ОҚулық Өқделіп, толықтырылып 2-басылуы а алматы санат* 1999 алғы сөЗ

Буферлік ерітінділер негізінен әлсіз қышқыл және осы қышқыл мен күшті сілтіден түзілген түздың қоспасынан немесе әлсіз негіз және осы негіз бен күшті қышқылдан түзілген түздың қоспасынан немесе әлсіз негіз бен әлсіз қышқыл түзген түз ерітіндісінен түрады. Мысалы бір буферлік ерітіндіге сірке қышқылымен (СНзСООН) натрий ацетатының (СНзСООМа) қоспасы, ал екінші бір буферлік ерітіндіге аммоний гидроксидімен (ІЧН4ОН) аммоний хлоридының (ЫН₄С1) қоспасы мысал бола алады, ал үшінші түріне аммоний ацетатын келтіруге болады.

Буферлік ерітінділердің сутектік көрсеткіпггі (рН) немесе сутек иондарының концентрациясын бастапқы күйде сақтап қалу қасиеті олардың иондарын ерітіндіге қосылган күшті қышқылдың немесе күшті негіздің

238

қүрамдарына кіретін сутегі (Н*) немесе гидроксид (ОН") иондарымен әрекеттесуіне байланысты болады.

Енді әлсіз қышқыл мен оның түзынан, әлсіз негіз бен оның түзынан және әлсіз қышқыл мен әлсіз негізден түзілген түз ерітінділерінің буферлік қасиеттерін жеке-жеке қарастырайық.

Әлсіз қышқылдан және оның түзынан түратын бу-ферлік ерітінді. Бүган сірке қышқылымен натрий ацета-ты мысал бола алады.

Бүл қоспадағы сірке қышқылы әлсіз электролит болғандықтан, аз мөлшерде мына теңдеу бойынша ион-дарға ыдырайды:

СНзСООН «* СНзСОО" + Н⁺

Химиялық кинетиканың негізгі заңын немесе әрекеттесуші массалар заңын қолдану арқылы бүл әлсіз электролит үшін диссоциация константасы былай жазы-лады:

V - ІСНзСОО"] [Н⁺]

^{Кқышқыл =} [СНзСООНІ

Натрий ацетаты күшті электролит болғандықтан, ерітіндіде иондарға толық ыдырайды:

Ле-Шателье принципіне сәйкес ерітіндідегі көп мөлшердегі ацетат иондары сірке қышқылы диссоциация тепе-теңдігін әлсіз электролиттің түзілу жағына қарай ығыстырып, оның тепе-теңдік қонцентрациясын бастапқы концентрациясына (С қышқыл) жақындатады, ал түз күшті электролит ретінде толық иондарға ыдырайтын-дықтан, ацетат иондарының [СНзСОО] концентрациясы түздың концентрациясына (С түз) теңеседі. Сондықтан жоғарыдағы диссоциация константасы теңдеуіндегі [СНзСООН]-ты С қышқылға, ал [СН₃СОО"]-ты С түзға алмастырып, ерітіндідегі сутегі иондарының концентра-циясын табады:

Бүл теңдеудегі диссоциация константасы түрақты ша-ма болғандықтан, сутегі иондарының кояцентрациясы

Өсімдіктердің көпшілігі сутектік көрсеткіштің белгілі бір шегінде ғана тіршілік ете алады. Мәдени өсімдік-тердің біразы (қызылша, картоп, сүлы, бидай т. б.) рН 4—8 аралығыңца емір сүреді. Адам қанының сутектік көрсеткіші 0,4-ке артса, ол өліммен аяқталады, ал адам азық арқылы қышқылдығы әр түрлі тамақтарды қабыл-дағавда, оларды организмде болатын буферлік ерітіндідер реттейді. Химиялық, электрохимиялық жолмен металл алу рН-тың белгілі бір мәндерінде ғана іске асады.

Коллоид деген ат гректің "колла"— желім деген сөзінен шыққан. Коллоид ерітіңділердің көпшілігі желім тәрізді қоймалжыңдау болады. Коллоид ерітінділеріндегі еріген заттың бөлшектерінің диаметрі 1-ден 100 нм-ге дейін болады да жүзгіндер мен шын ерітінділердің ара-сынан орын алады. Коллоид ерітівділеріндегі дисперстік фаза мен дисперстік орта әр түрлі агрегаттық күйде бо-луы мүмкін. Дисперстік ортасы сүйық болатын коллоид-тык. жүйелерді коллоидты ерітінділер немесе зольдер деп атайды. Егер дисперстік орта су болса, коллоидты ерітівділер гидрокзольдер деп аталады.

Коллоидтық ерітінділер немесе зольдер дисперстік және ковденсациялық әдістермен алынады.

242

Шын ерітінділермен салыстырғавда

Зерттеулер коллоид бөлшектерінің қүрамы күрделі екенін көрсетті. Коллоид ерітівдісінің дисперстік фазасы — коллоид белшектері ядродан және оны қоршаган бір типті иовдардан түрады. Бүл иондар ездерінің табиғаты жағынан ядро белшектеріне үқсас болады және заряд тузуші иондар деп аталады.

243

Коллоид бөлшектерінің заряды ядроны қоршаған ион дардың зарядына байланысты. Ядроны қоршаған иондар өзіне ерітіндіден зарядтары қарама-қарсы иондарды тар-тады, ал бұл соңғы иондарды қарсы иондар деп атайды. Бұл қарсы иондардың біразы коллоид бөлшектеріне ад-сорбцияланады, ал қалғандары бүлардан белгілі бір қа-шықтықта ерітіндіде болады да ерітіндінің зарядын анықтайды. Сонымен ядродан, коллоид бөлшегінің заря-дын анықтайтын адсорбцияланған иондардан және байла-нысқан қарсы иондардың біразынан түратын бөлшектерді коллоид бөлшектері дейді.

Коллоид бөлшектерінен және ерітіндідегі бос жүрген қарсы иондардан түратын агрегатты мицелла деп атай-ды.

Коллоид ерітіндісінің мысалы ретінде темір (III) хло-риды гидролизінің нәтижесіңде темір (III) гидроксиді золінің түзілуін қарастырайық:

ҒеСЬ + ЗН₂0 = Ғе(ОН)₃ І + ЗН⁺ + ЗСГ

Темір гидроксидінің молекулалары өзара бір-бірімен бірігіп ірірек бөлшектер немесе ядролар түзеді:

Ғе(ОН)₃ + Ғе(ОН)₃ + Ғе(ОН)₃ + ... = шҒе(ОН)₃

Адсорбцияланған темір иондарының заряды он болғандықтан, коллоид бөлшектерінін де заряды оң бо-лады.

шҒе(ОН)₃ • пҒе³⁺ + х СГ = = [шҒе(ОН)₃ • п Ғе³⁺ • х С1 ]^<3п"^{х) +}

м и це лла

Коллоид бөлшектері мен диффузиялық қабаттағы иондардың зарядтарының аттас болуы немесе бүл ион-дврдың гидратты қабықтары коллоид ерітінділерінің түрақтылығын қамтамасыз етеді.

Коллоид ерітінділерінің түрақтылығын жою үшін кол-яоид бөлшектерін ірілендіру керек. Ол үшін коллоид грітінділеріне электролит ерітіндісін немесе бөлшектерінің і.ірядты қарама-қарсы басқа коллоид ерітіндісін қүяды, іи- ерітіндіні қыздырады. Әр түрлі жағдайлардың әсе-рінен коллоид бөлшектерінің молекулааралық күш М'кылы бір-біріне тартылып ірілену процесін каогуляция щі. Каогуляцияның нәтижесінде коллоид ерітінділерін-ім іі еріген заттан түнбаға түседі.

Коллоид ерітінділеріне электролит немесе бөлшек-

інің заряды қарама-қарсы зольдер косқанда коагуля-

иіанып, оның бөлшектерінің зарядтарының нейтралда-

імен түсіндіруге болады. Коллоид ерітіндісін қыздыр-

ча адсорбцияланған иондар десорбцияланып, бөлшек-

зарядсызданып каогуляцияланады.

Коллоид ерітінділерінде каогуляцияны болдырмау

үшін оларға әр түрлі заттар, мысалы, крахмал, желім

іды.

Коллоид ерітінділеріндегі дисперстік фаза мен дис-церстік ортаның зарядтары болғандықтан, түрақты ток-псіі жалғанған ерітіндіге электрондар батырғанда бөл-іпсктер электродтарға қарай жылжиды. Дисперстік фаза-нык электродқа қарай жылжуын электрофорез, ал дис-верстік ортаның жылжуын электросмос дейді. Қазір '-рофорез бен электроосмос ғылыми зерттеуде, зат-Тірды тазартуда т. б. қолданылады.

245

8-ТАРАУ.

