Химиялық элемент мәселесі

Химиялық қосылыстар қурылымы

Химиялық процестер ілімінің мәселелері

ХИМИЯЛЫҚ ЭЛЕМЕНТ МӘСЕЛЕСІ

Ғылымдағы химиялық элемент мәселесі адам баласының та-биғаттың алғашқы негізін — алғашқы элементті табуға деген умтылысынан пайда болды. Бүл мәселені шешу екі мың жылдай уақытты алды. Тек XVII ғасырда Р.Бойль химиялық элементтің бір күрделі дененің қүрамынан екінші бір дененің қүрамына өзгөріссіз өте алатын, заттың химиялық ыдырауы нәтижесінде байқалатын қарапайым зат екендігін ашты. Бірақ химиктер химиялық элемент де-генге анықтама бергенмен, олардың бірде-біреуін білмеді. Сол кездегі белгілі металдарды — темірді, қорғасынды, мысты күрделі денелерге жатқызды да оларды қураушы элементті — флогистон деп атады. Осылайша флогистон теориясы пайда болды. Флогистон теориясы негізінде шындыққа жуыспағанмен, соңында нақты қорытындыларға әкелген кейбір зерттеулерге бастама болды.

Бүндай нақты қорытынды жасаған Д.И.Менделеев болды. Ол хи-миялық элементтің көрсеткіші — күрделі дененің ыдырауын көрсететін тәжірибе емес, керісінше, берілген элементтің атом ядросының заря-дымен анықталатын периодтық жүйедегі орыны екендігін дәлелдеді. XX ғасырда физика кез келген элеметтің атомының курделі қүрылымын ажыратуға көмектесті. Атом — оң зарядталған ядро мен теріс зарядталған электрондық қабықтан түратын біртүтас кванттық-механиалық жүйе, элементтің реакцияға қабілеттілігі электрондар са-нына байланысты. Химиялық көзқарас бойынша, ең төменгі атомдық салмақтағы және сыртқы электрондық деңгейінде 6-7 электрондары бар бейметалдар ең белсенділер болып шықты, олар жетпейтін элек-трондарды қосып алу арқылы өздөрінің электрондық қабығын то-лықтырып қуруға тырысады. Сол сияқты атомдық масалары үлкен және сыртқы электрон қабығында 1-2 электрондары бар металдар да белсенді, өйткені олар артық 1-2 электрондардың беруге тырысады. Осыған байланысты химияда валенттілік ұғымы — атомдардың химиялық байланыс түзуге қабілеттілігі қалыптасқан.

ХИМИЯЛЫҚ ҚОСЫЛЫСТАР ҚҰРЫЛЫМЫ

Валенттілік туралы түсінік — А.М.Бутлеровтың химиялық құрылым теориясының негізгі бөлігін құрады. Буның өзі -химиялық байланы-стардың молекула қурылымындағы атомдардың өзара әсерімен бай-ланысты болатын энергетикалық бай эквиваленттілігін анықтайды. Осыған байланысты валенттілік-химиктер үшін органикалық заттарды синтездеу тәжірибесінде негізгі басшылық ететін қурал болды. А.М.Бутлеровтың химиялық қүрылыс теориясы дайын заттардың хи-миялық қурамын зерттеумен айналысатын аналитикалық химиядан -жаңа заттар алуға болатын синтездеу химиясына айналуға мүмкіндік берді.

Бул теория химиялық элементтердің валенттілігін атомға қатысты байланысу бірліктерінің саны ретінде көрнекті түрде көрсетіп берді:

Әр түрлі химиялық элементтердің атомдарын байланысу бірліктері арқылы топтап, кез келген химиялық қосылыстың курылымдық формуласын жасауға болады.

Ал бұның өзі — химик кез келген химиялық қосылыстың (белгілі және белгісіз) жобасын жасай алатындығын немесе белгісіз қосылысты болжамдауға мүмкіндігі бар екендігін көрсетеді.

Осының нәтижесінде химиктерде тек қана энтузиазм ғана емес, ор-ганикалық синтез саласындағы тәжірибелердің оңды нәтиже бе-ретіндігіне деген сенім пайда болды.

«Органикалық синтез термині» XIX ғасырдың 60-80 жылдарында пайда болды. Бул уақыт химияда органикалық синтез теориясының жоғарғы сатыға көтерілген уақыты болды. XIX ғасырдың екінші жарты-сында қайтадан синтезделген органикалық қосылыстар саны жарты миллионнан мөлшермен 2 миллионға дейін көбейді.

Бірақ құрылымдық химия тек қана зат молекулалары туралы мәліметтермен ғана шектелген, ал бул мәліметтер заттардың айналу процесін басқару үшін жеткілікті емес. Органикалық синтез реакциясы-ның көпшілігінің өнім шығару дәрежесі төмен, көп қалдықтар мен ілеспе өнімдер шығаратындықтан, өндірісте қолдануға келмейді. Оның

үстіне ондай синтез шикізат көзі ретінде сирек кездесетін белсенді реагенттер мен ауыл шаруашылығы өнімдерін қажет етеді, ал бул эко-номикалық жағынан өте тиімсіз.

