1.Атом және молекула жайындағы түсiнiк. Химиядағы атом-молекулалық iлiмнiң негiзгi қағидалары.

Денелер заттардан тұрады, ал заттар неден тұрады? Осы сұрак ертеден-ақ ғалымдарды толғандырған. Солардың бірі - Демокрит ғылымға «атом» деген түсінікті енгізген, ол грекше «бөлінбейтін» деген мағынаны білдіреді.

Атом-молекулалық ілімнің қалыптасып дамуына өз заманында М.В. Ломоносов, А. Авогадро, Д. Дальтон, И.Я. Берцелиус, т.б. ғалымдар үлкен үлес қосты. Aтом мен молекула түсініктеріне нақты анықтама беріліп, атом-молекулалык ілімнің негізі 1860 жылы қаланған. Германияның Карлсруэ қаласында химиктердің халықаралық съезінде осы ілім қабылданды. Заттың қасиетін сақтайтын ең кіші бөлшек «молекула» деп аталатыны сендерге белгілі. Ал молекулалар атомдардан тұрады. Молекулалар химиялық реакциялар кезінде бөлінеді, ал атомдар бөлінбейді.

Темір ұнтақтары мен күкірт арасындағы реакцияны қарастырайық. Ұнтақталған темір қара-сұр түсті магнитке тартылатын қатты зат, ал күкірт сары түсті ұнтақ. Енді осы ұнтақтарды араластырып алып магнитті жақындатсак, темір магнитке тартылады да күкірт қалып қояды, яғни қоспаның құраушылары өз қасиеттерін сақтайтынын көреміз. Енді дәл осындай қоспаны көрлен табақшаға салып кыздырсақ (белгілі бір салмақ қатынасын сақтап) қоспа түсін өзгертіп, қара түсті біртекті массаға айналады. Мұндағы темір магнитке тартылмайды, яғни қыздыру нәтижесінде темір мен күкірт өзара әрекеттесіп жаңа затка айналғанын кереміз. Реакцияға қатысқан темір ұнтактары мен күкірт бірдей атомдардан құралған жай заттар болса, реакция нәтижесінде алынған темірдің күкіртпен қосылысы күрделі зат, ол әр түрлі атомдардан тұрады.

Жай зат бірдей атомдардан тұрады. Күрделі зат әр түрлі атомдардан қүралады. Қоспа әр түрлі зат молекулаларынан, ал қосылыс бір зат молекулаларынан тұрады. Молекула заттың қасиетін сактайтын ең кіші белшегі. Aтом молекуланы құрайтын химиялық жолмен бөлінбейтін бөлшек.

Атом-молекулалық ілімнің негізгі қағидалары 1. Заттар молекулалардан, ал молекулалар атомдардан түрады. 2. Атомдар жөне молекулалар үздіксіз козғалыста болады. 3. Химиялык реакциялар кезінде молекулалар бүзылады, ал атомдар сакталады. 4. Бір элемент атомдары өзара бірдей, бірак кез келген басқа элемент атомдарынан езгеше болады. Сол сиякты бір зат молекулалары өзара бірдей, ал басқа заттың молекуласынан өзгешелігі бар.