ТОТЫҒУ-ТОТЫҚСЫЗДАНУ РЕАКЦИЯЛАРЫ

§ 1. ТОТЫҒУ-ТОТЫҚСЫЗДАНУ РЕАКЦИЯЛАРЫ ТУРАЛЫ ТҮСШІКТЕР

Көптеген химиялық реакциялардың жүруі кезінде оларға қатысатын заттардың қүрамындағы элементтердің тотығу дәрежелері өзгермейді. Бүларға электролит ері-тіңцілеріңдегі иондар арасында жүретін алмасу реакция-лары, сондай-ак күрделілігі жоғары заттардың күрделі-лігі кемірек заттарға ыдырау реакциялары, күрделі зат-тардың одан да күрделірек заттар түзу кезінде жүретін қосылу реакциялары жатады. Мысал ретінде магний нитраты мен натрий карбонатының арасындағы реакция-ны, темір (III) гидроксидінің айырылу реакциясын, фос-фор (V) оксиді мен судың қосылу реакциясын келтіруге болады:

Ме(Шз)_г + ИагСОз = М§СОз + МаЫОз

Ғе(ОН)₃ = Ғе₂0з + Н₂0²-

Р₂0₅ + Н₂0 = Н₃Р0₄

Бүл келтірілген мысалдардан әрбір реакцияға қатысатын және оның нәтижесінде түзілетін заттардың қүрамына кіретін элементтердің тотығу дәрежелерінің өзгермейтінін байқау қиын емес.

Реакциялардың екінші тобына, яғни тотығу-тотық-сыздану реакцияларына заттардың қүрмындағы элемент-тердің тотығу дәрежелері өзгеру арқылы жүретін хи-миялық процестер жатады. Мысалы, мырыштың түз қышқылынан сутегін ығыстыру процесі тотыгу-тотық-сыздану реакциясына жатады:

2п + 2НС1 = гпСЬ + Нг

Бүл реакция жүргенде мырыш екі электронын сутегі ионына беріп тотығады, ал сутегі иоңцары әрқайсысы бір-бірден электрон қосып алып тотықсызданады. Бүл тотығу-тотықсыздану процестерін жеке-жеке былай көрсетуге болады:

2п° - 2ё = 2п²⁺ (тотығу)

2Н + 2е = Н₂ (тотықсыздану)

Реакция кезіңде электрондарын беретін бөлшекті і.момды, ионды немесе молекуланы) тотықсыздан-()ыі>,>ыш дейді, ал электрондарды қосып алатын бөлшекті тотыцтыргыш деп атайды.

Тотығу-тотыксыздану реакцияларының теңдеулерін күру үшін реакцияға қатысқан және оның нәтижесінде түзілген заттардың қүрамыңдағы химиялық элемент-гердін тотығу дәрежелерін дүрыс анықтай білу керек.

Элементтің қосылыстағы тотығу дәрежесін анықтау үшін мынадай жағдайларды есепке алу керек:

Косылыстағы сілтілік металдардың тотығу дәрежелері І+, сілтілік-жер металдарының тотығу дәрежелері 2+, алюминийдікі 3+.

Оттегінің көпшілік қосылыстардағы тотығу дәрежесі 2-, пероксидтерде (мысалы Иа₂0₂ ) 1-.

247

Соңғы теңдеу жылдамдық константасьшың физика-лық мәнін көрсетеді, яғни жылдамдық константасы де-геніміз әрекеттесуші заттардың концентрациялары біргс-тең болғандағы реакция жылдамдығы.

Нақты мысал ретіңде көміртегі (II) оксидінің оттегі арқылы тотығын көміртегі (IV) оксидіне айналу реак-циясының теңдеуін келтіріп, оның жылдамдыгын химия лық кинетикалық заңын қолдану арқылы көрсетейік:

2С0 + 0₂ = 2С0₂ У = К[СО]². [0₂]

Химиялық кинетиканың негізгі заңы немесе әрекеттесуші массалар заңы бір сатыда жүретін газдар арасындағы немесе сүйытылған ерітінділердегі реакция-ларға қолдаиылады. Бірнеше сатыдан түратын күрделі реакция үшін бүл заң оның әрбір сатысы үшін жеке қолданылады.

§ 10. ХИМИЯЛЫҚ РЕАКЦИЯМЫҢ ЖЫЛДАМДЫҒЫНА ТЕМПЕРАТУРАНЫҢ ӘСЕРІ

Температураның жоғарылауына байланысты химия-лық реакцияның жылдамдығы ете кеп артады. Мысалы, сутегі мен оттегі кәдімгі температура (20°С шамасында) іс жүзінде әрекеттеспейтіні, ал 630°С мелшерінде ете тез қопарылыс бере әрекеттескені жоғарыда айтылды (§ 42). Мүның өзі реакция жылдамдығына температураның әсері өте үлкен екенін көрсетеді.

Мүндағы V, және ь₂ сәйкес и және Һ температурала-рындағы реакция жылдамдықтары, ү — температуралық коэффициент. Температуралық коэффициент тәжірибе

іиде анықталады және оның мәні 2, 3, 4 болуы

Температураның жоғарылауына байланысты реакция

♦ илдамдығының артуын әрекеттесетін заттар молекула-
ііарының жиі соқтығысуларынан болады деп жорамал-

га болар еді. Бірақ есептеулер температураны 100° .іі>і-гырғанда молекулалар арасындағы соқтығысу 1,07 есе і.іна артатынын, ал реакция жылдамдығы 1000 есеге

♦ уық артатынын көрсетеді. Температураны арттырудың

Бүл теңдеу жылдамдық константасының мәніне (ре-акция жылдамдығына) белшектердің соқтығысуларының жалпы саны, әсіресе, активтену энергиясы, активтену :>нтропиясы әсер ететінш көрсетеді. Мүнда тепература дәреже көрсеткішінің қүрамына кіретіндіктен температу-раның өзгеруі реакция жылдамдығына күшті әсер етеді.

Түрліше реакциялардың әр түрлі жылдамдықпен жүруі олардың табиғатына байланысты. Реакцияға катысатын заттардың табиғаты олардың активтену энер-

179

гаясы (£») мен активтену энтропиясына (А5„) байланы-сты болады.

Әр түрлі реакциялардың активтену энергиялары да түрліше болады. Активтену энергиясы аз реакциялардыц жылдамдығы жоғары болады, ал активтену энергаясы көп реакциялардың жылдамдығы төмен болады немесе кәдімгі температурада іс жүзінде әрекеттеспейді.

Ва²⁺+ 2С1~ + 2Ка⁺+ ЗО*. = Ва50₄і + 2№⁺+ 2СГ

Ка₂3₂0₃ + Н₂50₄ = Ма₂80₄ + Зі + 80₂* + Н₂0

Химиялық реакциялардың жүру жылдамдықтарын арттыру әдістерінің біріне катализ жатады. Катализ деп арнаулы заттардың әсерінен химиялық реакциялар жылдамдыгының арту қубылысын айтады.

Реакция жылдамдығын езгертетін, бірақ реакция нәтижесінде түзілген заттардың қүрамына кірмейтін за-ттарды катализаторлар дейді. Кейбір катализаторлар ре-акция жылдамдығын азайтады, ал кептеген ката-

180

і юрлар реакция жылдамдығын арттырады. Осыған іт реакция жылдамдығын арттыратын катализатор-пнрды—он, ал оны темендететін катализаторларды — и|ін деп атайды. Мысалы, сутегі мен хлордан хлорсу-тгк алу реакциясы кезінде оттегі қатысса, ол теріс ка-Гвлизатор ретінде әсер етеді, яғни хлорсутек түзілу рг.ікциялар жылдамдығын темендетеді. Теріс катализа-т|)іардан басқа реакциялар жылдамдығын темендету үиііп ингибиторлар қолданылады. Теріс катализаторлар-л.ш ингибиторлардың айырмасы сол — олар реакция и.иижесінде түзілген заттардың қүрамына кіреді. Мыса-цы, кальций гадрокарбонаты темір коррозиясының инги-ішіоры болады, өйткені ол темірмен әрекеттесіп, оның бетінде ерімейтін темір (II) карбонатьшың тығыз КЯбатын түзеді де, оны ары қарай тотығудан сақтайды.

Қазір химия енеркәсібінде, катализаторлар қатысуы-мен жүретін реакциялар кең қолданылады. Негізгі хими-илық өнімдер өндіру процестерінің 90 процентке жуығы к.ігалитикалық реакцияларға жатады.

Катализаторлар изобара-изотермалық потенциалдары азлюы бағытында жүретін (ДС<0) реакциялардың ғана жылдамдықтарын арттырады.

Реакциялар жылдамдығына әсер етуі жағынан әрбір катализаторлардың езіне ғана тән сипаты болады, яғни бір катализатор барлық реакциялардың жылдамдықтарын арттыра бермейді, тек белгілі бір үқсас реакциялар то-бының немесе бір ғана реакцияның жылдамдығын артты-рады. Мысалы, жанасу беті үлкен ете үсақталған никель гидрогендеу реакцияларының кепшілігінің жылдам-дықтарын арттырса, ванадий (V) оксиді кептеген тотығу реакцияларының (аммиактың немесе күкірт (IV) ок-і идінің тотығуы) жылдамдығын арттырады. Әрбір реак-цияның жылдамдығын белгілі бір катализатор ғана оігертетінінің мысалы ретінде этил спиртінің ыдырау ре-акциясын келтіруге болады. Этил спиртін қыздырғанда мынадай екі реакция қатар жүреді:

Н₂С=СН₂ + Н₂0 I

с.н^он/ ₀

^ХНзС-С^

^х н + н₂ и

Егер осы реакцияға катализатор ретінде алюминий оксидін қолданса, бірінші (I) реакцияның жылдамдығы,

181

ал мысты қолданса, екінші (II) реакцшшың жылдам-дығы артады.