Бірақ бұл жағдай қүрылымдық химияның рөлін төмендете алмай-ды, өйткені оның үлкен жетістіктері көп: жоғары механикалық беріктігі бар, температураға төзімді және узақ уақытца пайдалануға болатын материалдар алу ушін кристалдар синтезінің жолдарын қарастыруда.

ХИМИЯЛЫҚ ПРОЦЕСТЕР ІЛІМІНІҢ МӘСЕЛЕЛЕРІ

Химия дамуының жаңа деңгейіне қазіргі кезде химияға да, физи-каға да бірдей қатысы бар химиялық процестер туралы ілім көтерілді. Бұл ілімнің негізін қалаушылардың бірі — Нобель сыйлығының лау-реаты Н.Н.Семенов. Ол 1965 жылы өзінің Нобельдік лекциясында хи-мия ғылымының күрделі екендігін көрсететін, химияның физикадан айырмашылығын аныцтайтын химиялық процесс қубылысы екендігін айтты. Химиялық процесс электрон, протон, атом, молекула сияқты қарапайым физикалық түсініктерден тірі жүйеге көтерілудің алғашқы баспалдағы болып табылады. Өйткені, тірі организмнің кез келген клеткасы, шын мәнінде өзіндік бір күрделі реактордың рөлін атқарады. Бұл — физикалық объектілерден биологиялық объектілерге өтудің көпірі тәрізді.

Көптеген химиялық реакциялар стихиялы түрде өтеді. Оларды бақылауға алу мүмкін емес: кейде оларды жүргізу мүмкін емес, ал кей-де тоқтату қиын (жану мен жарылыс), ал үшінші бір жағдайда қажетті арнаға бұру мүмкін болмайды, себебі олар өз бетімен бірнеше күтпеген бөлімдерге бөлініп кетеді. Ең жалпы түрде химияльщ процестерді басқарудың әдістерін термодинамикалық және кинетикалыц деп бөлуге болады, ал соңғыларының арасында басты рольді катализдік әдістемелер атқарады.

Химиялык термодинамикалық химиялық процестер туралы ілім де жеке бағыт болып бөлінуі — 1884 жылы голланд химигі Вант-Гофтың «Химиялық динамика бойынша очерктер» атты еңбегінің шығуымен байланысты болды. Бұл еңбекте химиялық реакциялардың жүру бағытының температура өзгерісі мен реакцияның жылу әффектісіне тәуелділігін анықтайтын заңдар негізделген. Сол кезде М.Шателье өзінің    «жылжымалы    теңсіздік    принципін»    ұсынды. Реакцияны басқарудың негізгі рычагтары (иінтіректері) температура, қысым, реак-цияға түсетін заттардың концентрациясы.

Әрбір химиялық реакция жалпы алғанда қайтымды деп есепте-леді, бірақ тәжірибе көрсеткендей, реагенттердің табиғаты мен про-цестін жүру жағдайына байланысты реакция тепе-теңдігі бір жаққа қарай ауысып отырады. Ерекше басқаруды қажет етпейтін реакциялар бар: қышқылдық — негіздік реакциялар (нейтралдау), ал көптеген реак-циялардың тепе-теңдігі бастапқы заттарға қарай, солға ауытқитын реакциялар да бар. Оларды жүргізу үшін ерекше термодинамикалық иінтірек (рычаг) қажет. Химиялық реакциялардың жүруіне әсерін тигізетін құрылымдық-кииетикалық факторларға:

1) бастапқы реагенттердің құрылымы; .

2)   олардың концентрациясы;

реакторлардағы катализаторлар мен басқа устеме қоспалардың болуы;

реагенттерді араластыру тәсілі;

реактордың материалдары мен жобасы жатады.

Реакторлық жүйені зерттеу мәселесі өте күрделі. Өйткені, тек қана екі ғана реагёнттің химиялық байланысын емес, үшінші, тіпті одан да көп «денелердің» химиялық байланысын қарастыруға тура келеді. Химиялық реакциялар тек қана бастапқы реагенттердің ғана қарапайым әсерлесуі емес, реагенттер реакторлар қабырғаларымен де әрекеттеседі, олар кейде реакцияларды жылдамдатып, кейде, керісінше баяулатуы мүмкін.

Катализ химияда нағыз кереметтерді жасайды. Мысалы аммиак синтезін алайық. 1913 жылға дейін оны жүргізу мүлдем мүмкін емес болды. Бул реакцияны катализатор табылғаннан кейін жоғары температура мен қысым жағдайында жүргізудің мумкіндігі туды. Бірақ технологиялық түрғыдан бул реакция өткен қиын да қауіпті болды. Ал қазіргі уақытта оны қалыпты қысым мен бөлме температурасы жағдайында жүргізуге болатын мүмкіндік ашылды. Буған металды органикалық катализаторларды пайдалану арқылы қол жетті.