2. Заттар массасының сақталу заңы. Құрам тұрақтылық заңы

Заттар массасының сақталу заңы Реакцияға қатысқан заттардың массасы реакция нәтижесінде шығатын өнімдер массасына тең. М.В. Ломоносов бұл заңды 1748 – 1756 ж.ж. ашты. Химия осы заң ашылғаннан кейін сапалық түрден сандық ғылымға айналды. Әрекеттесу кезінде жүйенің энергиясы тұрақты болады, тек бір түрден басқа түрге көшеді. Реакция нәтижесінде энергия бөлінеді немесе сіңіріледі, яғни реакция өнімдеріндегі энергия қоры басқа заттардың энергиясымен салыстырғанда аз немесе көп болып келеді. Химияда заттағы энергия қоры құрамында жылуы бар бөлінетін немесе сіңірілетін энергияны жылу деп атайды. Осы заң негізінде химиялық реакцияның жылу эффектісін зерттейтін бөлімін химиялық термодинамика деп атайды. Өнеркәсіпте энергия сақталу заңы негізінде жылу балансы жүргізіледі. Құрам тұрақтылық заңы: Алыну жолына қарамастан кез – келген химиялық қосылыстың сандық құрамы бірдей болып келеді. (Ж. Пруст, 1801 – 1808 ж.ж.). Қосылыс құрамына кіретін элементтер массаларының қатынасы тұрақты. Бұл заң тек газ және сұйық түрдегі заттарға қолданылады. Ал қатты күйдегі заттар қасиеттері бұл заңға негізделмеген. Себебі кез – келген қатты заттың кристалл құрылысында атоммен толтырылмаған бос қуыстар, басқа элементтердің атомдық қоспалары, идеалды құрылыстан ауытқуы байқалады. Мысалы, висмуттың таллиймен қосылысында таллийдің масса бірлігіне 1,24 – тен 1,82 – ке дейін висмуттың масса бірлігі сәйкес келеді. ТіО2 титан диоксидінде титанның масса бірлігіне 0,65 – тен 1,67 – ге дейін оттегінің масса бірлігі сәйкес келіп, келесі формуламен беріледі: ТіО1,9-2,0. Бұл формула зат құрамының шекарасын көрсетеді. Элементтің изотоптық құрамын өзгерткенде оның массалық құрамы да өзгереді. Мысалы, суда 11%, ал ауыр суда 20% сутегі болады.

3. Химиялық байланыстардың типтерi(донорлы-акцепторлы, металдық). Мысалдарды келтір

Атомдар өзара әрекеттескен кезде химиялық байланыс туып, соның нәтижесінде молекулалар, иондар, кристалдар, радикалдар түзіледі. Осыған сай химиялық байланыстың 4 типі бар, олар коваленттік, иондық, металдық, сутектік болып бөлінеді.

Коваленттік химиялық байланыс

Коваленттік химиялық байланыс атомдардың арасында ортақ электрон бұлты түзіліп, ортақ электрон жұбы пайда болғанда шығады. Әрекеттесуге қатысқан элемент атомдары тұрақты әрі тиімді 8 электронды конфигурацияға (s²p⁶) ие болады, тек сутек үшін 2 электрон(s²) жеткілікті.Коваленттік байланыс екі түрлі механизммен түзіледі: бірі — алмасу, екіншісі — донорлы-акцепторлы.Алмасу механизмі атомдардың жұптаспаған электрондарының бұлттары өзара бүркесіп ортақ жұп түзгенде байқалады. Мысалы, сутек молекуласында s — s орбитальдар бүркесіп, полюссіз коваленттік байланыс түзеді.Хлорсутек молекуласында s-және р- орбитальдардағы жалқы электрондардың бұлттары бүркесіп, полюсті коваленттік байланыс түзеді, өйткені ортақ бұлт электртерістігі үлкендеу хлоратомына қарай ығысады.

Азот молекуласындағы үш ортақ жұп р-орбитальдардағы жалқы электронды бірдей бұлттардың бүркесуінен туатындықтан, полюссіз болып шығады

Үш байланыстың біреуі (ядроны жалғастыратын сызық бойынша бүркесуі) σ-, ал екеуі  - (көлденең бұлттардың бүркесуі) байланыс болып саналады.

Мұндай еселі байланыстар органикалық қосылыстарда жиі кездеседі.

Қаныққан көмірсутек метанда 4 σ-байланыс бар, ал канықпаған көмірсутек этиленде бес σ-, бір  -байланыс, ацетиленде үш σ-, екі  -байланыс болатыны көрініп тұр.

Донорлы-акцепторлы механизм бойынша коваленттік химиялық байланыс бір атомның дайын жұптасқан электроны екінші атомның бос орбиталіне орналасып, ортақ бұлттар түзгенде түзіледі.

