасиеттері, яғни олардың сапалық әр түрлілігі тек қана олардың құрамымен емес, молекулаларының құрылымымен де байланысты екендігі анықтады.

Кейде осы органикалық молекулалардың қаншалықты үлкен де күрделі болып шығуын және олардың құрамына кіретін атомдардың қайсыларының нақты химиялық реакцияға қатысатындығын

түсіну қалайша қиын болғандығын көзге елестетуге болады. Сонымен қатар, берілген заттың молекуласының құрамына кіретін атомдардың барлығы бірдей жақсы түрде басқа молекулалардың атомдарымен өзара эрекеттестікке түспейтіндігі анық болды - әрбір молекуланы шартты түрде функциональдық немесе реактивтік деп аталатын, ішіне атомдар тобы, жеке атомдар немесе тіпті жекелеген химиялық байланыстар кіретін бірнеше блоктарға ұсақтап бөлуге болады екен. Мұндай әр құрылымның өзіндік бірегей, химиялық реакцияларға кіре алатын қабілеті бар, басқаша айтқанда, олар реакциялық қабілеттілікке ие. Ойыншық конструктормен көрсеткен мысалымызға қайта оралып, біздің де қабілетті болғанымызды есімізге түсірейік - өз "туындымызға" қарай отырып, оның әр түрлі бөліктерінен бірдей мақсатқа арналған не-месе бір ғана міндетті атқаратын бөлікшелерді табамыз: дөңгелекті - жүру үшін, терезелерді - қарау үшін, пластмасса бұрыштарды - детальдарды бір-бірімен бекіту үшін және т.с.с.

130

Химиялық білімдердің дамуының екінші деңгейі құрылымдық химия деген шартты атауға ие болды. Бұл кезеңнің басты жетістігі молекула қүрылымы мен заттардың функционалдық белсенділігінің арасындағы байланысты анықтау деп айтуға болады:

МОЛЕКУЛА ҚҰРЫЛЫМЫ —> ФУНКЦИЯ

(РЕАКЦИЯЛЫҚ ҚАБІЛЕТТІЛІК)

Химиялық процестер туралы ілім.

Біздің ғасырымыздың басында автомобиль өнеркәсібінің, авиацияның, энергетика мен прибор жасаудың қарқынды дамуы моторлар үшін сапалы отынды талап етті. Автомобиль дөңгелектеріне арналған арнайы жоғары төзімді каучуктер, олардың салмағын жеңілдететін пластмассалар, әр түрлі полимерлер мен жартылай өткізгіштер - осының бәрін өте көп мөлшерде шығару қажет болды, бірақ, өкініштісі, химиялық дағдылардың дамуы өндіріс сұранысына сәйкес болмады. Мәселе химиялық реакцияның жеткілікті қыңыр, күрделі және құбылмалы нәрсе екендігінде. Ағылшын химигі П. Шоу химияны "мәнісі әрекетке негізделген, ал мақсаты - пайда өнер" тәрізді деп босқа айтпаған.

Шынында, кейде қайсыбір жаңа затты синтездеудің табыстылығы небір кездейсоқ жағдайларға жиі тәуедді болады. Бұл факт өндіріс өндірушілері үшін қолайсыз болды. Осыдан барып өндіріс ғылымнан несімен ерекшеленеді деген сұрақ туады? Біріншіден, масштабымен: ғалым белгілі бір затты аз мөлшерде алып,

131

оның қасиеттерін зерттеп, өз еңбегін баспадан шығарып, жаңалық ашып, құрметке, ғылыми атаққа ие болады.

Химиктердің химиялық үрдістерді меңгеруді үйренуінің нәтижесінде химиялық өнеркәсіп қызу дами бастады, ағаш пен металды айырбастайтын синтетикалық материалдар, өсімдік майлары енді көп мөлшерде өндіріле бастады.