Реакцияға қатысатын заттардың және катализатор-лардың агрегаттық күйіне байланысты каталитикалық реакциялар гомогендік және гетерогендік катализ болып бөлінеді.

Бүл теория бойынша катализатор бастапқы заттың біруімен әрекеттесіп өте түрақсыз аралық қосылыс түзеді. Бүл аралық қосылыс бастапқы екінші затпен тез әрекеттесіп реакция нәтижесінде алынуға тиісті затты түзеді. Бүл айтылғандарды жалпы процесс түрінде көрсетіп, мынадай негізгі реакцияны жүргізу керек:

Бүл реакция активтену энергиясы жоғары бол-ғандықтан өте баяу жүреді. Сондықтан реакцияны ртез-дету үшін, яғни, активтену энергиясын төмендету үшін катализатор К қолданылады. Катализатор К бастапқы заттың біреуімен мысалы, 2?-мен әрекеттесіп түрақсыз аралық қосылыс КВ түзеді.

Түзілген аралық қосылыс КВ екінші бастапқы зат А-мен тез әрекеттесіп негізгі зат АВ-ны түзеді де, катали-затор жеке бөлініп шығады:

Сонымен негізгі қосылысты алу процесі аралық қосылыс түзілу арқылы жүретін екі сатыдан түрады. Бүл екі сатыға қатысатын заттардың табиғаты әсер ететіндіктен (активтену энтропиясы) және екі процестің де активтену энергиялары азаятындықтан, катализатор қатысуымен жүретін жалгш реакцияның жылдамдығы артады. Жоғарыда келтірілген екі теңдеуді мүшелеп қосып реакцияның жалпы теңдеуін жазамыз:

А + КВ = АВ + К

80₂ + 1/₂0₂ = 80₃

Бүл реакция өте баяу жүретіндіктен катализатор рстінде азот (II) оксидін N0 қолдану арқылы реакция жылдамдығын арттырады:

Ж) + ±0₂ = Ы0₂ (К + В+КВ)

Гетерогендік катализдің көпшілігшде әрекеттесетін ааттар не газ, не сүйық күйде, катализатор қатты күйде болады да әрекеттесу катализатордың бетінде жүреді. Сондықтан реакцияның жылдамдығының артуы катализа-тор бетінің ауданына, тазалығына, қүрылысына байланы-сты. Гетерогендік катализде, гомогендік катализдегі сияқты, катализатордың қатысуымен жүретін реакция-лардың активтену энергиясы төмендеуінің нәтижесінде негізгі реакцияның жалпы жылдамдығы артады.

молекулалар арасында аралық қосылыс түзілш реакции ның активтену энергиясын төмендетеді. Активтену энер-гиясының төмендеуі реакция жылдамдығын көп есе арттырады. Түзілген молекулалар диффузия арқылы ка-тализатор бетінен кетеді де олардың орныи жаңадан әрекеттесетін молекулалар басады.

У₂08(қатты)

Ғе(қатты)

Катализаторлардың активтігін кемітетін немесе жү-мысын мүлде тоқтататын заттарды — каталитикалық улар деп атайды, мысалы, аталған катализатордың ула-рына мышьяк (III) оксиді, циан қышқылы т. б. жатады. Гетерогендік катализде химиялық реакциялар қатты күйдегі катализаторлардың бетінде жүретіндіктен, ката-лизатор бетінің ауданы үлкен болуы керек. Сондықтан катализатор ретінде металдар мен олардың оксидтерін кесек күйінде қолданбайды, оларды үнтақтайды да кеуек заттыңң бетін қаптау арқылы ауданын үлкейтеді.

Катализатордың беті неғүрлым үлкен болса, сол-ғүрлым адсорбция — процесі көбірек жүреді, көптеген молекулалар активтеледі және соған сәйкес реакция жылдамдығы да артады.

Катализ тірі дүниеде — өсімдіктер, жануарлар, адам-дар организмдеріңде үлкен рөл атқарады.

Адамдар мен жануарлардың тіршілігі үшін қажетті қан жүру, ас қорыту жүйелерінде, клеткаларда жүретін процестердін көбі каталитикалық реакцияларға жатады да биологиялық катализаторлардың — ферменттердің қа-тысуымен жүреді. Мысалы, сілекейде болатын фермент питалин тағамдық заттағы крахмалды кантка айналдыра-ды, ал қарында болатын фермент катализатор — пепсин белок заттарының ыдырауын тездетеді.

184

К.иализдің өнеркәсіпте, әсіресе, химия өнеркәсібінде өнімділігін арттыруға, заттардың өзіндік қүнын іомгндетуде маңызы зор.

Қарапайым химиялық реакция жүру үшін бір, екі інмсте үш молекула қатысуы мүмкін. Осыған сәйкес бір мііплде әрекеттесетін молекулалар санына байланысты рг.ікциялар бір молекулалы, екі молекулалы, үш моле-кулалы болып бөлінеді. Іс жүзінде бір, екі молекулалы рг.ікииялар жиі кездеседі. Бір мезгілде үш молекуланың езара соқтығысу мүмкіңдігі өте аз, сондықтан үш моле-кулалы реакциялар өтё сирек кездеседі, ал төрт моле-кулалы немесе одан да көп молекулалы реакциялар (елгісіз.

2Ж) + 0₂ = 2Ж)₂ (III)

Реакцияның реті кинетикалық теңдеу бойынша анықталады және ол әрекеттесетін заттар концентрация-ларының дәреже көрсеткіштерінің қосындысына тең.

Химиялық реакциялардың реті нөлінші, бірінші, екінші, үпгінші және бөлшекті болып бөлінеді. Бөлшекті рет бірнеше сатылардан түратын күрделі реакцияларға тән. Нөлінпгі ретті реакцияның жылдамдығы уақыт откен сайын өзгермейді, яғни түрақты болады. Мүндай жағдай әрекеттесетін заттардың келтірілу (диффузия) жылдамдығы сол заттардың әрекеттесу жылдамдығынан бірнеше есе көп болатын гетерогендік реакцияларда байқалады.

185"

Реакциялардың молекулалығы мен реті көп жағдайда бірдей болмайды, олар тек бір стадиялы карапайым ре-акцияларда ғана бірдей болады.

Бірінші ретті реакциялардың кинетикалық теңдеуі мынадай болады:

Бірінші ретті реакциялардың мысалдары ретінде иод-тың және азот (V) оксидінің ыдырау реакцияларын келтіруге болады:

/₂ = / + / V = К • СЬ

2Ы₂05 = 4Ш₂ + 0₂ V = К • С_М20і

Азот (V) оксидінің ыдырау теңдеуіне қарап екінші ретті реакцияға жатады деп жорамалдауға болады, бірақ бұл реакция бірінші реттіге жатады. Оның себебі азот (V) оксидінен азот (IV) оксиді түзілуі мынадай екі са-тыдан түрады.

Ш)5 + К₂0з=2М0₂ (II саты)

Екінші ретті реакцияларды мынадай кинетикалық теңдеу сипаттайды.

Мүндай реакциялардың мысалы ретінде иод пен су-тегінің әрекеттесіп иодсутек түзу реакциясын келтіруге болады.

Бүл реакцияның молекулалығы мен реті бірдей.

Сутегі пероксиді мен иодсутектің әрекеттесу реакци-ясы да екінші реттіге жатады, өйткені реакция екі са-тыдан түрады да, оның жалпы жылдамдығын екінші

186

і»іи реакцияға жататын сатысының жылдамдығы анық-

Н₂0₂ + 2Ш = 2Н₂0 + һ V = К ■ Сн₂о₂ • Сш

V = К ■ С²(Сі = С₂)

Үшінші ретті химиялық реакцияларды мынадай кине-іикалық теңдеу сипаттайды: V = К ■ С, • С₂ • С₃ немесе (С, = С₂ = С₃) V = К • С³.

Үшінші ретті реакцияның нақты мысалы ретінде азот (II) оксиді мен хлор әрекеттесіп хлорлы нитрозил і ү.іілуін келтіруге болады:

2ЫО + С1₂ = 2ЫОС1 ь = К ■ Сно • Сс>₂

§ 13. ЖАЙ ЖӘНЕ КҮРДЕЛІ РЕАКЦИЯЛАР

Жай реакциялар бір ғана сатыда жүреді және кине-тикалық теңдеуінде бір ғана жылдамдық константасы бо-

лады.

Күрделі реакциялар бірнеше жай реакциялардың жи-ынтығынан түрады және кинетикалық теңдеуі бірнеше жылдамдық константаларынан түрады. Күрделі реакция-ларға қайтымды, параллель, кезекті, қатар жүретін, тізбекті реакциялар жатады.

Қайтымды реакциялар екі бағытта жүреді — бастапқы заттар әрекеттесіп жаңа заттар түзеді, ал бүлар қайта-дан әрекеттесіп бастапқы заттарға айналады. Мысал ре-тінде иод пен сутегінен иодсутек түзілу реакциясын келтіруге болады. Иод пен сутегі әрекеттесіп иодсутек түзеді, ал иодсутектің концентрациясы артуына байланы-сты ол иод пен сутегіне ыдырайды.