Аммиак молекуласындағы азот атомы — донор, өзінің жұптасқан қос электронын хлорсутектің құрамынан бөлінген акцептордың, яғни сутек катионының (жалаң протонның) бос орбиталіне жіберіп, бұрыннан алмасу механизмімен пайда болған үш коваленттік байланысқа төртінші — донорлы-акцепторлы жолмен түзілген байланысты қосады. Мұндай жағдай органикалық қосылыстардың әрекеттесуінде де жиі кездеседі. Мысалы, аминдердің тұзға айналуын қарастырайық:

СН₃ — NH₂ + Н⁺Сl^- → [СН₃ — NH₃]⁺Сl^-

Коваленттік байланысты заттар қатты күйде екі типті кристалдық тор түзеді: біреуі — атомдық торлы кристалдар, өте берік болады (алмаз, графит, кварц SiO₂). Екіншісі — молекулалық торлы кристалдар, қалыпты жағдайда газ күйінде, оңай ұшатын сұйықтықтар, оңай балқитын не бірден буланатын қатты заттар (Н₂, мұз, І₂, "құрғақ мұз" — СО₂) түрінде кездеседі.

Металдық байланыс

Металдың кристалдық торының түйіндерінде атомдар немесе олардың иондары орналасатыны белгілі. Металдық тордағы бостау күйдегі делокальданған электрондар көптеген ядролардың арасында өзара тарту күштерін тудырып, металдық байланыс түзеді. Металдардың сыртқы деңгейіндегі валенттік электрондар саны аз болатындықтан, олардың иондарға айналуы қиын емес: Me - ne^- → Ме⁺ⁿ

Мұндай қабілетті металдар бос күйде де, химиялық әрекеттесу кезінде де көрсетеді. Бос күйдегі металдың белгілі физикалық қасиеттері: электр- және жылуөткізгіштігі, қаттылығы, иілімділігі, созылғыштығы, өзіне тән жылтыры, т.б. булардың барлығы металдық байланысқа тәуелді.

Металдардың валенттік электрондары өз ядросымен нашар байланысқан. Сондықтан, бір-бірінен оңай ажырайды және металда теріс иондар қатары қалыптасады. Бұл иондар кристалдық торда орналасқан және электрондардың көбісі бүкіл кристалл бойынша жылжи алады. Металдың электрондары бүкіл металдағы атомдарды байланыстырады. ^[1]

Металдағы электрондар(валенттік электрондар) газ бен кристалдық торлардағызарядталған иондардың арқаумен бір-бірімен әрекеттесуіне себепші болған - химиялық байланыс. Металдық байланыстың идеалды моделі металдың валенттік электрондармен жарым-жартылай топтастырылған энергетикалық аймағының (өткізу қабілеті бар зонасы) пайда болуына сәйкес келеді. Металдарды құрастыратын атомдардың жақындасуымен валенттік электрондардың атомдық орбиталдары, түйіндес қоспаның делокализдалған p-орбиталдар сияқты, кристалдық торлар бойынша делокализдалған p-орбиталдарға айналады. Металдық байланыстыңсандық сипаттамасы квант механикасымен ғана бола алады. Сапалық сипаттаманы коваленттік байланыстың ұғымымен түсінуге болады.

Металдың екі атомы жақындасқанда, мысалы Li, коваленттік байланыс пайда болады, сонымен валенттік электрондың әр энергетивтік деңгейі екіге бөлінеді. Li атомдардың N саны кристалдық торларды жасаған кезде, көрші атомдардың электрон бұлттарының қайта жабуы валенттік электрондың әр энергетикалық деңгейі N деңгейлерге бөлінеді. Деңгейлердің саны көп болғандықтан, олар бір-біріне жақын орналасқан. Сол үшін оларды энергетикалық деңгейлердің бөлінбейтін, әрі ақырғы ені бар, бір зонасы деп есептеуге болады. Валенттік электронлардың саны бірдей болған екі атомдық молекуламен салыстырғанда, әр атом көп байланыстардың пайда болуына үлес қосып жатады. Сондықтан, жүйенің энергиясының минимумы (немесе байланыстың максимумы) молекуладағы екі центрлік байланысына қарағанда, үлкен қашықтыққа жете алады.