Мұнайды өңдеу негізінде жасанды талшықтар өндіру, этил спиртін, каучукті, сан алуан еріткіштерді өндіру қолға алынды; ауаның азотын ғалымдар минералдық тыңайтқыштарға айналдыруды үйренді. Химиялық заттар адамдардың тұрмысында нық орын

132

Сонымен, химиялық процестерді құрудың барлық күрделілігін ескеретін және химиялық реакторларда бұл үрдістердің экономикалық қолдану өнімділігін қамтамасыз ететін негізгі мәселені шешудің үшінші тәсілін мына сызбамен көрсетуге болады:

РЕАКТОРДА ХИМИЯЛЫҚ —> РЕАКТОРДЫҢ

ПРОЦЕСТІ ҚҰРУ ӨНІМДІЛІГІ

1960-1979 жылдары химияның басты мәселесін шешудің эволюциялық химия деп аталған жаңа тәсілі пайда болды. Бұл тәсілдің негізінде химиялық өнімдерді алу процестерінде химиялық реакциялардың катализаторларын өздігінен жетілуге жеткізетін, яғни, химиялық жүйелердің өздігінен құрылуына әкелетін шарттарды пайдалану принципі жатыр. Өздігінен құрылу термині мүмкін, сізге таныс болар -ол бір-бірімен байланыспаған ығы-жығы элементтерден тұратын қайсыбір жүйені өздігінен ретке келтіру қабылетін біддіреді. Мұндай үрдіс (процесс) уақыт бойынша дамиды және сыртқы жағдайларға тәуелді емес. Уақыт бұл жерде ең салмақты маңызды факторлардың бірі болып табылады, сондықтан да жүйенің эволюциясы туралы айтылады, яғни, уақыт ағымында жүйенің қандай жағдайда болатындығы туралы. Ал егер сырттан келетін энергия ағымы жоқ болса, уақыт өткен сайын кәдімгі физикалық жүйе қандай жағдайға душар болады. Әрине, барлығы да біртіндеп бүліне бастайды!

133

Сіз өз үйіңізде тым болмаса 10 жыл бойы жендеусіз өмір сүріп көріңізші! Сірә, мұндай жағдайға көндіге қоймассыз, істен шыққан барлық заттарды жаңасы-мен ауыстырасыз, тұзқағазды қайта жапсырасыз, еденді қайта сырлайсыз. Ал енді көз алдыңызға елестетіп көріңіз, егер сіз ынта көрсетпей, "сіздің үйіңіз" деген жүйеге оның сыртқы бейнесін қалпына келтіру энергиясын енгізбесеңіз не болар еді. Мүмкін, үй өздігінен жөнделер? Жоқ, жауап айқын - ғажайып ештеңе болмайды! Өздігінен құрылу үшін қосымша энергия да және жүйенің осы өздігінен қүрылуға қабілеттілігі де қажет: пөтерді жөндеу үшін үйіп қойған материалдар - әлі жөндеу емес, осы жөндеуде жүзеге асыруға әрекет ететін жандар керек.

Сөйтіп, осы уақытқа дейін созылып келе жатқан химия дамуының төртінші кезеңі реагенттер жүйесінің оздігінен қүрылуының осы жүйенің мінез-құлқымен байланысын орнатады.

Сонымен, химияның негізгі мәселесін шешу тәсілдерінің біріншісі, одан соң екіншісі, үшіншісі және ақырында, төртіншісінің бір тізбекте пайда болуы химиялық білімдердің дамуының төрт деңгейінің дәйекті

пайда болуына және қатар өмір сүруіне әкеледі немесе бұларды қазір иерархия, яғни, субординация қатынасында болатын төрт концептуальды жүйе деп атайды. Барлық химия жүйесінде олар да, бүкіл Жаратылыстанудағы химияның өзі тәріздес, жүйешелер болып табылады. Химияның концептуальды жүйелерін кернекі түрде мына сызбада көруге болады:

Химияның дамуында ауысу емес, концентуальдық жүйелердің занды түрде, дәйекті пайда болуы жүзеге асады. Мұнда жаңадан пайда болған әр жүйе алдыңғысын теріске шығармайды, керісінше, оған сүйеніп, жаңартылған түрде өзіне қосады. Сөйтіп, кейбір қоры-тындыларға келе отырып, химияның жүйесіне анықтама беруге болады.