уі(Кі)
Н₂ + һ " 2Ш

Уг(К₂)

187

п-1 п-2 п-2 п-3 п-3 п-3

1-0 1-0 1-1 1-0 1-1 1-2

ш,: = 1 ш_е = 0 т_е = 1,0,+1 т_е = 0 Шс = 1,0,+1 Ше- 2,-1,0, + 1 + 2

_{»» »...»...» ». цщэд«інниит і і р}

5|Н>1Н|Н|Н|Н|НМЧ М 1 1 («* » з, » ₃„

ШнІШЫтііһһІтІ 1 I 1

Келтірілген формулалардан қалыпты күйлерінде күкірт атомында екі дара, хлор атомында бір дара элек-трон бар екенін көруге болады, соған сәйкес күкірт екі валентті, хлор бір валентті.

Сырттан энергия жүмсау арқылы күкірт атомының деңгейшесінде жүп электронның біреуін 3көшіріп валенттігін 4-ке (I), одан соң 3Сол сияқты хлор атомын қоздыру арқылы оның үш жүп (3$, Зр) электрондарын біртіндеп 3-үяшықтарьша көшіру арқылы валенттігін 3-ке (I), 5-ке (II), 7-ге (III) өсіруге болатынын оның электрондық-графикалық фор-муласынан анық көрініп түр.

§9. АТОМДАРДЫҢ ЭЛЕКТРОНДЫҚ Қ¥РЫЛЫСЫ МЕН ПЕРИОДТЫҚ ЖҮЙЕ АРАСЫНДАҒЫ БАЙЛАНЫС

Атомдағы электрондар өздерінің түрақтылығына сәй-кес келетін энергиясы ең аз энергетикалық деңгейлер мен деңгейшелерге орналасуға тырысады және Паули принципіне сәйкес орналасады.

Сонымен электрондар элементтердің ядро зарядтары-ның, яғни олардың реттік нөмірлерінің өсуіне сәйкес, энергиясы төмен энергетикалық деңгейлер мен деңгей-шелерден бастап энергиясы жоғарысына қарай біртіндеп орналасады. Сондықтан электрондар орналасу бірінші энергетикалық деңгейден басталып біртіндеп жетінші энергетикалық деңгейге қарай жүреді, ал энергетикалық деңгейшелердің электрондармен толықтырылуы 5 — р — й — / бағытында біртіндеп жүреді.

Атомдағы электрондардың энергия қорын бас және орбиталь квант сандарының мәндері анықтайтыны жоға-рыда айтылды.

Сондықтан кезекті электронның энергетикалық деңгейлер мен деңгейшелерде нақты орналасуы бас және

орбиталь квант сандарының мәндерінің қосындысымен (п + I) анықталады.

Кезекті электронның энергетикалық деңгейлер мен деңгейшелерде орналасу ретінің бас және орбиталь квант сандарына тәуелділігін Клечковскийдің бірінші және екінші ережелері анықтайды:

Клечковскийдіқ бірінші ережесі. Элемент атомы-ның электрондары оның энергетикалық деңгейлері мен деңгейшелерінде бас және қосымша квант сандары қосындысының (п + I) өсуі ретімен орналасады.

Клечковскийдіқ 2-ережесі. Егер екі деңгейше ушін бас және қосымша квант сандарының қосындысы (п + I) бірдей болса, онда электрон алдымен 1-нің мәні кіші п-дің мәні улкен деңгейшеде, одан соң п-нің мәні улкен 1-дің мәні кіші деңгейшеде орналасады.

Клечковскийдің ережесіне сәйкес энергетикалық деңгейлер мен деңгейшелерде электрондардың орналасу тәртібі 5-кестеде келтірілген.

5-к е с т е

Енді элементтер атомдарының деңгейлері мен деңгейшелерінде электрондардың орналасу реті мен пе-риодтық жүйедегі элементтердің орналасуы арасындағы байланысты қарастырайық.

Элемент атомдарында электрондардың орналасу реті Клечковский ережелеріне бағынатыны жоғарыда айтыл-ды. Олай болса, алғашқы электрондар (п + /) = 1 сәйкес келетін 1-деңгейдің 5-деңгейшесіне орналасады. Паули принципіне сәйкес 1 орбитальдан түратын х-деңгейшеде 1 немесе 2 электрон орналасады. Бүл екі электронға пе-риодтық системаның 1-периодындағы екі элемент сутегі мен гелий сәйкес келеді. Бірінші қабаттың 5-қабықша-сында сутегінде 1 электрон, ал гелийде 2 электрон бо-лады.

Келесі (л + I) = 2-ке сәйкес клетін 2-деңгейдің 5-деңгейшесінде 1 немесе 2 электрон бола алады. Бүл 2-электронға 2-периодтың элементтері литий мен берилий сәйкес келеді, яғни литийдің 2 қабатының 5-қабатшасында 1 электрон (І5² 2«'), берилийде 2 элект-рон (І$^г 2$²) болады.

Сонымен 3-период аяқталады, ал 3-деңгей аяқтал-майды, өйткені оның әлі электрон орналаспаған д.-деңгейшесі бар. Бүдан кейінгі 2 электрон 4-периодтың элементтері калий мен кальцийдің 4-деңгейінің 5-деңгейшесіне орналасады:

і₉К Із^гр^Зр^з¹; гоСа І5²25²2р⁶35²3р⁶45²

Біз 20 элементтің атомдарында электрондар орналасу реті мен сол элементтердің периодтық жүйеде орналасу-ының арасындағы байланысты қарастырдық. Бүл элемен-ттердің барлыгы негізгі топшаларда орналасқан.

Негізгі топша элементтеріңде кезекті электрондар сыртқы қабаттың х-немесе р-деңгейшелеріне орналасады. х-деңгейшесінде 1-орбиталь, р-деңгейшесінде 3-орбиталь барлығы 4 орбиталь болады. Бір орбитальда ең көбі 2 электрон ғана орналасатындықтан, сыртқы қабатта 8 электроннан артық болмайды. Осыған байланысты негізгі топшалардың саны да 8-ге тең.

Келесі 10 электрон 3-деңгейдің орбитальдарьша орналасады. Бүл электрондарға 4-период-тың 10 элементтері сәйкес келеді. Бүлардың электрон-дық формулаларының схемасы мынадай және барлығы да қосымша топшаларда орналасқан:

\$²2$²2р⁶3$^гЗр⁶4$²4р⁶4_Я'-^ю.

Атом қүрылысы түрғысынан қарағанда қосымша топ-шаларды және олардың саны неге 10-ға тең екенін калай түсіндіруге болады?

Қосымша топша элементтерінің кезекті электрондары сырттан санағанда екінші деңгейдің с/-деңгейшелеріне ор-наласады, ал — деңгейше 5 орбитальдан түрады. Паули пршщипі бойынша бір орбитальда 2 электрон орналаса-тындықтан, г/-деңгейшесінің 5 орбиталында 10 электрон орналасады. Осыған сәйкес периодтық жүйедегі қосымша топшалардың саны да 10-ға тең. Келесі 6 электрон 4-дең-гейдің р-деңгейшелеріне орналасады да, оларга 4-период-тың бр-элементтері сәйкес келеді. Осымен 4-период аяқталады, ал 4 энергетикалық деңгей аяқталмайды, оның әлі электрондар орналаспаған й- және /-деңгей-

шелері бар.

5-кестедегі схема бойынша келесі 2 электрон 5-деңгейдің 5-деңгейшесіне орналасады, оларға 5-период-тың 5-элементтері рубидий мен стронций, ал келесі 10 электрон 4-деңгейдің с/-деңгейшесіне орналасады, оларға 5-периодтың косымша топшаларының 10 элементі сәйкес келеді. Келесі 6 электрон 5-деңгейдің р-деңгейшесіне орналасады да 5-периодтың 6 элементін "дүниеге" әке-леді. Сонымен 5-период аякталады, ал 5 энергетикалық деңгей түгіл 4-деңгей де аяқталмайды, оның әлі бос /-деңгейшесі бар.

87

Бесінші период элементтері атомдарының кезекті электрондардың орналасу схемасы төмендегідей болады:

15²2* ^З* ²3р⁶4*²3^⁰4р⁶5*'"² 4₉'-^|05р'^

Элементтер атомдарының деңгейлері мен деңгейше-леріңде электроңдар орналасу ретін ары қарай қарасты-рамыз. Келесі екі электрон (№ 55, 56) алтыншы дең-гейдің 5-деңгейшесіне орналасады да, оларға алтыншы периодтың негізгі топшаларында орналасқан цезий мен барий сәйкес келеді. Келесі кезекті электрон 5-дең-гейдің й?-деңгейшесіне орналасады да, оған периодтық жүйедегі № 57 элемент лантан сәйкес келеді.