Металдардағы атомдар арасындағы қашықтық, коваленттік байланыспен құрылған қосылыстарға қарағанда (металлдық атомдардың радиусы әрқашан коваленттік радиусынан үлкен) едәуір үлкен. Ал үйлестіретін саны (ең жақын көршілердің саны) металдың кристалдық торыларында көбінесе 8 немесе 8-ден үлкен. Ең көп кездесетін кристалдық құрылымдардың үйлестіретін саны 8 (көлеміцентрир. текше), 12 (шекцетрир. текше немесе гексаген. тығыздап оралған). Коваленттік радиустарды пайдаланып металл торларының параметрлерінің есептеуі төмен нәтижелерді көрсетеді. Осылайша, Li2 молекуланың (коваленттік байланыс) Li атомдардың арасындағы қашықтығы 0,267 нм, ал Li металлдың ішінде 0,304 нм тен. Металлдағы әр Li атомдың ең жақын көршілерінің саны 8 болса, есе көп қашықтықта тағы 6 бар. Байланыстың энергиясы Li бір атомға санасақ, ең жақын көршілердің саны өскеннен Li2 үшін 0,96.10-19Дж-нен, кристаллдық Liүшін 2,9.10-19 Дж-ге өседі.^[2]

Сутектік байланыс

Сутектік байланыс оң зарядты полюстікке ие болған сутек атомы мен теріс полюсті, электртерістігі күшті, бөлінбеген электрон жұбы бар (көбіне F, О, N, кейде CI, S) атомдар арасында түзіледі. Сондықтан сутектік байланыстың механизмін жартылай электростатикалық, жартылай донорлы-акцепторлы деп қарастыруға болады.

Сутектік байланысқа белоктардағы карбонил тобы мен амин тобындағы сутектің арасында түзілген байланыс мысал бола алады.

Бұл полинуклеотидтер молекуласында іске асатын молекула ішіндік сутектік байланысқа жатады. Ал химияда көбіне молекула- аралық сутектік байланыстар кездеседі. Оны этил спиртінің өзінен немесе оны суға араластырғанда жылу бөле жүретін процестен байқауға болады.

Кіші молекулалы су, спирт, альдегид тәрізді заттардың қалыпты жағдайда сұйық күйде болуы еутектік байланыстың әсерінен. Сонымен қатар аммиак, фторсутек сияқты газ күйіндегі заттардың оңай сұйылуы олардың молекуласының арасында түзілетін сутектік байланыстар арқылы іске асырылады.Сутектік байланыспен байланысқан заттар молекулалық кристалдық торға ие болады.

Иондық байланыс

Иондық байланыс катиондар мен аниондардың арасында электро-статикалық тартылу күшінің нәтижесінде пайда болады. Химиялық әрекеттескен атомдар 8 электронды тұрақты октетқабатқа ие болып, катион мен анионға айналу үшін олар күшті металдар мен бейметалдарға жатуы тиіс.

Иондық байланысқан қатты заттар иондық кристалдық торға ие болады. Сондықтан олар қатты, берік, қиын балқитын заттарға жатады. Иондық байланыс көбіне нағыз типтік металдардыңоксидтері мен гидроксидтеріне және барлық тұздарға тән.

Әдетте, бір молекуланың ішінде байланыстың әр түрлі типтері кездеседі. Мысалы, күшті негіздерде (КОН, Са(ОН)₂, т.б. ) металл катионы мен гидроксотоп арасында иондық, ал оттек пен сутек арасында коваленттік полюсті байланыс түзіледі. Оттекті қышқылдардың тұздарында да (K₂SО₄, СаСО₃, т.б.) металл катионы қышқыл қалдығының анионымен иондық байланыспен байланысса, оттек пен бейметалл (С, S) арасында коваленттік полюсті байланыс түзіледі.