Катализаторларды қолдану химия өнеркәсібінде түбегейлі өзгеріс жасады. Олардың арқасында органикалық синтез үшін шикізат ретінде бурын «өлі зат» ретінде есептеліп келген парафиндер мен циклопара-финдерді пайдалану мүмкіндігі туды. Катализ маргарин тағы басқа тамақ енімдері мен өсімдіктерді қорғауға арналған заттарды алуда негіз болып саналады.

Негізгі химияның өндірісі (бейорганикалық қышқылдар, негіздер, тұздар алу) және «ауыр органикалық синтез, жанар-жағармай алу ката-лизге негізделген. Химияның 60-80% катализдік процеске тәуелді.

Бірақ катализдің өзі табиғаттың жасырын жұмбағы ретінде ңаяа берді, химия мен физикада ол туралы әр түрлі теориялар бар.

Қазіргі кезде катализдің мәні туралы кейбір қорытындылар жасуаға болады:

1) Реакцияға түсетін заттар катализатормен әрекеттеседі:

Әрекеттесудің нәтижесінде химиялық байланыстар әлсірейді.

Егер реакцияға катализатор қолданылмаса, әрекеттесетін заттар Э-дың молекулаларының белсенділігі реакторға сырттан энергия енгізу арқылы жүзеге асады.

2) Жалпы жағдайда кез келген катализдік реакцияны әлсіреген хи-миялық байланыстардың таралуы жүретін аралық комплекс ретінде қарастыруға болады:

3) Көпшілік жағдайда катализатор есебінде әлсіреген химиялық байланыстары бар, тіпті бос валенттіліктері бар аралас құрамды қосылыстар — бертоллидті қосылыстар қолданылады. Олардың молекулалары әр түрлі энергетикалық байланыста болады, кейде бетінде бос атомдар кездеседі.

4) Реагенттердің катализатормен әрекеттесуінің нәтижесі болып реакцияның берілген бағытта жүруі қарастырылады. Сонымен бірге, катализатор бетінде реакцияға түсетін молекулалар санының көбеюі арқылы реакция жыпдамдығы артады.

Қазіргі кезде химия үшін биологиялық принциптерді қолдану маңызды мәселе болып саналады дегенбіз.

60-шы жылдары реакция барысында кәдімгі катализаторлардың жумыс белсенділігі төмендегі, жарамсыз болып қалуына байланысты, оларды өздігінен жетілдіру жағдайы ашылды. «Өздігінен уйымдасу» деген түсінік — динамикалық жүйелердің жоғары дәрежеде күрделеніп, жүйелі тәртіпке енуімен сипатталатынын еске түсіруіміз керек.

Өздігінен уйымдасудың нәтижесінде катализаторлардың бел-сенділігінің артуы бірнеше сатыдан өтті.

Дүниенің химиялық эволюциясының алғашқы кездерінде катализ   мүлдем   болмады.   Жоғары   температура   (5000°С-тан   жоғары), жоғары электр разрядтары мен радиация жағдайы бір жағынан, екінші жағынан энергетикалық кедергілер әсерін тигізеді.

Катализдің алғашқы пайда болшуы жағдайдың жұмсартылып, алғашқы қатты денелердің шығуымен байланысты болды.

Катализатордың рөлі физикалық жағдайлар жердегі жағдайларға жақындаған кезде өсті. Бірақ катализдің жалпы маңызы күрделі органикалык, молекулалар пайда болғанша аса жоғары болмады.

Химиялық жүйелер дамуындағы катализдің рөлі органикалық және бейорганикалық қосылыстардың сандық минимумына жеткеннен кейін фантастикалық жылдамдықпен өсті.

1964 жылы МГУ профессоры А.П. Руденко усынған элементарлық анық катализдік жүйелердің өздігінен даму теориясы химиялық эво-люция мен биогенездің жалпы теориясы болып есептеледі.

Бүл теория бойынша, химиялық эволюция катализдік жүйелердің өздігінен дамуын білдіреді, сондықтан, эволюция жасаушы зат болып — катализатор саналады. Реакция барысында ең жоғары белсенді ка-тализдік орталықтардың табиғи сурыпталуы басталады. Катализдік жүйелердің өздігінен дамуы, өзіндік ұйымдасуы, өз бетінше күрделенуі тасымалданатын энергияның үздіксіз ағыны арқылы жүзеге асады.

Анализ катализдік жүйелердің өздігінен даму теориясының тәжірибелік нетижесі — реакция жағдайлары өзгеріп тұратын технология.

Бүгінгі күнде жаңа химияны жасау мен дамытудың болашағы айқын — оның негізінде аз қалдық бөлетін немесе қалдықсыз, энергия үнемдеуші өндірістік технология дамиды.