5-кестедегі схема бойынша (« + /) = 7-ге 4-деңгейдің /-деңгейшесі, 5-деңгейдің деңгейшесі, 7-деңгейдің я-деңгейшесі сәйкес келеді. Клечковскийдің ережесіне сәйкес электрондардың орна-ласуы да осы ретпен жүре береді. Келесі 14 электрондар 4 деңгейдің /-деңгейшесіне орналасады да, олар 6-пери-одтың 14 /-элементтерін, ягни лантаноидтарды тудыра-ды.. Бүдан кейінгі кезекте 9 электрондар 5-деңгейдің */-деңгейшесінде орналасады да оларға 6-периодтың 9 і-элементтері сәйкес келеді. Келесі кезекті 6 электрондар 6-деңгейдің р-деңгейшесіне орналасады да 6 периодтың 6 р-элементтерінін болуын қамтамасыз етеді. Осымен 6-период аяқталады. 6-периодта бүрынғы қарастырылған 5, р, й-элементтерінен басқа 14 /-элементтер орналасады. Бүл элементтерде кезекті электрондар сырттан санағанда 3 деңгейдің /-деңгейшесіне орналасады. Олардың ва-ленттік электрондары сыртқы қататтың 5-деңгейшесінде сырттан санағанда екінші қабаттың қабаттың /-кабатшаларында орналасады. Бүл элементтер екінші қосымша тошпаларды, яғни 14 /-элементтер топ-шаларын түзеді. 6 периодта электрондардың орналасуы мынадай ретпен жүреді:

іі2И_Р*зіз_Р^л4із^⁰4р⁶5і4^⁰5р^іб5^,^зі^4/^і-^м

Келесі 2 электрон 7-деңгейдің 5-деңгейшесіне орнала-сады да оларға 7 периодтың I және II топтарының негізгі топшаларының элементтері франций мен радий сәйкес келеді. (л + 1)=8, 5-деңгейдің /-деңгейшесі, 6-деңгейдің келеді. Кезекті электрондар орналасуы да осы ретпен жүреді. Келесі бір электрон 7-периодтағы актинийдің 6-қабатының «/-қабатшасьша орналасады, онан кейінгі 14 электрондар осы периодтың /-элементтерінің 5 қабаты-

88

ның /-деңгейшесіне орналасады, онан кейінгі 2*/-электро-ндар курчатовий мен нильсборийдің 6 қабатының й-қабатшаларына орналасады. 7-период аяқталмаған, онда не бары 14 элемент бар.

Сонымен Клечковский ережелеріне сәйкес элемент атомдарьшың деңгейлері мен деңгейшелерінде электро-ндар мынадай ретте орналасады:

і **і**гр+ъі-*&-- ⁶4₅'-²з^-¹⁰

З^бр^і^Ш/^М

Элементтердің электрондық типтері. Периодтық жүйедегі барлық элементтер соңғы кезекті электронда-рының қай қабатшаға орналасуына байланысты 4 элект-рондық типке бөлінеді.

Элементтердің соңғы кезекті электрондары я-, р-, й-, /-қабатшаларға орналасуына байланысты $-, р-, й-, /-типтерге жатады.

Мысалы, натрийдің соңғы кезекті электроны сыртқы 3-қабаттың 5-қабатшасына орналасқандықтан, 5-типке, күкірттің соңғы кезекті электрондары сыртқы кабаттың р-қабатшасының орбитальдарына орналасқандықтан, р-типке, темір атомының соңғы кезекті электрондары сырт-тан санағанда екінші қабаттың қандықтан, «/-типке, церий элементінің атомының ке-зекті соңғы электрондары сырттан санаганда 3-кабаттың /-қабатшасына орналасқандықтан, /-типке жатады. Бүл айтылғандарды олардың электрондық формулаларынан айтқын көруге болады:

„Ыа І5^г25²2р⁶3х'

,₆5 І5²25²2р⁶2х²3р⁴

₂₆Ғе І5²2р²2р⁶35²3р⁶4х²3^г

звСе 1 ^'г^^гр^З^^Зр⁶^^²^^'⁰^^⁶^^²^^'^⁶^^²^/²

Д. И. Менделеевтің периодтық системасындағы I, II негізгі топшалардың элементтері 5-типке, III—VIII негіз-гі топшалардың элементтері р-типке, барлық қосымша топшалардың элементтері ^/-типке, лантоноидтар мен ак-тиноидтар /-типке жатады.

§ 10. ХИМИЯЛЫҚ ЭЛЕМЕНТТЕР ҚАСИЕТТЕРШІҢ ПЕРИОДТЫ ТҮРДЕ ӨЗГЕРУІ

Элементтердің химиялық қасиеттері олардың бір-бірімен реакцияласқан кездерінде байқалады. Элемент-

89


9-сурет.

Атомдар радиустарының элементтердіц

ретгік нөмірлеріне байланыстығы


тердің периодтық жүйесі бүл қасиеттердің заңды түрде өзгеретінін көрсетеді.

Элементтердің қасиеттері олардың атомдарының ра-диустарына, иондану потенциалдарына, электрон қосып алғыштығына және электр терістігіне байланысты.

Атомдар радиустары. Әлектрондардың толқындық қасиеттеріне байланысты атомдар мен иондардың нақты шегі болмайды. Сондықтан кристалдағы бір-бірімен хи-миялық байланыстар арқылы қосылған атомдар мен ион-дардың шартты радиустарын анықтайды.

Атомдар радиустарының мөлшері элементтердің ма-ңызды қасиеттеріне жатады. Элементтер атомдарының радиустары неғүрлым үлкен болса, оның сыртқы ва-ленттік электроңцары ядроға әлсіз тартылып оңай үзіліп кетеді, керісінше, элементтер атомдарының радиустары неғүрлым кіші болса, электрондар ядроға күшті тарты-лып түрады. •

Әр периодта элементтердің ядро зарядтарының өсуіне байланысты олардың радиустары кішірейеді, оны мына 2-период элементтерінің атомдары радиустарын мысалга алып көруге болады:

Ы Ве В С N О Ғ

Ядро заряды: +3 +4 + 5 + 6 +7 +8 +9

Атом радиусы нм 0,157 0,110 0,088 0,077 0,074 0,066 0,064

Бүл мысаддардан период бойынша элементтердің яд-ро зарядтарының өсуіне байланысты электрондардың яд-роға күшті тартылып атом радиусының кішірейетінін көруге болады.

Бірақ үлкен периодтардың менттерінің ядро зарядтарының өсуіне байланысты атом-дар радиустарының кішіреюі өте баяу жүреді. Бүл жағдайлар элементтердің ядро зарядтарының өсуіне бай-ланысты кезекті электрондардың санағанда 2 қабаттың «/-қабатшасына орналасуына, ал /-элементтерде сырттан санағанда 3 қабаттың /-қабатша-сына орналасуына сәйкес болатын а?-тығыздалуға және /-тығыздалуға байланысты болады.

Сонымен периодтарда солдан онға қарай элемент-тердің радиустарының кішіреюіне байланысты олардың металдық қасиеттері азайып, бейметалдық қасиеттері ар-тады.

Топшалар бойынша элементтердің ядро зарядтарының өсуіне байланысты олардың радиустары үлкейеді, өйткені жоғарыдан төмен қарай электрондық қабаттардың саны артады. Оны VII негізгі топша элементтерінің радиуста-рының мысалынан көруге болады:

90

ғ	С1	Вг	і
+ 9	+ 17	+ 33	+ 53
0,067	0,107	0,120	0,136

Ядро заряды Атом радиусы, нм

Периодтық жүйеде элементтердің ядро зарядтарының өсу ретімен олардың атомдарының радиустары да пери-одты түрде өзгеріп отырады (9-сурет). Периодтардың ба-сына орналасқан сілтілік металдардың радиустары үлкен болады да, ал элементтердің реттік нөмірлерінің өсуіне байланысты периодтардың аяғына қарай радиустары кішірейеді. Мысалы 2-периодта радиусы ең үлкен эле-мент литий, ал онан кейінгі элементтердің радиустары неонға қарай біртіндеп кішірейе береді, 3 периодтың ба-сындағы натрийдиң радиусы литийдікі сияқты үлкен бо-лады, ал осы периодтың аяғына қарай радиустары тағы да периодты түрде кішірейе береді т. с. с.

Элемент ионының радиусы оның атомының радиусы-нан өзгеше болады. Өйткені атом электрондарын беріп жіберуінен түзілген оң ионның радиусы кіші болады да, атом электрон қосып алудың нәтижесінде түзілген теріс ионның радиусы атом радиусынан үлкен болады. Эле-менттердің реттік нөмірлерінің өсуіне байланысты олар-дың иондарының радиустары да периодты түрде өзгеріп отырады.

91

Орыстың ұлы ғалымы Д. И. Менделеевтің еңбектерінің химия гылымын дамытудағы маңызы орасан зор. Ол 1869 жылы аса маңызды табиғат зацы — пери-одтық заңды ашып, химиялық элементтердің ғылыми жүйесін жасады. Өзінің "химия негіздері" еңбегіңде ол бірінші рет химияны периодтық заң негізінде баяндады. Д. И. Менделеев көп жылдық еңбектерінің нәтижесінде ерітінділердің химиялық теориясын жасады.

Орыстың аса көрнекті ғалымы А. М. Бутлеров 1861 жылы органикалық қосылыстардың химиялық қүрылыс теориясын жасады, бүл теория есепсіз көп органика-лық косылыстарды белгілі бір жүйеге келтіруге және органикалық химияның жедел дамуына жағдай жаса-ды. А. М. Бутлеров орыс химиктерінің ғылыми мектебінің негізін салды. Бүл мектептен Н. Д. Зелин-ский, В. В. Марковников, С. В. Лебедев т. б. сияқты аса ірі ғалымдар шықты.

Химия ғылымын дамытудағы Н. Н. Зининнің, А. А. Воскресенскийдің, Е. А Фаворскийдің, И. С. Кур-наковтың, Л. А. Чутаевтың, Г. И. Гесстің т. б. еңбек-тері зор болды.

Химия мен химия енеркәсібінің дамуы халық шаруа-шылығын химиялаңцыруды үздіксіз арттыруда мүмкіндігі зор.