Жалпы алғанда, химиялық байланысты типтерге жіктеу шартты сипатқа ие. Өйткені олардың түпкі негізі бір. Мысалы, иондық байланысты коваленттік байланыстың шекті түрі деп қарау керек. Металдық байланыста коваленттік полюсті байланыстың да, иондық байланыстың да элементтері бар. Көптеген заттарда "таза" бір ғана химиялық байланыс типі бола бермейді. Мысалы, ас тұзы — натрий хлориді иондық байланысты қосылыстарға жатады. Іс жүзінде оның 84% байланысы иондыққа, қалған 16%-і коваленттіге тиесілі. Сондықтан химиялық байланыстың полюстік дәрежесін біліп тұрып, нақты қай типке жататынын сөз еткен дұрыс.

Егер галогенсутектер қатарындағы байланыстың полюстік дәрежесінің өзгеруіне келсек, фторсутектен астатсутекке қарай: HF→HCl→HBr→HI→HAt төмендейді. Себебі галоген мен сутектің электртерістіктерінің айырмашылығы азая түседі де, ақыры астатсутекке жеткенде байланыс полюссіз коваленттіге жуықтайды.

Химиялық байланыстың барлық типтері мен түрлерінің негізі бір болатыны — олардың бәрінің де табиғаты электрондық бұлттардың тығыздығының өзгеруіне тәуелді. Химиялық байланыстың түзілуі кез келген жағдайда электрондық-ядролық әрекеттесудің арқасында, осы кездегі энергия ұтысының (бөлінуінің) нәтижесінде іске асады. Оны барлық химиялықбайланыс типтерінің белгілерін өзара салыстырғанда байқаймыз.^[3]

4.Еселік қатынас заңы. (Дж. Дальтон, 1808ж.) Егер екі элемент бір – бірімен бірнеше молекулалық қосылыс түзетін болса, онда бір элементтің белгілі бір тұрақты массасына келетін екінші элементтің массаларының өзара қатынасы кіші бүтін сандардың қатынасындай болады. Кейбір элементтер қосылысқанда бір ғана емес, бірнеше қосылыс түзеді, демек бұл қосылыстарда ол элементтердің салмақ мөлшері де әртүрлі қатынаста болады. Мысалы, оттегі көміртегімен екі қосылыс түзеді, біріншісі – көміртегі оксиді, оның құрамында 42,88% көміртегі және 37,12% оттегі, ал екіншісі – көміртегі диоксиді, онда 27,29% көміртегі және 72,71% оттегі бар. Оксидтер түзуге қажетті оттегі массасынын есептейміз. Ол үшін оксидтердегі оттегі мен көміртегі мәнінің бір – біріне қатынасын анықтаймыз. Көміртегі диоксидіндегі оттегінің масса бірлігі көміртегі оксидімен салыстырғанда есе үлкен, яғни 1:2 қатынаста болады. Еселік қатынас және құрам тұрақтылық заңдары қатты күйдегі заттар үшін қолданылмайды. Титан оттегімен бірнеше ауыспалы құрамды оксидтер түзеді, оның ішіндегі ең маңыздылары ТіО1,46 – 1,56 және ТіО 1,9 – 2,0. Осы формулалардан еселік қатынас заңы бұл жағдай үшін ескерілмейтіні байқалады. дальтонид – құрамы тұрақты химиялық қосылыстар, (заттар) ол құрамы анықталған заттар немесе стехиометриялық деп аталады;

бертоллид - құрамы ауыспалы химиялық қосылыстар (заттар), ол құрамы анықталмаған стехиометриялық емес заттар деп аталады;

1912-14 жылы дальтонид және бертоллид терминін ғылымға Н. С. Курнаков енгізді.

5.Көлемдік қатынас заңы. Реакцияға қатысқан және оның нәтижесінде түзілген газдардың көлемдерін зерттей келіп, француз ғалымы Гей – Люссак газдардың көлемдік қатынас заңын ашты. Реакцияға қатынасқан газдардың көлемдерінің өзара қатынасы және реакция нәтижесінде түзілген газдардың көлемдеріне қатынасы кіші бүтін сандардың қатынасындай болады. Мысалы, екі көлем сутегі бір көлем оттегімен әрекеттескенде екі көлем су буы түзіледі. Бұл сандар реакция теңдеуіндегі стехиометриялық коэффициенттермен сәйкес. Өнеркәсіпте қолданылатын газ анализі әдісі осы заңға негізделген. Авогадро заңы. (А. Авогадро ,1811ж.). Бірдей температура мен қысымда әртүрлі газдардың бірдей көлемдеріндегі молекулалар саны бірдей болады. Бұл заң ғылымға молекула заттардың кіші бөлшегі туралы қағида енгізді. Сонымен қатар атом элементтің ең кіші бөлшегі ретінде көзқарас та сақталды. Авогадро газ тәрізді жай заттардың молекулалары екі атомнан тұрады деп көрсетті. Авогадро заңынан мынадай салдар шығады: бірдей жағдайда әртүрлі газдардың бірдей молекулалары бірдей көлем алады. Әртүрлі газдар молекулалары мөлшерлерінің бір – бірінен үлкен айырмасы бола тұрса да (мысалы, Н2 мен С5Н12) бірдей сандары неге бірдей көлем алады? Оның себебі қалыпты температура мен қысымда газдар молекулаларының арақашықтығы молекулалар мөлшерінен бірнеше есе үлкен болады. Сондықтан газдар көлемі бірдей жағдайда молекулалар мөлшеріне емес, олардың арақашықтығына ғана байланысты болады. Газдар қысымын арттырып, температурасын өте төмендеткенде олардың молекулалары бір – біріне шегіне жете жақындасады. Мұндай жағдайларда газдар сұйық немесе қатты күйге айналуы мүмкін. Бұл сұйық немесе қатты заттардың көлемдері молекулалардың өздерінің алатын көлемдеріне байланысты болады. Авогадро заңынан келесі өте маңызды салдар шығады: барлық заттардың моліндегі молекулалар саны бірдей, олай болса әртүрлі газдардың моліндегі молекулалар саны бірдей болғандықтан олар бірдей жағдайда бірдей көлем алады. Мысалы, әртүрлі газдардың қалыпты жағдайда алатын көлемін есептейік. Тәжірибе бойынша қалыпты жағдайда 1 л сутектің массасы 0,09 г, 1 л оттектің массасы 1,43 г, 1 л азоттың массасы 1,25 г. Газдардың әрқайсысының молінің массасын бір литр массасына бөліп, қалыпты жағдайда олардың бірдей көлем алатынын табамыз: Vн2 = 2 г / моль / 0,09 г / л = 22,4 л / моль

Vо2 = 32 г / моль / 1,43 г / л = 22,4 л / моль

VN2= 28 г / моль / 1,25 г / л = 22,4 л / моль

Сонымен кез – келген газ молі қалыпты жағдайда 22,4 л көлем алады. Бұл көлемді газдардың молдік көлемі деп атйды, оның есеп шығаруда маңызы зор.

Авогадро заңы — идеал газға қатысты негізгі заңдардың бірі; температурасы (Т) мен қысымы (p) бірдей әр түрлі газдың бірдей көлеміндегі (V) молекулалар саны да бірдей болады. Оны 1811 жылы Италян ғалымы А. Авогадро (1776 — 1856) ашқан. АВОГАДРО ЗАҢЫ бойынша 1 кмоль-ге тең кез келген идеал газ қалыпты жағдайда (р=101325 Па=760 мм сынапбағанасы және Т=0 C) 22,4136 м³ көлемді алады. Ал 1 мольдегі молекула саны Авогадро тұрақтысы деп аталады.