Химияландыру дегеніміз — халық шаруашылығының барлық салаларында химиялық материалдарды, өнім-дерді, химиялық технология әдістерін біртіндеп және қарқынды енгізіп отыру. Химияландыру өндірісті жедел-детуге, еңбек өнімділігін арттыруға және оның тиім-ділігін көбейтуге жағдай жасайды. Химияландыру эко-номиканың, мәдениеттің, түрмыстың өскелең түтыну мүқтаждыгын қанағаттандырып отырады. Кешенді меха-никаландыру, автоматтандыру, электрлендірумен бірге химияландыру халық шаруашылығындағы ғылыми-техни-калық прогрестің маңызды бағытына жатады.

/ БӨЛІМ. ХИМИЯНЫҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕПЗДЕРІ

І-ТАРАУ.

ХИМИЯНЫҢ НЕГІЗГІ СТЕХИОМЕТРЛІК

ЗАНДАРЫ МЕН ТҮСШІКТЕРІ

§1. ХИМИЯНЫҢ НЕПЗГІ СТЕХИОМЕТРЛІК ЗАҢДАРЫ

Стехиометрия — әрекеттесетін заттардың арасыңдағы массалық және көлемдік қатынастарды қарастыратын хи-мияның бір бөлімі. "Стехиометрлік мелшер" деген үғым химиялық реакцияның теңдеуіцдегі немесе формуладағы заттың мөлшеріне сәйкес келеді. "Стехиометрлік есептеу-лерге" заттардың түрлері мен олардыц арасыцца жү-ретін реакция теңдеулері бойынша әр түрлі есептеулер және оған заттардың түрлері мен химиялық реакциялар-дың теңдеулерін қүрастыру да жатады.

Стехиометрияның негізін стехиометрлік заңдар қү-райды. Бүларға заттар массасыныц сақталу заңы, қүрам түрақтылық зацы, эквиваленттер заңы, еселік қатынас заңы, көлемдік қатынас заңы, Авогадро заңы жатады. Бүл зацдар заттардың атомдар мен молекулалардан түратынын және атом-молекулалық ілімнің дүрыс екенін дәлелдесе, ал атом молекулалық ілім стехиометрлік заңдардың мәцдерін толық түсіндіріп берді. Жоғарыдағы айтылған сипаттарына байланысты аса ірі табиғат заңы — Д. И. Менделеевтің периодтық заңы стехиометрлік заңдарға жатпайды.

Стехиометрлік заңдардың ішінде зат массасынын сақ-талу заңы барлық қосылыстардың арасындағы реакция-ларға, ал басқалары тек молекулалық қүрылысы бар химиялык қосылыстарға қолданылады.

§2. ЗАТ МАССАСЫНЫЦ САҚТАЛУ ЗАҢЫ

Орыстың үлы ғалымы М. В. Ломоносов 1748 жылы материяның сақталу заңын немесе энергия мен массаның сақталу заңын ашты:

"Табигатта болып жататын өзгерістердің мәні бір денеден қанша нәрсе кетсе, басқа денеге сонша барып қосылады; бір жерде біраз материя азайса, басқа жер-

9

де сонша материя көбейеди Бул табигаттың жалпы заңына қозгалу (ережелері) қубылыстары да багынады".

1905 жылы А. Эйнштейн материяның кез келген түрі үшін масса мен энергиянын арасындағы байланысты мына формуламен дәлелдеді:

Е = тс ²,

мүндағы Е — энергия, т — масса, с — вакуумдағы жа-рықтың жылдамдағы, ол 2,9979 • 10⁸ м/с-қа тең. Бүл формула бойынша эндотермиялық реакциядан түзілген заттар массасы қатысқан заттардың массасынан көп бо-луы, ал экзотермиялық реакциялар кезінде түзілген зат-тардың массасы қатысқан заттар массасынан аз болуы тиіс. Бірақ қандай да болмасын жылуды аса көп сіңіретін немесе көп бөлетін реакция жүрсе де сіңірілетін немесе бөлінетін энергия аз болғандықтан, ол әрекеттесетін заттардың жалпы массасына әсер етпейді. Мысалы, энергияны көп бөлетін реакцияларға нитрогли-цериннің қопарылуы жатады. 1 г нитроглицерин СзШЮгТОгһ қопарылыс бергенде 8 ■ 10³ Дж энергия бөлінеді, ал оған сәйкес келетін массаның азаюы _т = Е/с² = 0,89 ■ 10"^|0 г немесе 10*% тең болады. Бүдан химиялык реакцияларға қатысатын заттардың массасы өзгермей қалатынын көруге болады.

М. В. Ломоносов жабық түтіктерде металдарды то-тықтыру тәжірибелерінің нәтижелерін қорытындылай келіп, реакцияга түсетін заттардың массасы реакциядан кейін өзгермей қалатынын дәлелдеп, материя сақталу заңының жеке түрі — заттар массасы сақталу заңын аш-ты.

Заттар массасы сақталу заңының казіргі амықтамасы былай айтылады:

Реащияга тускен заттардың массасы реакция нәтижесінде тузілген заттардың массасына тең бола-ды.

Заттар массасы сақталу заңының мәнін былай түсіндіруге болады. Реакцияға қатысқан заттардың қүра-мында қандай атомдар қанша мөлшерде болса, реакция нәтижесінде шыққан заттардың қүрамында да сондай атомдар сонша мөлшерде болады. Химиялық реакциялар кезінде атомдар массалары өзгермейтіндіктен, реакцияға қатысқан заттардың массасы түрақты болады. Барлық

10

химиялық реакциялар заттар массасы сақталу заңына бағынады.

Заттар массасы сақталу заңының мысалы ретінде ли-тийдің оттегі арқылы тотығу реакциясының теңдеуін келтірейік:

41і + 0 г = 2Іі ₂0

6,94 ■ 4 + 15,999 ■ 2 = 6,94 ■ 4 + 15,999 • 2 59,758= 59,758

Бүл теңдеуден реакцияға төрт атом литий, екі атом оттегі қатысатынын, ал реакция нәтижеснде түзілген ли-тий оксидінің қүрамында да терт атом литий, екі атом оттегі бар екенін көруге болады. Олай болса, реакцияға қатысқан заттар мен шыққан заттардың қүрамындағы атомдардың түрлері мен сандары өзгермейтіндіктен, ре-акцияласқан заттардың массасы (59, 758) одан түзілген заттардың массасына (59, 758) тең болады.

Заттар массасының сақталу заңы химияның негізгі заңдарының бірі және оны пайдаланып, химиялық теңдеулер бойынша есептер шығарылады.

§3. ҚҰРАМ ТҰРАҚТЫЛЫҚ ЗАҢЫ

Заттар массасы сақталу заңы ашылуының химияны дамытудағы маңызы өте зор болды. Осы заңға сәйкес көптеген заттардың сапалық және сандық қүрамдары зерттеліп анықталды. Заттың қүрамы түрақты, әлде айнымалы бола ма деген мәселе төңірегінде XIX ғасырдың басында екі ғылыми пікір айтылды. К. Л. Бертолле заттың қүрамы айнымалы болуы тиіс десе, Ж. Л. Пруст заттың қүрамы түрақты болады деді. Бүл ғылыми айтыс жеті жылға созылып (1801—1808 ж.) негізінен молекулалық қүрылысты заттар зерттел-гендіктен, Ж. Л. Прустың пікірі қабылданып, ол қүрам түрақтылық заңын ашты. Ол заңның қазіргі анықтамасы былай айтылады.

Алыну жолына қарамастан молекулалық құрылыс-ты әрбір химиялық таза заттың сапалық және сан-дық қүрамы түрақты болады.

Мысалы, аммиакты мынадай әр түрлі әдістермен алуға болады:

п

N ₂ + ЗН ₂ = 2ЫН з

Ш ₄С1 + ИаОН = ИНз + Н ₂0 + ЫаСІ

ЬГН ₄С1 = ЫН з + НСІ

Бүл реакциялар теңдеулерінен аммиак қандай әдістермен альшса да сапалық қүрамы жағынан азот пен сутегінен, сандық қүрамы жағынан бір атом азоттан және үш атом сутегінен түратынын көреміз. Сондықтан оның массасы және қүрамындағы элементтердің про-центтік мелшерлері де түрақты болады.

Кейінгі зерттеулер қүрамы молекулалық газ және сүйық заттардың қүрамы түрақты, ал көптеген қатты заттардың (оксидтер, сульфидтер, хлоридтер т. б.) алы-ну жағдайына қарай қүрамы айнымалы екенін көреміз. Сонымен қазіргі кезде қүрамы түрақты заттарды даль-тонидтер, ал қүрамы айнымалы заттарды бертоллид-тер дейді. Сондықтан қүрам түрақтылық заңы қатты заттарға қолдануға келмейді. Мысалы титан (II) оксиді алыну жагдайына қарай ТіО о,в-ден ТіО ід-ге өзгереді, яғни қүрамы түрақты емес.

§4. ЕСЕЛІК ҚАТЫНАС ЗАҢЫ

1803 жылы ағылшын ғалымы Д. Дальтон еселік қатынас заңын ашты. Ол былай айтылады: егер екі эле-мент бір-бірімен бірнеше молекулалық қосылыс тузетін болса, онда бір элементтіқ белгілі бір түрақты масса-сына келетін екінші элементтіқ массаларынық өзара қатынасы кіші бутін сандардық қатынасындай болады.

Көміртегі оксидтері СО мен СО г-дегі көміртегінің 12 масса мөлшеріне келетін оттегі массалары өзара 16 : 32 = 1 : 2 қатынаста оттегінің 2 атомы болады.

Қүрамы айнымалы болып келетін молекулалық қүрылысы жоқ мына титан оксидтеріндегі ТіО ол - ізз ТЮ і_і45 - ^ ти-танның бірдей мөлшеріне келетін оттегі массаларының өзара қатынасы бүтін сандар болмай бөлшек сандар болып ке-леді. Бүл айтылғандардан еселік қатынас заңын қүрылы-сы молекулалық емес қосылыстарға қолданыла-тынын байқаймыз. ,

§5. ГАЗ КҮЙШІҢ ЗАҢДАРЫ

Газ күйін оның температурасы, қысымы және көлемі сипаттайды. Кез келген газ бөлшектерінің (атомдар мен молекулалар) өзіндік мөлшері, кеңістікте алатьш белгілі

12

бір көлемі болады және олар бір-біріне белгілі дәрежеде әсер етеді. Газ бөлшектерінің арасындағы өзара физика-лық әрекеттесу олардың қозғалу қабілетін азайтады. Газ зандары тек бөлшектерінің өз мөлшерлеріне қарағанда олардың ара қашықтықтары өте үлкен болатын және белшектері өзара әрекеттеспейтін сиретілген газдар үшін ғана қолданылады. Сондықтан ғылымда идеал газдар де-ген түсінік енгізілген. Бүл түсінік бойынша газдар бір-бірімен әрекеттеспейтін, мөлшері нөлге тең геометрия-лық ноқаттар деп есептелінеді. Реал газдарда молекула-лар арасындағы өзара тартылу мен тебісу қүбылыстары болады. Әрбір реал газ жеткілікті мөлшердегі жоғары температурада және төмендегі қысымда идеал газдарға жақындайды. Сондықтан идеал газ дегеннің орнына газ-дың идеалдық күйі деген дүрыс. Газдың физикалық күйін газ заңдары — Бойль-Мариотт және Гей-Люссак заңдары анықтайды.

Бойль-мариотт зақы. Түрақты температурада газдың массасындағы көлемі оның қысымына кері пропорционал тәуелділікте:

— = ^г немесе РУ = сопзі.

Уг Р\

Гей-люссак зақы. Түрақты қысымда газдың осы массадағы көлемі оның абсолюттік температурасына тура

V і Т пропорционал тәуелділікте болады: ■— = — немесе

- = сопзі. Көлемі түрақты (жабық ыдыстағы газ) газдың

қысымы оның абсолюттік температурасына тура пропор-ционал тәуелділікте:

^- = ~ немесе £ = сопзі.
Рг Тг '

Менделеев-клапейрон тендеуі. Бойль-Мариотт пен Гей-Люссак заңдарьш біріктіру арқылы газ көлемі (V), қасымы (Р) және температурасы (Т) арасындағы байла-нысты ернектейтін газ күйінің теңдеуі шығады:

Р\Ү\ РгТг „ РУ ЯоУо

Кез келген газдың бір молі үшін -ү-^ қатынасы

түрақты шама, сондықтан оны универсал газ турақтысы деп атап, К әрпімен белгілейді. Олай болса,

13

соңғы теңдеуге Я әрпін қойып, былай жазамыз:

РУ = ЯТ. Бұл теңдеу 1 моль газ үшін қолданылады, ал

зат мөлшері п моль газ үшін былай жазылады:

РУ = пЯТ. Зат мөлшері зат массасын (т) оның мольдік

массасына (М) бөлгенге тең болғандықтан, оны былай

жазуға болады: РҮ = -£ ЯТ. м

Теңдеудегі универсаль газ түрақтысышың дан мәні

қысым мен келемнің қаңдай өлшем бірліктерімен алыну-

ына байлансты. Егёр көлем текше метрмен, ал қысым

паскальмен альшса, /? = 8,31 Дж/моль • К. Егер көлем

литрмен, қысым мегапаскальмен (МПа = 10⁶ Па) алынса,

Я = 0,083 л.МПа/Моль ■ К болады. Теңдеудегі Кельвин-

мен (К) өлшенген абсолюттік температура (Т) мен

Цельсия (°С) арсындағы байланыс: Г(К) = (СС) + 273.

Кейде есептеулер жүргізу үшін лаборатория жағдайында

альшған газдың көлемін қалыпты жағдайға келтіру ке-

рек болады (температура 273 К, қасым 101,325 КПа).

Бүл жағдайда жоғарыдағы Клапейрон теңдеуін былай

жазады:

Үлестік (парциальдық) қысым. Кей жағдайда зерт-теліп отырған газ түтіктегі су бетінде жиналады да су буларымен канығады. Сондықтан да газдың нақты қысымын табу үшін су буы қысымын есепке алу керек. Мүндай газ қоспасында әр газдың өзінің үлестік (парци-альды) қысымы болады, ол Дальтонның үлестік қысымы заңына багынады: газ қоспасының қысымы оны қурай-пгын және бір-бірімен әрекетптеспейтін газдар қысым-дарының қосындысына тең.

Бүл заңнан шығатын қорытынды: су бетіне жи-налган газдың қысымы жалпы атмосфералық қысым-нан су буы қысымын алып тастаганеа тең. Осыны есепке алып жоғарыдағы газ көлемін қалыпты жағдайға келтіру формуласын былай жазамыз:

Уо = (Р ,тм - Р субуы) • V ■ Т₀/РоТ.

§6. КӨЛЕМДІК ҚАТЫНАС ЗАҢЫ. АВОГАДРО ЗАҢЫ

Реакцияға қатынасқан және оның нәтижесінде түзілген газдардың көлемдерін зерттей келіп, француз ғалымы Гей-Люссак газдардың келемдік қатынас заңын ашты.

14

Реакцияга қатынасқан газдардың көлемдерінің өза-ра қатынасы және олардың реакция нәтижесінде тузілген газдардың көлемдеріне қатынасы кіші бутін сандардың қатынасындай болады.

Мысалы 1 көлем сутегі мен 1 көлем хлор әрекет-тесіп, 2 көлем хлорсутегін түзеді, екі көлем сутегі мен бір көлем оттегі әрекеттесіп, 2 көлем су буын түзеді т. б.

Гей-Люссак Дальтонның қандай заттар болса да атомдардан түрады деген қағидасын пайдаланып: бірдей жагдайда газдардың бірдей көлемдеріндегі атомдар са-ны бірдей деп қорытынды жасады. Осы түрғыдан алып қарағанда хлордың 1 көлемі мен сутегінің 1 көлеміндегі атомдар саны бірдей болса, олардың әрекеттесуінен 1 көлем хлорсутегі түзілген болар еді, бірақ реакция нәтижесінде 2 көлем хлорсутегі түзіледі. Сөйтіп, Гей-Люссактың жорамалы тәжірибе арқылы дәлелденбеді. Дегенмен заңы Италян физигі А. Авогадроға газдар мо-лекулалардан түруы мүмкін деген ой салды.

1811 жылы А. Авогадро кейін заңға айналған гипо-тезасын үсынды:

Бірдей жагдайда (бірдей температура мен қысым-да) әр турлі газдардың бірдей көлемдеріндегі молекула-лар саны бірдей болады.

Авогадро газ тәрізді жай заттардың молекулалары екі атомнан түрады деп көрсетті.

Авогадро заңы бойынша газдардың қарапайым кө-лемдік қатынастары оңай түсіндіріледі. Мысалы, сутегі мен хлор молекулалары екі атомнан түратындықтан, 1 көлем сутегі мен 1 келем хлордың әрекеттесуінен 2 көлем хлорсутегі түзіледі:

Н ₂ + С1 _г = 2НС1 1:1:2

§7. АТОМ-МОЛЕКУЛАЛЫҚ ІЛІМНІҢ НЕГІЗП ҚАҒИДАЛАРЫ

Атом-молекулалық ілімнің ғылыми негізі XVIII ғасырдың ортасы мен XIX ғасырдың басы аралығында жасалды. Орыстың үлы ғалымы М. В. Ломоносов өзінің 1741 жылы шыққан "Математикалық химия" деген еңбегінде атом-молекулалық ілімнің негізгі қағидаларын былай түжырымдады:

15





1. Барлық заттар корпускулалардан (молекулалар-
дан) турады.

2. Корпускулалар (молекулалар) элементтерден
(атомдардан) турады.

3. Бөлшектер — молекулалар мен атомдар унемі
қозгалыста болады.

4. Жай заттардың молекулалары бірдей атомдар-
дан, курделі заттың молекулалары әр турлі атомдар-
дан турады.

М. В. Ломоносов өмір сүрген кезден кейінгі көп жылдардың ішінде ол үсынған ілім жан-жақты тек-серіліп, оның дүрыс екендігі дәлелденді. Атом-молекула-лық ілім химияға толықтай XIX ғасырдың орта кезінде енді. 1860 жылы Карлсруэде өткен химиктердің Хал-қаралық съезінде молекула мен атомның анықтамалары қабылданды.

Молекула дегеніміз осы заттың химиялық қасиет-терін сақтап туратын ең кіші бөлшегі. Молекуланың өзі атомдардан турады.

Атом элементтің химиялық қасиеттерін сақтап туратын ең кіші бөлшегі.

Элементтің химиялық қасиеттері оның қүрылысына байланысты. Осы түрғыдан казір атомға мынадай анық-тама беріледі.

Атом — оң зарядталган атом ядросынан және теріс зарядталган электрондардан туратын электр-нейтрал бөлшек.

Әр түрлі молекулалардың қүрамына әр түрлі санды атомдар кіреді. Мысалы инертті ғаздардың молекулалары бір атомнан, оттегі, фтор молекулалары екі атомнан, көміртегі (IV), күкірт (IV) оксидтері үш атомнан түра-ды.

Қазіргі кездегі көзқарас түрғысынан караганда газ тәрізді және бу күйіндегі заттар молекулалардан түрады. Мысалы, су, аммиак, көптеген органикалық заттар мо-лекулалық қүрылысты. Көптеген анорганикалық қатты және сүйық заттардың молекулалық қүрылысы болмай-ды, олар иондардан немесе атомдардан түрады. Мысалы, түздар мен оксидтер иондардан, алмаз бен кремний атомдардан түратын макроденелер. Бүл заттардың қасиет-тері олардың қүрамына кіретін иондардың немесе атом-дардың жиынтық қасиеттеріне байланысты болады.

&

^

V

§ 8. ХИМИЯЛЫҚ ЭЛЕМЕНТТЕР. ЖАЙ ЖӘНЕ КҮРДЕЛІ ЗАТТАР

Химиялық элемент деп белгілі бір қасиеттер жиын-тығымен сипатталатын атомдардың белгілі бір түрін айтады. Қазіргі кезде 107 химиялық элемент белгілі.

Осы химиялық элементтер белгілі бір жағдайларда бір-бірімен әрекеттесіп, әр түрлі қосылыстар түзеді. Бүл қосылыстарды қүрамына қарай ж а й және к ү р д е л і заттар деп бөледі. Жай заттар бір элементтің атомынан түзіледі. Мысалы, жай зат мыс — мыс атомдарынан, хлор — хлор атомдарынан түрады.

Күрделі заттар әр түрлі элементтердің атомдарынан түрады. Мысалы, күкірт қышқылы Н28О4 күрделі зат, өйткені ол әр түрлі элементтердің — сутегі, күкірт және оттегінің атомдарынан түрады. Химиялық элементті жай заттан айыра білу керек. Мысалы жай заттар: мыс қызыл түсті, оттегі түссіз газ, ал осы екі жай затты кыздырғанда әрекеттесіп күрделі зат мыс (II) оксидін түзеді. Бүл мыс (II) оксидінің қүрамына кірген мыс өзінің қызыл түсін, соғылғыштығын жояды, сондай-ақ оттегі оксидте газ күйінде болмайды. Мыс (II) оксидінде мыс — мыс элементі, оттегі — оттегі элементі түрінде бо-лады. Тиісті реакциялардың жәрдемімен мыс (II) ок-сидінен мыс және оттегі жай заттары бөлінеді.

Көптеген химиялық элементтер бірнеше жай заттар түзеді. Бүлар бір-бірінен өздерінің қүрылысы және қасиеттері арқылы ажырайды. Бір элементтің бірнеше жай заттар түзуін аллотропиялық қубылыстар дейді, ал түзілген жай заттарды аллотропиялық тур өзге-рістер дейді.

Мысалы, көміртегі химиялық элементі алмаз, гра-фит, карбин деп аталатын үш жай зат түзеді. Алмаз — мөлдір, ете қатты, графит — сүр түсті, майлы тәрізді, үйкегенде із қалдыратын жүмсақ, ал карбин — аморфты күйе тәрізді заттар. Үшеуі де көміртегінен түратын бүл жай заттардың физикалық қасиетіндегі айырмашы-лықтар, олардағы көміртегі атомдарының орналасу ретіне байланысты.

§9. ЭЛЕМЕНТТЕРДЩ САЛЫСТЫРМАЛЫ АТОМДЫҚ МАССАСЫ

Қазіргі ғылым дамуының нәтижесінде абсолюттік мәні өте аз атомдық массаларды анықтау мүмкін болды. Атомдардың массаларын өзіміз жиі қолданатын (грамм,

мемлекеттік #і

ҒЫЛЫМИ К! 1А

килограмм) өлшемдерімен көрсетсек, олар өте кіші сан-
дар болар еді. Мысалы сутегі атомының массасы
1,67 • 10 кг, көміртегінікі—19,93 • 10 ~²⁷ кг, от-

тегінікі — 26,60- 10~^2Г кг. Элементтер атомдары масса-сының мұндай аз мәндерін еске үстау және оларды пайдаланып әр түрлі есептер шығару өте қолайсыз. Со-ндықтан химияда атомдар массаларының абсолюттік мәндерінің орнына салыстырмалы атомдық массалары қолданылады.

1961 жылы халықаралық келісім бойынша атом мас-сасының өлшемі ретінде массаның атомдық бірлігі (қысқаша м. а. б.) қабылданды. 1 массаның атомдық бірлігі көміртегі атомы массасының 1/12 бөлігіне тең, яғни, 1,66- 10 ~ ' кг-ға тең. Элемент атом массасының абсолюттік мәнін массаның атомдық бірлігіне бөлу неме-се онымен салыстыру арқылы оның салыстырмалы атом-дық массасын табады. Мысалы, осы әдіспен табылған сутегінің, көміртегінің, оттегінің салыстырмалы атомдық массаларын (Аг) жазамыз:

Аг(Н)=^ЦЫ0"/ = 1; Аг(С) = ¹⁹'⁹³ " ¹⁰~" = 12;

1,66 • 10 кг 1,66 • 10 ~²

А_/Гк\ 26,60 • 10 КГ _1Л.

Аг(О) = г-27— = 16;

1,66 10 КГ

Барлық химиялық элементтің салыстырмалы массала-рьш осы әдіспен табады. Элементтің салыстырмалы атомдық массасы сол элемент атомы массасының кө-міртегі атомы массасының 1/12 бөлігінен неше есе ауыр екенін көрсететін сан.

Элементтің салыстырмалы атомдық массасы елшемсіз сан және оның Аг әріптерімен белгіленетін себебі ағылшынша геіаііуе деген сөз, "салыстырмалы" деген үғым береді. Массаның атомдық бірлігімен (м. а. б.) көр-сетілген элемент атомының массасынан оның салыстыр-малы атомдық массасының өлшемсіз шамасын ажырата білу керек. Элемент атомының массасын (т_а) оның са-лыстырмалы атомдык массасын (Аг) массаның 1 атом-дық бірлігіне көбейту арқылы табады. Мысалы, жоға-рыда келтірілген элементтер үшін оны былай табады:

т„(Н) = 1-1 м. а. б. =1 м. а. б; т„(С) =12 1 м. а. б. = 12 м. а. б т„(0) = 16 • 1 м. а. б. = 16 м. а. б.

!8

Элементтің салыстырмалы атомдық массасы — оның негізгі сипаттамаларының бірі. Элементтердің салыстыр-малы атомдық массалары Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесінде келтірілген.

§ 10. ЗАТТАРДЫҢ САЛЫСТЫРМАЛЫ МОЛЕКУЛАЛЫҚ МАССАСЫ

Заттың салыстырмалы молекулалық массасы дегеніміз оның молекуласы массасының көміртегі атомы массасы 1/12 бөлігінен неше есе ауыр екенін керсететін сан. Зат-тың салыстырмалы молекулалық массасы оның қүрамына кіретін элементтердің салыстырмалы атомдық массалары-ның қосындысына тең.

Содндықтан да заттың формуласы арқылы оның са-лыстырмалы молекулалық массасын есептеп шығару қиын болмайды. Мысал ретінде ортофосфор қышқылы-ның салыстырмалы молекулалық массасын анықтайық:

Аг(Н) =1-3 = 3

Аг(Р) = 31 - 1 = 31

Аг(О) = 16 • 4 = 64

Мг(Н₃РО„) = 3 + 31 + 64 = 98.

Ал заттың молекулалық массасын (т_т) табу үшін оның елшемсіз санмен алынған салыстырмалы молекула-лық массасын массаның 1 атомдық бірлігіне кебейтеді. Мысалы осы әдіспен ортофосфор қышқылының молеку-лалық массасын былай табады:

т_га(Н₃Р04) = 98 • 1 м. а. б. = 98 м. а. б.

§11. МОЛЬ. МОЛЯРЛЫҚ МАССА. МОЛЬДЫҚ КОЛЕМ

Зат мелшерінің елшем бірлігі ретінде химияда моль қолданылады. Заттар молекулалардан, атомдардан немесе иондардан түруы мүмкін. Заттағы қүрылымдық белшек-тердің мелшерін моль арқылы анықтайды.

Моль дегеніміз массасы 12-ге теқ көміртегі ато-мының 0,012 кг қанша атомдар болса, цурамында сон-ша қурылымдық бөлшектер — молекулалар, атомдар немесе иондар болатын зат мөлшері.

Массасы 0,012 кг кеміртегінде 6,02 • 10²³ атом бола-тыны анықталды. 6,02 ■ Ю²³ белшекті Авогадро саны

19

жүктеу/скачать 5,53 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: