АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА және БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

Өнеркәсіптік жылуэнергетика кафедрасы

 

 

 

 

ХИМИЯ

 

Дәріс конспектісі

 

(мектеп бағдарламасынан химияны жетік білмейтін студенттер үшін)  

 

1 – бөлім

 

 

 

 

 

 

Алматы 2005

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: А. И. Мокрышев. Б. Д. Казербаева. Химия. Дәріс конспектісі (мектеп бағдарламасынан химияны жетік білмейтін студенттер үшін). 1 - бөлім. – Алматы: АЭжБИ, 2005. – 53 б.        

 

 

Бұл дәріс конспектісінің мақсаты, білім алушылардың пәнді үйрену барысындағы білімінде кездесетін келесі кемшіліктерін түзету болып саналады: пәннің маңызды түсініктері, атомның электрондық бұлттарының құрылысы және олардың А. И. Менделеевтің периодтық жүйесіндегі элементтердің орнымен байланысы, анорганикалық қосылыстардың негізгі кластары, алмасу, иондық және тотығу-тотықсыздану реакциялары. Автордың студенттермен және инженер мамандармен ұзақ жұмыс тәжірибесінде осы көрсетілген тақырыптарды игеру үшін 20-25 академиялық сағаттар көлемінде еңбектену жеткілікті, сондықтан жоғарғы оқу орнының химиялық емес мамандықтары үшін жалпы бейорганикалық химия және химияның басқа тараулары түсінікті болады. Осы дәріс конспектісі химиядан базалық білімі жоқ, бірақ химиямен байланысты салада жылуэнергетикада, экологияда, техника қауіпсіздігінде және т.б. жұмыс істейтін инженерлер мен студенттерге пайдалы болуы мүмкін.

Автор барлық қарастырылған мәселелерді толық баяндамай, тек қана оларда жиі кездесетін заңдылықтарды ерекше қарастырған. Қалған мәліметтерді арнайы химиялық әдебиеттерден табуға болады.

Сур. - 2, кесте - 1, библиогр. - 3.           

Пікір жазушы: проф., хим. ғыл. докторы, КазГУ-дың химия және химиялық экология каф. меңгерушісі А. Г. Сармурзина.      

 

 

 

Алматы энергетика және байланыс институты 2005 ж. жоспары бойынша басылады.

 

 

 

ã Алматы энергетика және байланыс институты 2005 г.

 

1 тарау

 

Тақырып: Химияның негізгі заңдары мен түсініктері

 

Химия – заттардың құрамын, құрылысын, қасиеттерін, химиялық өзгерістерін, бір-біріне айналу құбылыстарын зерттейтін ғылым.

Барлық заттар молекулалардан, молекулалар атомдардан тұрады.

Молекула – заттың қасиетін, құрамын, құрылысын сақтап тұратын және өз бетінше тіршілік ете алатын ең кіші бөлігі.

Атом – оң зарядталған атом ядросынан және теріс зарядталған электрондардан тұратын электронейтрол бөлшек.

Атом электронейтрол болғандықтан, оң зарядталған ядросы, оның барлық электрон зарядының қосындысына тең. Электрон зарядын 1,61×10^-19 Кл шартты түрде атомдағы зарядты бірге тең алсақ, демек, атомда 10 электрон (10ē), ядро заряды Z_я = +10, егер 27ē болса, онда ядро заряды Z_я = +27 және керісінше.

Ядро заряды бірдей атомдар жиынтығын химиялық элементтер деп атайды. Элементтер латын әріптерімен белгіленеді. Көбінесе латын аттары орыс тіліне сәйкес келеді, бірақ кейбір ежелгі аттары әртүрлі аталады, оларды міндетті түрде білу керек (1 – кесте). Элементтердің аталуын, Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесіндегі орналасуына байланысты оқып білу керек. Кестедегі элементтің реттік номері оның ядро зарядына, әрі атомдағы электрон санына сәйкес келеді.

 

1 – кесте. Әртүрлі латын және орыс атаулары бар элементтер

      

Кестедегі реттік номері	Белгі	Қазақша аталуы	Орысша аталуы	Латынша аталуы
1	H	Сутегі	Водород	Гидрогениум
6	C	Көміртегі	Углерод	Карбониум
7	N	Азот	Азот	Нитрогениум
8	O	Оттегі	Кислород	Оксигениум
14	Si	Кремний	Кремний	Силициум
16	S	Күкірт	Сера	Сульфурум
25	Fe	Темір	Железо	Феррум
29	Cu	Мыс	Медь	Купрум
33	As	Мышьяк	Мышьяк	Арсеникум
47	Ag	Күміс	Серебро	Аргентум
50	Sn	Қалайы	Олово	Станнум
51	Sb	Сурьма	Сурьма	Стибиум
79	Au	Алтын	Золото	Аурум
80	Hg	Сынап	Ртуть	Гидраргерум
82	Pb	Қорғасын	Свинец	Плюмбум

 

Ескерту: гидрогениум – сөзбе-сөз латын тілінен аударғанда гидро – су, ген – жаратылу, яғни сутек; нитрогениум, яғни нитроқосылыстар; оксигениум – „окси” (оттекті қосылыстар) қосылыстар; арг – күміс, яғни сұйық күміс.

Таза элементтің кристалды торындағы ядролардың арасындағы қашықтық атомның өлшемі ретінде қабылданады. Атомдар өте кіштентай. Олардың өлшемі r_а » 10^-10 м-ге тең. Атомдар өлшемін өлшеу үшін, СИ жүйесіне арнайы бірлік – ангстрем (Å): 1Å = 10^-10 м енгізілген. Атом ядросының өлшемі 10^-14 -10^-15 м-ге тең, яғни атомның өзінен 10000-100000 есе кіші. Көрнекілік үшін мынандай салыстырма келтірейік: егер атомды үлкейтілген үйге салыстырсақ (25 этаж, 100 м), онда ядро оның қасында шие түйіршігіне тең. 

Атомның массалық салмағы өте аз -10^-20, -10^-22 г, әрине жеке атомды ешбір таразыға өлшей алмаймыз. Дегенмен өткен ғасырда атомның абсолюттік массасы анықталған, содан бері химиктер мен физиктер қатысты шартты бірлікті пайдаланды. Валенттілік ұғымы, атом санының сандық қатынасы, заттың массасының сақталу заңы белгілі делік, сондықтан реакция теңдеуін жаза отырып, мынаны анықтаймыз 

 

2H₂ + O₂ = 2H₂O,      

 

тәжірибе жасай отырып, 4 г сутегіне 32 г оттегі жұмсалып, 36 г су алатынын байқауға болады

 

2H₂ + O₂ = 2H₂O,       

 

4 г - 32 г - 36 г.       

 

Осы қатынастан оттегі атомы сутегі атомынан қанша есе ауыр екені байқалады: теңдеуде 2 атом сутегі және 2 атом оттегі; жұмсалған зат – 4 г сутегі және 32 г оттегі, осыдан: оттегі атомы сутегіден 16 есе ауыр. Бірнеше топтама тәжірибеден кейін, бәрінен жеңіл элемент сутегі екенін анықтай отырып, оның массасын шартты бірлікке қабылдап, оны сутектік бірлік деп атайды. Басқа элементтердің шартты массалық үлесі, сутегінің массасынан қанша есе үлкен екені салыстырма ретінде қабылданды.

Бірақ, ғалымдарды сутектік массалық бірлік қанағаттандырмады, себебі сутегі барлық элементтермен қосылыс түзбейді және көбісімен стехиометриялық құрамда қосылмайды (яғни валенттіліктері сәйкес келмейді).

Оттегі көптеген элементтермен стехиометриялық құрамда қосылады және оның массасы жаңа үлгі массалық бірлік болып қабылданады. Массалық бөлшек сандармен есептеу лайықсыз болғандықтан, бір оттектің бірлігі ретінде 1/16 бөлігі оттегінің атомдық массасы деп қабылданды (шамамен бір сутектік бірлікке тең). Оттектік бірлікпен шамаланған басқа элементтердің атомдық массасы, оттегінің атомдық массасының 1/16 бөлігінен берілген элемент қанша есе үлкен екенін көрсетеді. Бірақ, басқа да кедергілер әртүрлі жолмен алынған оттегі (атмосферадан, судан, тау жыныстары) бірнеше изотоптық құрамда болғандықтан, әрине әртүрлі орта шаманың атомдық массасы пайда болады.

Изотоп дегеніміз не?

Элементтің ядро заряды, периодтық жүйедегі реттік номеріне сәйкес келеді. Бірақ ядро нуклонның екі түрлі бөлігінен тұрады, біріне бірі үздіксіз айналып тұратын: оң зарядталған – протоннан (p⁺) және нейтралды – нейтронға (n⁰) схема бойынша былай өрнектеледі

 

p⁺ + ē = n⁰.

 

Протон мен нейтронның массасы шамамен біріне-бірі тең және жобамен 1 оттектік (сутектік) массалық бірлікті құрайды. Электрон салмағы жобамен нуклоннан 200 есе кем, яғни іс жүзінде барлық массасы атомдағы ядроға жинақталған (және оң заряд). Изотоп деп – элемент атомының протон саны бірдей және нейтрон саны әртүрлі жиынтықты айтамыз. Мысалы, сутегі массалық санымен 3 изотобы бар (атом массасы шартты бірлікте) 1 - протий (Н), 2 - дейтерий (D) және 3 - тритий (Т). Оттекте 15 массалық санымен изотобы бар (8 p⁺  және 7 n⁰), 16  (8 p⁺  және 8 n⁰) және 18 (8 p⁺  және 10 n⁰), яғни алыну жолына қарай, изотоптық құрамы әртүрлі болғандықтан, орта шамамен алынған атомдық массасы әр жағдайда бірінен-бірі айырмашылықта болады.

Яғни, оттектің изотоптың құрамының әсерін жою үшін, жаңа көміртектік массалық бірлік, көміртегінің атомдық массасың 1/12 бөлігіне тең, ₁₂С изотобы  қолданылды. Бұл изотоптың қолдану себебі, онда көптеген түйісулер: кестедегі элементтің реттік номері – 6; массалық саны – 12, яғни оның құрамында 6 – протон, 6 – нейтроны және тиісті 6 – электроны бар. Бұл көміртектік бірлік халықаралық келісім бойынша, массаның атомдық бірлігі (қысқаша м.а.б.) деп қабылданды. Бұл бірлік сутегі мен оттегінің массалық бірлігінен аз ғана айырмашылықта, бірақ ол нақты өлшем бірліктерді өлшеу үшін өте қажет.

Сонымен, элементтің салыстырмалы атомдық массасы, сол элементтің атомының массасының көміртегі изотобының ₁₂С 1/12 массасынан неше есе үлкен екенін көрсететін сан.

Элементтің салыстырмалы атомдық массасы өлшемсіз сан, кестеде элементтердің атомдық массасы барлық изотоптарының орта шамасы алынған.

Заттар жәй және күрделі болады.

Жәй заттар бір элемент атомдарынан, ал күрделі – бірнеше элемент атомдарынан тұрады. Әрбір заттағы жазылған көрсеткіш өте маңызды белгілі бір мағынаны білдіреді және оны ескермеуге болмайды, Мысалы:

О – оттек, бір атом бөлшегінен тұрады, молекулада бір бөлшек саны жазылмайды. Бұл оттек, тек ток көзінің әсерімен, өте жоғары температурада, иондық сәулелердің әсерінен және кейбір химиялық реакциялармен алынады. Оның химиялық активтілігі сонша жоғары, ол ауадағы азотты тотықтырады, дегенмен, соңғы активтілік инертті газдардың активтілігіне жақындайды.

О₂ – төменде жазылған „2“ деген көрсеткіш, молекуланың екі атомнан тұратының білдіреді. Бұл біз демалатын атмосфералық оттек. Оның атомдық оттегіден айтарлықтай активтілігі төмен, тұрақтылығы жеткілікті болғанмен көп процестерде тотықтырғыш қызметін атқарады.

О₃ – төменде жазылған „3“ деген көрсеткіш, молекула үш атомнан тұратынын білдіреді. Бұл озон, алыну жолы атомдық оттегін алу тәсілі сияқты болады. Озон өте күшті тотықтырғыш, оның тотықтырғыштық қабілеті оттегіге қарағанда әлдеқайда жоғары. Себебі оның молекуласы тұрақсыз болады да, өздігінен ыдырап оттегінің молекуласы мен атомына айналады. Озон жоғары концентрацияда хлор сияқты организмге улы. Жоғары қабатта атмосфералық озон жер биосферасын ультрокүлгін сәулелерден қорғайтын қалқан ретінде, төменгі қабатта түтігінің пайда болмауына себеп етеді.

Бұның бәрі бір элементтен тұратын жәй зат, бірақ көңіл аударсаңыз төменгі оң жағындағы атом санын өзгеруіне байланысты қасиетіде күрт өзгереді.

Күрделі заттардың қасиеті де, олардың құрамына енетін элемент атомдарының сандық қатынасына байланысты өзгереді, мысалы:

H₂O – сутегінің екі атомын және оттегінің бір атомын құрайды. Бұл бізге жақсы белгілі – су.

H₂O₂ – сутегінің екі атомын және оттегінің екі атомын құрайды. Бұл асқын тотығы, тотықтырғыш та тотықсыздандырғыш та көбірек тотықтырғыш қасиет көрсетеді. Көбінесе жеңіл өнеркәсіпте, мата-мақта бұйымдарын ағартуға қолданады. Сутегі асқын тотығы өте тұрақсыз қосылыс болғандықтан, төменгі температураның өзінде ыдырайды.

H₂SO₄ – күкірт қышқылы, көрсетілген көрсеткішіне тиісті екі сутегі атомын, бір күкірт атомын және төрт оттегі атомын құрайды. Бұл кез келген концентрацияда өте тұрақты қосылыс, аккумуляторлық қышқыл ретінде авто жүргізушілерге өте таныс. 

H₂SO₃ – күкіртті қышқыл, көрсетілген көрсеткішіне тиісті екі сутегі атомын, бір күкірт атомын және үш оттегі атомын құрайды. Бұл тұрақсыз қышқыл болғандықтан жоғары концентрацияда, сумен күкіртті газға (SO₂) ыдырайды. Ол егінге, құрылысқа, жалпы биосфераға өте зиян келтіретін қышқылды жаңбырға себеп болады.

Әрбір аталған заттардың молекулалық массасын анықтайық. Массаның атомдық бірлігімен (м.а.б.) көрсетілген элемент атомының массасынан оның салыстырмалы атомдық массасының өлшемсіз шамасын ажырата білу керек. Элемент атомының массасын (m_a), оның салыстырмалы атомдық массасын (A_r) массаның 1 атомдық бөлігіне көбейту арқылы табады.

Ал, заттың молекулалық массасын (m_m) табу үшін, оның өлшемсіз санмен алынған салыстырмалы молекулалық массасын, массаның бір атомдық бөлігіне көбейтеді:

а) О – оттегінің атомдық массасы, яғни A_r – салыстырмалы атомдық массасы, периодтық жүйеге сәйкес – 16 м.а.б. Элемент бір атомнан тұрғандықтан, оның массасы М_r = 16 м.а.б. × атом = 16 м.а.б.;

б) О₂ – бөлшегіміз екі атомнан құралған, яғни М_r(О₂) = 16 м.а.б. × 2 = 32 м.а.б.;

в) О₃ – сәйкесті, М_r(О₃) = 16 × 3 = 48 м.а.б.;

г) H₂O – 2 атом сутегі А_r(Н) = 1 м.а.б., екі атом үшін – 2 м.а.б., оттегінің бір атомы А_r(О) = 16 м.а.б., барлығы: М_r(H₂O) = 1 м.а.б. × 2 + 16 м.а.б. × 1 = 18 м.а.б.;

д) H₂SO₄ – үшін: М_r(H₂SO₄) = 1 м.а.б. × 2 + 32 м.а.б. × 1 + 16 м.а.б. × 4 = 98 м.а.б.;

е) H₂SO₃ – үшін: М_r(H₂SO₃) = 1 м.а.б. × 2 + 32 м.а.б. × 1 + 16 м.а.б. × 3 = 82 м.а.б.     

 

Молекулалық массаны анықтаудың одан көрі күрделірек жағдайын қарастырайық.

Fe(OH)₂ – жақша ішіндегі молекула бөлшегі тиісті көрсеткішімен, молекула екі еселенетінін білдіреді. М_r(Fe(OH)₂) = 56 м.а.б. × 1 + 2 × (16 м.а.б. + 1 м.а.б.) = 90 м.а.б.

Fe₂(SO₄)₃ – темір атомы екеу, SO₄ тобы үш еселенеді: М_r(Fe₂(SO₄)₃) = 56 × 2 + 3 × (32 + 16 × 4) = 400 м.а.б.

Берілген заттарды өзіндік жұмыс ретінде молекулалық массасын анықтап көріңіз. 

N₂, H₃PO₄, Na₂SO₄, Fe₃(PO₄)₂, Fe₂O₃.

Жауабы: 28 м.а.б., 98 м.а.б., 142 м.а.б., 358 м.а.б., 160 м.а.б.

Егер де жауабы сәйкес келіп жатса, онда сіздер заттың молекулалық массасын анықтауды үйрендіңіздер, ол келмесе, онда жоғарыда айтылған материалды қайталап, қатеңізді іздеңіз.

Енді сіздермен қарапайым болса да күрделі ұғым – моль мен танысамыз. Жоғарыда қарастырып кеткен химиялық теңдеуге оралайық

 

2H₂ + O₂ = 2H₂O.         

 

Бұл реакция іс жүзінде соңына дейін жүреді де, берілген заттар жаңа затқа түрленеді. М. В. Ломоносовтың заттар массасы сақталу заңы бойынша – реакцияға кіріскен заттың массасы реакция нәтижесінде түзілген заттың массасына тең болады. Реакцияда молекула алдында жазылған сан қанша  молекулада қанша атом бар екенін білдіреді. Реакцияға дейін 2 сутегі молекуласында 2 атом бар: (яғни 2 × 2 = 4), оттегі атомы – 2 (бір молекулада), және реакциядан кейін де, екі су молекуласында екі сутегі атомы (2 × 2 = 4) және екі оттегі атомы (2 × 1 = 2), яғни реакция теңдеуі заттар массасы сақталу заңына тиісті құрастырылған.

Енді түзілген реакция өнімдерімен әрекеттескен заттардың массасын қарастырсақ, онда келесі жағдайды көруге болады (м.а.б. шартты сипатын ескере отыра)  

 

2H₂ + O₂ = 2H₂O.

 

4 м.а.б. + 32 м.а.б. = 36 м.а.б. – „м.а.б.” массалық қатынас;

4 г + 32 г = 36 г                        – г массалық қатынас;

4 кг + 32 кг = 36 кг                  – кг массалық қатынас.

 

Грамм мен кг арасындағы ауыспалы коэффициент 1000 тең екені бәрімізге белгілі, кг мен тоннаның арасында да солай, әрекеттестін заттардың массасының прапорционалдығын ескере отырып, осыдан коэффициент грам мен м.а.б арасында бар екені айқын. Граммен алынған заттардың массасы м.а.б. заттың малекулалық массасының сандық мөлшеріне тең. Ол г/моль деген өлшем бірлікпен аталды. Соған сәйкес, граммен алынған атом массасы, м.а.б. – атом массасының сандық мөлшеріне тең. Осындай ауыспалы коэффициент 1 г – да м.а.б. қаншасы бар  екенін көрсетеді және г – атомда қанша атом саны, г – мольде заттағы молекула саны берілген құрамдық құрылымнан тұрады (атом, молекула, эквивалент т.с.с.). Осы шама 6,02 · 10²³ тең болып, Авогадро саны (N_A) аталады.

Кұрамында 6,02 · 10²³ құрамдылық бірлігі бар зат мөлшері "моль" деп аталып, оның өлшем бірлігі – г/мольге тең болады.

Молекула массасы м.а.б. өлшенеді, кез келген заттың, массасы 1кг т.с.с. өлшеммен өлшенеді, тек моль – г/моль өлшенеді.

Осы қарапайым түсінік химияның кейбір бөлімдерін әрі қарай толық игеру үшін қиыншылықтар туғызады. Сондықтан осы ұғымға мысал келтіріп талқыласақ        

 

М_r(H₂SO₄) = 98 м.а.б.           

 

г/моль (H₂SO₄), яғни Н₂SO₄ мольдік массасы  = 98 г, егер де 196 г H₂SO₄  алынса, онда Н₂ ол 2 моль болатыны айқын (яғни молекула саны N_A = 6,02 · 10²³ салыстырғанда екі еселенген), сондықтан, заттың  мольдік мөлшері тең болады      

 

М = 196 г / 2 моль = 98 г/моль.       

 

Моль мен г/моль деген ұғымды толығырақ түсіндіру үшін, келесі салыстырмалы мысалды қарастырайық: бағасы және құны, арақашықтығы және жылдамдығы, массасы мен тығыздығы.

Бір кітап – 200 теңге тұрады, ал бағасы 200 теңге/кітапқа

сол сияқты – 1 л судың массасы – 1 кг, ал тығыздығы 1 кг /л

бір сағатта машина 60 км жүреді, ал оның жылдамдығы – 60 км/сағ,

яғни моль – заттың мөлшерінің бірлігі сияқты, ондағы 6,02 · 10²³ құрылымдық бірлігі бар оның массасын сипаттайды (молекуланың мольдегі молекуласы, атомның мольдегі атомы, иондардың мольдегі иондары, эквиваленттің мольдегі эквиваленті).

 

1.1 Химияның негізгі заңдары

 

Заттардың массасының сақталу заңы: реакцияға кіріскен заттардың массасы реакция нәтижесінде түзілген заттардың массасына тең болады.

Айтылған заттың авторлығы француз химигі Лавуазьеге таңылғанмен, оған дейін бірнеше жыл бұрын бұл заңды М. В. Ломоносов ашқан. Бірақ, М. В. Ломоносовқа авторлық тек, Москва университетінің архивінің мәліметтерін зеріттегеннен кейін 19 ғасырдың аяғында ғана берілді. Бұл заңның ашылуының  химияны дамытудағы маңызы өте зор. М. В. Ломоносов бұл заңдылықпен тоқталмай әрі қарай, тек зат массасы сақталып қалмай, реакцияға дейінгі және кейінгі әр элементтің атом саны да бірдей болуы керек деген қорытындыға келді. Бұл тұжырым химиялық реакция теңдеулерін жазуға негіз болып табылады.

Энергияның сақталу заңы: энергия өздігінен пайда болмайды және із-түссіз жоғалып кетпейді, ол тек эквиваленттік қатынаста бір түрден екінші түрге өзгереді. Бұл заңның автырлығы  Р. Майеруге таңылғанмен, бұл жағдайда да МГУ (М.М.У) архив мәліметтері Ломоносовқа авторлық басылымдылық білдіреді (дегенмен еңбегіне өте лайық).

Осы заңның негізінде жаңа ғылым пайда болады. Химиялық термодинамика химиялық реакция кезінде энергияның бір түрден басқа түрге ауысуын айқындайды.

Эйнштейннің энергия мен массаның эквиваленттілік заңы – жылу бөліну массаның азаюына, ал сіңіруі – көбеюіне байланысты

 

E = mC²,         

 

мұндағы E – энергия өзгерісі;

               m – масса ақауы;

               С – жарық жылдамдығы.

 

Химиялық реакциялар жылу бөле және сіңіре жүруі мүмкін болған жағдайда, оның массалық ақауы өте аз болады, сондықтан оны ескермесе де болады.

Құрам тұрақтылық заңы, алыну жолына қарамастан молекулалық құрылысы әрбір химиялық таза заттың сапалық және сандық құрамы тұрақты ма, әлде айнымалы бола ма деген мәселе жөнінен 19 ғасырдың басында екі ғылыми пікір болды. К. Л. Бертолле заттың құрамы айнымалы болуы тиіс десе, Ж. Л. Пруст заттың құрамы тұрақты болады деді. Бұл ғылыми айтыс жеті жылға созылып, негізінен молекулалық құрылысты заттар зерттелгендіктен Ж. Л. Прусттың пікірі қабылданып осы заң ашылды.

Авагадро заңы көлемдік қатынас заңына негізделген. Сонымен газдардың молекулаларындағы арақашықтық өз диометрінен өлшемсіз үлкен болғандықтан, олардың арақашықтығын елемей ондағы газдардың көлемі тек газдағы молекулалардың арақашықтығын анықтайтын (температура және қысым) байланыстың жағдайынан екенін ескеру керек. Сондықтан бірдей жағдайда (температура мен қысымда) әр түрлі газдардың бірдей көлемдеріндегі молекула саны бірдей болады. Бұл заңдылықтың екі салдары бар.

Бірінші: әр түрлі жағдайда кез келген газдың мольдік көлемі бірдей. Қалыпты жағдайда: р = 101,3 кПа, (760 мм сын.бағ.) және температура 273 К кез келген газдың мольдік көлемі 22,4 литрге тең.

Екінші: кез келген заттың (агрегат күйімен жағдайына байланысты) бір моліндегі бөлшектер саны бірдей болады, ол Авагадро саны  6,02· 10²³-не тең.

 

N_A = 6,02 · 10²³ дана (құрылымдық бірлік).

 

Эквивалент заңы еселі қатынастар заңына негізделген: элементтердің және күрделі заттардың бір-бірімен әрекеттесетін мөлшерлері олардың химиялық эквиваленттеріне пропорционал болады.

 

m₁ / m₂ = Э₁ / Э₂,        

 

мұндағы m₁ және m₂ – қалдықсыз әсер ететін заттардың массасы;       

                Э₁ және Э₂ – осы заттардың эквиваленттері.

 

Эквивалент дегеніміз не?

Химиялық элементтер бір-бірімен әрекеттесетін қосылыс түзгенде, ондағы элементтердің мөлшерлері әр уақытта тұрақты болатынын құрам тұрақтылық заңы көрсетті, осыған сәйкес химияға эквивалент түсінігі енгізілді.

Элементтің химиялық эквиваленті дегеніміз – оның 1 салмақ бөлшек сутекпен немесе 8 салмақ бөлшек оттекпен қосылыса алатын немесе қосылыстарда солардың орнын баса алатын салмақ мөлшері. Заттар бір-бірімен валенттілігіне сәйкес қосылыс түзеді, сутегі бір валентті (М_rН = 1 м.а.б.), оттегі екі валентті (оның атомдық массасы 16 м.а.б., 8 м.а.б. – 1/2 М_rО, яғни бір валенттілігіне сәйкес келетін масса). Осыған эквивалент – бір валенттілікке  сәйкес келетін зат массасы м.а.б. өлшенеді, заттардың эквивалентін анықтау үшін мына теңдікті қолданады.

Жәй заттар немесе элементтер үшін     

 

Э = А_r / B,

 

мұндағы А_r – атом массасы, м.а.б.;  

                В – берілген қосылыстағы элементтердің валенттілігі.   

 

Мысалы: Cl₂, O₂, N₂ бұлардың валенттілігі I, II, III, ал атомдық массасы – 35,5 м.а.б., 16 м.а.б. және 14 м.а.б. сәйкес.

 

Э = 35,5/1 = 35,5 м.а.б.,

 

Э = 16/2 = 8 м.а.б.,

 

Э = 14/3 = 4,33 м.а.б.

 

Күкірті бар мына қосылыстардағы H₂S, H₂SO₃, H₂SO₄ күкірттің эквиваленті, М_rS = 32 м.а.б. II, IV, VI валентіліктерге сәйкес келеді.        

 

Э_S(II) = 32 /2 = 16 м.а.б.,

 

Э_S(IV) = 32/4 = 8 м.а.б.,

 

Э_S(VI) = 32/6 = 5,33 м.а.б.

 

Күрделі заттардың эквивалентін мына формула бойынша табуға болады

 

Э_сл = М_r/В,

 

мұндағы М_r – молекулалық масса;

                В – валенттілік.

 

Мысалы NaCl үшін

 

Э = М_NaCl / В =  = 58,5 м.а.б.,

 

CaO үшін: Э_CaO = = 18 м.а.б.

 

Fe₂O₃ үшін, мұндағы темірдің валенттілігі III, ал оттегінікі II, атомдар арасындағы химиялық байланыстың саны 6-ға тең, темір үшін III × 2 атом = 6, оттегі үшін II × 3 = 6, ал эквивалент мынаған тең болады

 

Э = = 26,6 м.а.б.

 

Поливалентті қышқылдарда сутегінің бір-бірден орын басып (сутегінің бірден көп атомынан тұратын) жүретіні мүмкін болғандықтан, эквиваленттер бірнеше болуы мүмкін, мысалы:

 

а) H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O,

   

қышқылдың үш атом сутегісі орын басқандықтан, онда

 

Э = 98 / 3 = 32,7 м.а.б.;

 

б) H₃PO₄ + 2NaOH = Na₂НPO₄ + 2H₂O,

 

Н 2 атомы орын басқанда

 

Э = 98 / 2 = 49 м.а.б.;

 

в) H₃PO₄ + NaOH = NaН₂PO₄ + 2H₂O,

 

Н 1 атомы орын басқанда

 

Э = 98 / 1 = 98 м.а.б.       

 

Яғни қышқылдың эквивалентін анықтау үшін, жалпы формуласы мынандай           

Э_қыш = ,

 

мұндағы М_қыш – қышқылдың молекулалық массасы;

                 – берілген реакцияда орын басқан сутегі атомының мөлшері.

 

Сондай-ақ негіздің де эквивалентін анықтаймыз

 

Э_нег = ,

 

мұндағы М_нег – негіздің молекулалық массасы;

                – берілген реакцияда орын басқан ОН^– гидроксильді топтың саны.

 

Мысалы, Fe(OH)₃ бір, екі, үш ОН^– гидрооксотоптары орын баса алады,  олай болса, үш эквиваленті бар

 

Э =  = 107 м.а.б.,

 

Э =  = 53,5 м.а.б.,       

 

Э =  = 35,7 м.а.б..       

 

Берілген заттың массасы, оның м.а.б. эквивалентіне тең, бірақ грамм-эквивалент деп аталатын грамм бойынша белгіленген, яғни бұл жағдайда:

 

г-экв  Fe(OH)₃ = 107 г,    

 

г-экв  Fe(OH)₃ = 53,5 г,    

 

г-экв  Fe(OH)₃ = 35,7 г.   

 

Алдынғы материалдарға қарағанда, әр г-экв 6,02 · 10²³ эквиваленттен тұратыны белгілі, яғни г-эквиваленттің массасына сәйкес келетін эквиваленттер молі мен заттар мөлшері эквиваленттер молі болып табылады және г/моль-мен өлшенеді:

 

М_э(Fe(OH)₃) = 107 г/моль,     

 

М_э(Fe(OH)₃) = 53,5 г/моль,    

 

М_э(Fe(OH)₃) = 35,7 г/моль.      

Жазылған материалды бекіту үшін, келесі есепті есептеп көріңіз: массаны, мольдер санын, 3 г/экв оттегі О₂ құрамындағы молекулалар және атомдар санын анықтау, қалыпты жағдайдағы оның көлемін және абсолютті тығыздығын анықтау. 

М_r(О₂) = 16 × 2 = 32 м.а.б.

Оттегінің валентілігі II тең, олай болса: Э = 16 / 2 = 8 м.а.б.

Бұдан г/экв массасы О₂ = 8 г, ал 3 г/экв үшін m = 8 × 3 = 24 г.

Оттегінің молі М = 32 г/моль, олай болса 24 г мынаны құрайды

 

n_моль =  = 0,75 М.       

 

Бұдан молекула саны

 

N_мол(О₂) = 6,02 · 10²³ · 0,75 = 4,5 · 10²³ молекула,

 

сондай-ақ әр молекулада 2 атом болғандықтан

 

N_атО = 4,5 · 10²³ × 2 = 9 · 10²³ молекула.      

 

Қалыпты жағдайда газ молінің көлемі 22,4 л тең, ал бізде 0,75 моль болғандықтан, онда

 

V = 22,4 × 0,75 = 16,8 л.

 

Қалыпты жағдайда оттегінің абсолютті тығыздығы

 

ρ = 32 / 22,4 = 1,48 г/л.      

 

Осы сияқты мыналар үшін де есептеп көріңіздер: 2 г/экв H₂, N₂, CO₂, CO, SO₂. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 тарау

 

Тақырып: Атомның квантты-механикалық моделі

 

Атомның квантты-механикалық моделі бір уақытта толқындар (электромагнитті) және бөлшектер (корпускулдар) қасиетін көрсететін электрондардың қабілетіне негізделеді. Бұл көрініс М. Планктың кванттық теориясынан алынған. Ол электромагниттік сәуле шығарудың энергиясы тек қана өлшеммен (кванттармен) беріледі деп есептеді және мына формуланы ұсынды

 

Е = hν,       

 

мұндағы Е – энергияның минимальді өлшемі (квант);

                h – пропорционалды коэффициент, Планк тұрақтысы;

                ν – электромагнитті тербеліс жиілігі.

 

Электромагниттік тербелістер жиілігі шексіз аз шамаға өзгере алатын болғандықтан, кванттар (әртүрлі жиіліктегі) бір-бірінен осындай шексіз аз энергияға өзгешелене алады. Бірақ, берілген жиілікте барлық кванттар бірдей. Анығырақ көрсету үшін келесі ұқсастықтарды көрсетеміз: сіріңкелер қораппен сатылады (бұл сіріңке кванты), консервілер – банкамен (бұл консервілер кванты), принтер қағаздары – бумалармен (қағаз кванты).

Әрбір тауар екіншісінен ерекше екені белгілі, бірақ өз тобында барлық қораптар (кванттар) ұқсас (немесе сондай болуы керек).

Планктың және Эйнштейннің теңдеулерінің ортақ анализі күтпеген қорытындыға әкеледі

 

Е = hν,    

 

Е = mс².        

 

Егер екі жағдайда да Е – квант энергиясы болса, онда Е = Е болғанда

 

hν = mс²,

 

толқын ұзындығы λ арқылы ν жазамыз

 

ν = , онда,

 

h / λ = mс, және

 

λ =  – бұл Планк пен Эйнштейннің жалпыланған формуласы.

Онда электромагниттік сәуле шығарудың толқындық қасиеті (толқын ұзындығы λ) мен бөлшектердің корпускулярлық қасиеттері (формулаға масса m кіретін болғандықтан) біріктірілген. Бірақ электромагниттік сәуле шығаруда тыныштық массасы болмайды деп қабылданған, соған байланысты m 0-ге тең болуы керек, ол кезде формула мағынасын жоғалтады. Солай бола тұра электромагниттік сәуле шығару (жарық), оның сәулесі түскен объектіге шынайы әсер және қысым береді. Бұл қысымды орыс профессоры А. Лебедев өлшеді. Оның тәжірибесін ешкім қайталай алмаса да, оның жарық қысымын өлшеу құралы әлі күнге дейін Политехникалық мұражайда сақталып тұрғанына қарамастан, оның сынақтарының нәтижелері күмән келтірмейді. Соңғы жылдарда жазушы-фантастармен қоса ғалымдар да „күн желінің“ қысымы арқылы жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалатын космостық қайықтардың жасалуына үлкен мән береді. Сондықтан mс көбейтіндісін объектілерге әсер ететін импульсі р (mс = р) деп санайды.

Сонымен, Планктың теориясы жарықтың толқындық (дифракция, интерференция) және корпускулярлық (сәуленің түзу сызықты таралуы, яғни инерция) теориясын жақтаушылар мен қарсы тұрушыларды келісімге келтірді.

Келесі алға қарай қадамды Де Бройль жасады. Ол өз болжамында электрон да корпускулярлы-толқынды қосарлану болады және Планк-Эйнштейн теңдеуімен ұқсастығы бойынша оның толқын ұзындығы (λ_ē) мынаған тең болуы керек деп жазды

 

λ_ē = .       

 

Бұл теңдеудегі m_ē – электрон массасы;     

                           υ_ē – электронның қозғалу жылдамдығы.        

 

Формуладағы Планк тұрақтысының h бар болуы түрлендірулердің дискреттіктерін білдіреді, ол тұрақтыға тән қасиет. Алғашқы бұл көптеген түсініспеушіліктерді туғызды, қалайша тыныштық массасы белгілі электростаттарының зардабы бар заттың бөлігі, сондай-ақ толқындық қасиеттерге ие? Алайда 1930 жылы электронның толқындық қасиеті тура тәжірибеленіп дәлелденді: никельдің кристалдық торына бағытталған катодтық сәулелер (электрондар ағыны), оның артына дифракциялық суретті байқауға болатындықтан электронның толқындық қасиеті бар екені айқын. Тәжірибе арқылы табылған толқынның ұзындығы Де Бройль формуласымен табылатын ұзындықпен тең.

Электронның екіжақтық корпускулярлы-толқындығы негізделе отыра, Шредингер оның атомдағы жайын өрнектейтін теңдеуді ұсынды: тұрған электромагниттік толқынның теңдеуіне Де Бройль теңдеуіндегі оның ұзындығын енгізді. Неліктен тұрған толқынға? Себебі, тек бұл толқын сыртқы энергияны шығармайды және жұтпайды. Бұл Бордың постулатына тиісті: стационарлық орбитальдағы электрон энергияны шығармайды және жұтпайды.

Бұл теңдеудің шешімі электрон жағдайының бүкіл мінездемелерін суреттеуге және атомның электрон бұлттарының квантты-механикалық құрылыс моделін жасауға мүмкіндік берді.

Бәрінен бұрын бұл теңдеуден атом кеңістігіндегі электронның табылуы анықталды. Неліктен тек электрон анықталуының мүмкіндігі бағаланады? Табиғатқа тиісті (корпускулярлы-толқындық екіжақтық) бір жағынан электромагниттік толқындар 300 км/с жылдамдыққа ие, бірақ материалдық объекттің ешқайсысы осындай жылдамдыққа жете алмайды. Сондықтан электронның қозғалыс жылдамдығын (әрине, жарық жылдамдығынан кем), кеңістіктегі координатын дәл анықтау мүмкін емес. Ол өзінің белгілі бір көлемімен бар екендігін көрсетеді, бірақ оның дәл тұрағын табу мүмкін емес. Бұл Гейзенберг белгісіздігінің принципінде құралған, оның мағынасы – электронның қозғалыс жылдамдығы неғұрлым дәл анықталса, соғұрлым оның координатының анықталуының қатесі көбірек және керісінше. Ол атомдағы электронның анықталуын және жылдамдықты мінездейтін мүмкіндігі жоқ, тек қана атом кеңістігіндегі сол, не басқа облыстарында табылу мүмкіндігін бағалауға болады.

Шредингер теңдеуінен, электронның атомда табылу мүмкіндігі толқын функциясының ψ квадратына (электрондардың амплитудалық тербелісі), яғни электрон іздеген көлемге тура пропорционал. Соғұрлым ψ² көбірек, неғұрлым ядроға жақын болғанда, ал көлем – керісінше (1 – сурет).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – сурет. Ядродан қашықтығына қарай атомдағы электронның табылу мүмкіндігі

 

Электронның табылу мүмкіндігі толқындық функцияның квадратына, көлеміне пропорционал болғандықтан, мүмкіндік теориясы бойынша, олар осы ауқымдардың көбейтіндісіне пропорционал, онда көлем аз болғандықтан бастапқы нүкте (r → 0) кіші, ал r үлкен болғанда, ψ² → 0 болғандықтан кіші. Электронды ауқымдар үлкен мәнге тең болғанда табу мүмкіндігі үлкен болады. Есептеулер көрсеткендей, сутегі үшін электронның табу мүмкіндігінің max мәні бұл элементтің бірінші орбиталінің радиусына дәл келгенін көрсетті, бұл теорияның дұрыстық критериясы болды. 1 атом үштік өлшемдікте екенін естен шығармау керек. Ядродан әртүрлі бағытта электронның табылу мүмкіндігінің облысы бар схемамен көрсеткенде, бұл бөлік кеңістікте ядро айналасында сфера тәрізді болады (2 – сурет).

 

2 – сурет. Атомдағы электронды бұлттар

 

Атомның кеңістіктегі бөлігінде электронның табылу мүмкіндігі 90% болғанда, электрон бұлты деп аталады. 2 – суреттен 1 нүктедегі электронның табылу мүмкіндігі 2-ші, 3-ші нүктелерге қарағанда көбірек. Электронның 1, 4, 5 нүктелері және басқа штрихталған кеңістіктің бөлігіндегі табылу уақыты бірдей, бұл облыстың бүкіл нүктелерінде бар. Бұл онша сәтті ұқсастығы болмаса да, ол жеткілікті мінезді: аю өз жерін белгілі әдіспен белгілейді, осы иіс бар жерден шабуыл күтуге болады, электрон да дәл солай – толқындық қасиеттер бар кезде, бөлшек сияқты соққыны күтуге болады.

Атомдағы электронның күйін басқа мінездемелері кванттық сандармен, яғни Шредингердің теңдеулерінің  шешімдерімен суреттеледі. Бұл шешімдер нені білдіреді? Бұл өлшемдік мәнді теңдеу қойылғандағы теңдікке айналдырады, яғни оған физикалық ой береді. Бірінші дәрежелі теңдеу бір шешімді, екінші – екі, үшінші – үш, яғни неғұрлым теңдеу күрделірек болса, соғұрлым шешімнің варианттары көп болады. Осыған сәйкес кванттық сандардың аталуына келейік. Кванттық сандар не бары – төртеу. Үшеуі Шредингер теңдеуінен шыққан, біреуі – спиндік, бұның теңдеуге қатысы жоқ.

Кванттық бас саны n атомдағы электронның энергиясын мінездейді, тұтас сандық мәндері алады (тек тұтас сандардың мәндерін) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 және т.б.. Неге 1, 2, 3 және т.б. емес? Себебі, реальдік атомдарда n 7-ден көп болмайды, трансурандық элементтерде ол 7-ден көп, немесе бола береді, теория бұған мойын салмайды. Неғұрлым n көп болса, соғұрлым электронның энергиясы көп болады. n бөлшектік мәндерді қабылдай алмайтындықтан, квантқа айырмашылықпен, электрондардың энергиясы өлшеммен өзгереді. Сондықтан, кванттық бас саны атом электронының энергия деңгейін мінездейді делінген. Z электрондар атом ядросының айналасында қозғалады, сондықтан да, неғұрлым энергия көп болса, соғұрлым электрон мен ядро арасындағы қашықтық көбірек болады, энергия өлшеммен, квантпен өзгеретін болғандықтан, ядродан арақашықтық өтіммен өзгереді, яғни атомдағы электрон бұлттары қабатталып тұрады деп айтуға болады: неғұрлым n көп болса, соғұрлым электрон бұлтының өлшемі көп болады.

Кванттық қабаттар латын алфавитіндегі бас әріптермен белгіленеді  

 

                    n     1    2    3    4    5    6   7

              Қабат  K    L   М   N   O   P   Q    

   

Қателестік (орбитальдық немесе азимутальдық) квант саны ℓ электрон бұлтының формуласын мінездейді де, тұтас сандық мәндерін алады 0-ден (n - 1) дейін, яғни электрон бұлттарының формасы анықталған ғана бола алады және ешқандай өтпелі нұсқаулар болмайды. ℓ кванттық бас саны n-ге тәуелді болғандықтан, оның қандай мәнде болатынын көрейік: n = 1 болғанда, ℓ = 0

n = 2 болғанда, ℓ = 0, 1 (яғни екі мән)

n = 3 болғанда, ℓ = 0; 1; 2 (үш мән)

n = 4 болғанда, ℓ = 0; 1; 2; 3 (төрт мән)

n = 5 болғанда, ℓ = 0; 1; 2; 3; 4, Шредингердің теңдеуімен шешім табылса да, ℓ = 4 болғанда (электрон бұлтының тиістілі нұсқауы болады), реальді атомдарда ℓ үштен артық болмайды, n = 5; 6; 7 болғанда, ℓ = 0; 1; 2; 3 (одан көп емес).

Электрон бұлттарының формасы қандай? Шредингердің теңдеуін шешу үшін ЭВМ – ге арнайы бағдарлама енгізілді делік, біз бұл сұрақтың жауабын білгіміз келіп тұр. ЭВМ жауапқа тек тұтас санды, квант санының белгілі бір диапазонындағы мәнін алады. Егер ℓ = 0 мәнін енгізсек, онда электрон бұлтының формасы – сфера (шар емес, шеңбер емес, сфера – үрленген шар немесе сабын шары тәрізді) деп жауап береді.

 

 

ℓ = 0 – формасы                   (ортасында ядро)   

 

Егер, ℓ = 1 – онда формасы екіжапырақты гантель    

 

Егер, оны ұзынынан созсақ және ортасынан айналдырсақ, мұндай форма үрленген шар түрінде болады.

және

Егер ℓ = 2 болса, онда электрон бұлтының формасы одан күрделірек – төртжапырақты гантель немесе бублигі бар гантель:

 

Яғни үрленген шардың манипуляциясы күрделенеді, сондықтан көбірек энергия жұмсауға тура келеді.

Егер ℓ =3 болса, онда электрон бұлттарының формасы – алтыжапырақты гантель (одан да күрделірек) болады.

Электрон ядроға жақындау не алыстау үшін, осыдан үрленген шардың аналогиясымен неғұрлым форма күрделі болғанда, жүйе үлкен энергияға ие, яғни неғұрлым электрон бұлтының формасы күрделі болса, соғұрлым көбірек энергия жұмсау керек деген қорытынды шығаруға болады. Квант саны кеміне электронның энергиясын, энергияның деңгейшесін мінездейді. Неғұрлым ℓ - көп болса, соғұрлым электрон энергиясы бұл деңгейлікте көп болады.

Энергия деңгейшесі мен осы деңгейшеге сәйкес электрон бұлттарының әріптік белгіленулері бар

 

 

ℓ = 0 (s) →

 

 

,

ℓ = 2 (d) →

ℓ = 1 (p) →  

ℓ = 3 (f) →

Магниттік квант саны m кеңістіктегі электрон бұлттарының бағдарын мінездейді, тұтас сандық мәндерді алады (-l) – ден (+l) дейін. m мәнінің тұтас санынан, электрон бұлттарының бағдары анықталған, ал кеңістікте аралық жағдайлар болмайды.

Анықтама бойынша, егер ℓ = 0 болса, онда m = 0; 0 – шешімдердің жоқ болғанын емес, бар екенін және ол біреу ғана екенін білдіреді. ℓ = 0 болса, бұл s деңгейше, сфералық электрон бұлты, ал ол ядроға тиісті бір жағдайда ғана бола алады – ядро ортада, ал теңалыстанған электрон бұлты одан алыста:

 

 

 

ℓ = 1 болса, m = -1, 0, +1, яғни ядроға байланысты 3 варианттары бар. Мысалы егер екіжапырақты гантель болса, оның бағдары үш координат бойымен жүре алады:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ℓ = 2 болса, m = -2; -1; 0; +1; +2, яғни бес варианттары: төртжапырақты гантельдер бүкіл декарттық квадраттарда бағдарланған, ал бубликті гантель z осінің бойымен бағдарланған. ℓ = 3, m = -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3 болса, яғни жаңа „аппендикстерді“ қосқанда электрон бұлттарының 7 варианты бағдарланады. Электрон бұлттарының бағдары – шартты ұғым, себебі кеңістікте координаттық осьтер мен квадраттар жоқ. Сондықтан электрон бұлттарының бүкіл энергиясы осы деңгейшеде бірдей.

Спиндік квант саны s электронның өз осімен айналғандағы бағытын мінездейді, тек екі мәнде болады: -1/2 и +1/2,  бұл сағат тілімен бағыттас не кері бағытқа жатады (не керісінше мәні жоқ). Спиндік квант сандарының мәндері бөлшектік, бірақ өзгешелігі – бірге тең, яғни электронда аралық мінездемелер болмайды, мысалы, өз айналымында тоқтай алмайды.

Электрон энергиясы оның айналу бағытына тәуелді емес екені белгілі, яғни ол бір жаққа және белгісіз себептермен басқа жаққа айнала алады. Сондықтан да А. Эйнштейн „Құдайдың бар екеніне сенімдімін, өйткені электронның спинімен тек сол ғана басқара алады“ деген.

 

2.1 Атомдық электронды орбитальдар туралы түсінік 

 

Үш кванттық санмен n, ℓ және m мінезделген атом кеңістігінің облысы, яғни электрон болатын облыс орбиталь деп аталады.

n = 3, ℓ = 1, m = 0 болсын делік, орбиталь өлшемі – М қабаттары (үшінші ауқым бойынша), формасы – гантель тәрізді, ал бағыты z осі бойымен, яғни схема арқылы көрсеткенде, ол осындай түрде болады:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Штрихталған кеңістіктің облысы, бұлт болып табылады: n = 3, ℓ = 1, m = 0. Әрбір квант саны кеңістік облысына белгілі бір мінездеме береді, электрон осында бола алады: n - өлшем, ℓ - формасы, m – электрон бұлтының кеңістікте орналасуы.

Егер электронды бұлттардың орналасу схемасына қарасақ, қиын емес жағдай, олардың идентификациясына проблема туғызады. Сондықтан олардың атомдық белгіленуі туралы шешім қабылданды.

Мен лекцияда келесі бір фигураны салып сұраймын. Бұл не? Маған жауап береді: адам – 

 

 

 

Бұл дұрыс емес. Бұл тек адамның символдық белгіленуі. Егер бір штрих қоссақ  

 

                        бұл жерде әйел адамның салынғаны анық.

                  

Ал егер қосымша «20 жаста» және бойы 1,6 м десек. 

      20 жаста

                                  Бұл жерде жас бойжеткен туралы айтылып жатырғаны  анық, белгілі бойы мен жасы бар. 

 

 

Сол сияқты атомның электрон бұлттарының квадрат құрылысын қарастырғанда, кванттың ұяшық түрдегі атом орбиталінің символдық белгіленуі қабылданған, ұяшықтың сол жағына кванттың бас саны, ал үстінде энергияның деңгейшесі қойылады. Мысалы:

     s

1 –    - бұл атомдық орбиталь ядроға (n = 1) жақын, ал оның формасы сфера (s деңгейшесі) екенін түсінуіміз керек.

 

     р

3       - бұл үшінші деңгейдегі (М) атом орбиталі, ал формасы – екіжапырақты гантель.

Паули принципі бойынша (не тыйымы) бір атом орбитальда екеуден көп емес электрон сыяды, спиндер әртүрлі болады. Электрондарды стрелка символымен белгілейді, ұщымен жоғары не төмен (спинға байланысты). Мысалы:

     s

         1           – бұл жұптасқан электрондар деп аталады   

    p 

         2         – бұл жұптаспаған, не бос электрон

 

     s

3     - ұяшықта электрон жоқ, яғни бұл бос квантты ұяшық, немесе толмаған атомды орбиталь.

Бір кванттық ұяшықта 2-ден кем электрон болатындықтан, ал периодтық жүйеде жүзден астам элементтер бар, электронның сондай саны атомда да бар. Атомдардың электрон деңгейлерінің құрылысын қарастыру қажет, яғни квантты сандар бойынша электрондар болуы мүмкін облыстарды қарау керек.

 

2.2 Атомдағы электронды деңгейлердің құрылысы

 

Кез-келген іс басынан басталады және де біз минимальді бас квант саны n = 1 бірінші деңгейдің құрылысынан бастаймыз.

Мұндай жағдайда:

n = 1

ℓ = 0

m = 0

Яғни бірінші деңгейде бір s деңгейше s (ℓ = 0) бар, ол үшін m = 0, онда бір кванттық ұяшық орналасқан

s

                                                               1

 

Екінші деңгейдің құрылысы 

n = 2

ℓ = 0, 1 («қосымша кванттық сан» бөлімін қараңыз)

     (s)(p)

Екінші деңгейде екі деңгейше – s және p бар, ал m ℓ-ға тәуелді болғандықтан, әрбір деңгейшеде магнитті квант санының өз мәндері бар:

m_s = 0 (s деңгейшесі үшін m)

m_p = -1, 0, +1 (p деңгейшесі үшін m)

Осыдан мынадай қорытынды шығарамыз: екінші деңгейде – екі деңгейше (s және p), мұнда s деңгейшесінде – бір кванттық ұяшық, ал кванттық сандардың үш түрлі байланысы мүмкін болғандықтан, р – үш кванттық ұяшық:

 

а) n = 2                         

    ℓ = 1 (p деңгейше)    

    m _р = -1;                             

б) n = 2

    ℓ = 1  

    m _р = 0;    

 

в) n = 2                      

    ℓ = 1

    m _р = +1.

 

s деңгейшесінде ең кіші энергия болғандықтан, ол р деңгейшесінен төменірек орналасады. Бұл уақытта р деңгейшесінің барлық электрондарында бірдей энергия болады. Осыдан екінші деңгейдің құрылысы былай болады

 

             p

     s

2

 

Үшінші деңгейдің құрылысы. Оны өздеріңіз құрып көріңіздер, содан кейін ғана нәтижесімен тексеріңіздер.

n = 3

ℓ = 0, 1, 2

s, p, d деңгейшелері

m_s = 0

m_p = -1, 0, +1

m_d = -2, -1, 0, +1, +2

Екінші деңгейге қатысты пайымдаулар ұқсастығы бойынша үшінші деңгейде – үш деңгейше (s, p, d).  s деңгейшесінде – бір кванттық ұяшық, p деңгейшесінде – үш, ал d деңгейшесінде – бес. Энергиясы минимальді s деңгейшесі бәрінен төменде көрсетеледі, p – жоғарырақ, ал d – одан да жоғары.

 

                            d

            p

   s

         3

 

Егер сіз өз бетіңізше үшінші деңгейді құрай алмасаңыз, оны төртіншісімен жасап көріңіз.

Төртінші деңгейдің құрылысы:

n = 4

ℓ = 0, 1, 2, 3

s, p, d, f  деңгейшелеріне сәйкес

m_s = 0

m_p = -1, 0, +1

m_d = -2, -1, 0, +1, +2

m_f  = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

Осыдан төртінші деңгейде – төрт деңгейше, мұндағы s-те – бір кванттық ұяшық, р-да – үш, d-да – бес және f-та – жеті.

 

                                                           f

                            d

           p

   s

         4

 

Мүмкін, өз бетінше сізде де осы сияқты құрылыс пайда болған шығар.

Бесінші деңгейдің құрылысы:

n = 5

ℓ = 0, 1, 2, 3, 4

бірақ шынайы атомдарда ℓ 3-тен жоғары болмайды, сондықтан s, p, d, f деңгейшелері үшін:

m_s = 0

m_p = -1, 0, +1

m_d = -2, -1, 0, +1, +2

m_f  = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 

Бесінші деңгейде, төртіншідегі сияқты – 4 деңгейше s, p, d және f болады, және ол төртінші деңгейді қайталайды. Үш дегеннен табыңыз: алтыншы және жетінші деңгейлер қалай көрінеді? Иә, Сіздікі дұрыс, олардың да құрылысы төртінші және бесінші сияқты.

Ал енді атомдағы электронды деңгейлердің құрылысының энергетикалық диаграммасын өз бетіңізше құрастырып көріңіз. Ол үшін мынаны еске сақтау керек, энергия көп болған сайын, энергетикалық деңгей жоғары орналаса береді, сөйтіп, ең жоғарғысы – жетінші, ал ең төменгісі – бірінші болады. Тор көзді дәптер парағын алыңыз және есіңізде болсын, диаграммадағы әрбір ұяшық – бір қоршалған тор көз. Жоғарғы жағына тараудың аталуын жазыңыз: «Көпэлектронды атомдардағы электронды деңгейлердің құрылысы».

Тақырыптан алты тор төмен түсіңіз және осы жолда беттің шетінен оңға қарай 6 тор алыңыз да, алынған жерді қоршап, оның сол жағына 7 санын, жоғарысына – s әрпін жазыңыз. Бұл жетінші деңгейдің туындысы болады. Одан төмен қарай 3 тор түсіңіз де, төртіншісін қоршаңыз, оның сол жағына 6 санын жазыңыз да, ал жоғарысына – s әрпін жазыңыз, бұл диаграммадағы алтыншы деңгейдің туындысы. Үш тордан кейін төмен 5-шінің туындысын салыңыз, сосын 4, 3, 2 және бірінші деңгейдікін, ал содан соң s деңгейшесінде – бір кванттық ұяшық, р-да – үш, d-да – бес және f-та – жеті және осы деңгейлердің әр деңгейшесі келесісінен бір торға жоғары екенін ескере отырып, барлық деңгейлерді құрастырыңыз. 7, 6, 5, 4 – деңгейлерінде төрт деңгейшеден, 3-те – үш, 2-де – екі, ал біріншісінде – бір деңгейшеден екенін ұмытпағаныңыз жөн. Әрбір деңгейшені әріппен белгілеңіз. Егер сіз барлығын дұрыс жасасаңыз, сізде келесі бетте көрсетілгендей диаграмма шығады. Оны тастамаңыз, онымен әлі көп жұмыстар жасалады.     

2.3 Көпэлектронды атомдардың электронды деңгейлерінің құрылысының диаграммасы

 

                                                  f

                            d

           p

   s

         7                                                f

                            d

           p                                               

   s

         6                                                   f

                            d

           p                                            

   s

         5                                                   f

                            d

           p

   s

         4                           d

           p

   s

         3

                     p

   s

         2

             s

         1           

 

Егер сіз барлығын нұсқауларға сәкес жасасаңыз, онда сіздің диаграммаңыз дәптер бетінің барлық алаңын алып жатады, ал сіз диаграмманың мұндай түрде құрылуы өте аз уақытты алатынын, жетінші деңгейді құрастыра отырып, төменгілерінде деңгейшелердің торларын (кванттық ұяшықтары) санаудың қажеті жоқ екенін байқайсыз.

 

2.4 Көпэлектронды атомдардың электронды деңгейлерінің толтырылу жолы

 

Қандай құбыр бірдей массада тұрақтырақ болады: биік және жіңішке немесе аласа және жалпақ? Жауабына екіншісін айтқан болар едік. Егер Сіз дәл солай жауап берсеңіз, Сіз қателесесіз. Ең тұрақтысы құлап, жерде жатқан, яғни энергиясы минимальді құбыр болып табылады. Атомда да дәл сол сияқты – электронды бұлттардың тұрақты жағдайы, электрондар энергиясы минимальді және олар ең төменгі энергетикалық деңгейде орналасқан кезде болады. Атом құрылысын түсіну үшін, содан кейін барлық керекті қорытындылар жасау үшін, біз қарастырған атомдардың барлық құрылысының диаграммалары торлы дәптерде сызылу керек.

Осыдан, егер сутегі атомының құрылысын қарастыратын болсақ,  

Н, №1, Z_я = +1, n_ē = 1, онда оның жалғыз электроны ең төменгі бірінші деңгейге түседі

 

   s

         1       

 

электрондарды реттеудің қысқаша жазылуы (электрондық формула) 1s¹, бір эс 1 деп оқылады, бірінші деңгейде 1s электрон орналасқан деп түсінеміз.

№2, гелий, He, Z_я = +2, n_ē = 2, екі электрон да бірінші деңгейде орналаса алады

 

    s

         1                      формуласы: 1s²

 

Сутегі мен гелийде бұдан жоғарырақ деңгейлер бар ма? Әрине бар, бірақ олар толтырылмаған немесе электрондар орналастырылмаған, сондықтан да диаграммада көрсетілмейді. Солай бола тұра оларды естен шығармаған жөн. Осылай сәйкес энергия квантын алған электрон жаңа, өзіне рұқсат етілген жоғарырақ деңгейге көшеді, ал 10^-8 секундтан кейін бұл квантты босатып, өзінің бұрынғы орнына келе алады. Бұл фактіні білу бізге не береді? Күн жарығы – ақ, яғни егер ақ қағаз бетіне жарық түсірсе, оның түсі бұрыңғы қалпында қалады, сонда әлсіздеу жарық түскен жерлері қараңғылау, күштірек жарық түскен жерлері ашықтау болмайды. Бұл ақ жарық әртүрлі жиіліктегі көрінетін жарықтың электромагниттік толқындардың сәуле шығаруының араласуынан пайда болады. Егер күн сәулесін призмаға бағыттасақ, оның артынан жиіліктермен бөлінген толқындар спектрі байқалады. Бұл спектр тұтас, ол үздіксіз барлық жиіліктерді қосады. Егер сутегіні қыздыратындай етіп күн жарығын жіберсек, онда сутегі оның атомының электронды бұлтының құрылысындағы энергетикалық деңгейлерге сәйкес келетін энергия кванттарын жұтып қояды және спектрде призма арқылы айналдырудан кейін жиілігі жұтылған кванттардың жиілігіне сәйкес жарық саңылау, қара жолақтар пайда болады. Бұл атомның жұтылуының спектрі болады. Егер қыздырудан кейінгі салқындалып жатқан сутегінің спектрін қарастырсақ, біз керісінше, алғашқыда сутегі атомдарын жұтқан кванттардың жиілігіне сәйкес келетін түрлі-түсті жолақтар – босату спектрі екенін байқаймыз.

Әрбір элементтің ядросының өз заряды бар, және де сәйкесінше атом орбитальдары түзілген кездегі ядромен байланысатын электрондар саны бар екені маңызды. Соған байланысты әрбір элементтің басқа элементтердің спектрінен ерекшеленетін өзіндік жұту спектрі (және босату спектрі) болады. Осыған байланысты жұту спектрі немесе электромагниттік толқындардың заттарымен босатылатын заттардың болуын анықтайтын спектрлік талдау негізделген.

Дәл сол спектрлік талдау көмегі арқылы Күн сәуле шығаруындағы гелий элементі ашылды. Гелий тек қана күнде бар деп есептелінді және оның құрметіне Гелиос – күнгей (гректерше) деп аталады. Зерттей келе гелий Жерден де табылды, бірақ оның ерекше қасиеттері оның «күнгей» элемент деген атауын ақтауға негіз болып қалды.

Бұдан кейін келесі элементке көшеміз

№3, литий, Li, Z_я = +3, n_ē = 3.

Литийде үш электрон болғандықтан, олар бірінші деңгейге сыймайды, сондықтан олар келесі, екінші деңгейге орналаса бастайды.

Энергетикалық диаграмма бойынша екінші деңгей біріншісінен жоғары, сондықтан алдымен екінші деңгейді, ал соның астына біріншісін саламыз

 

                     p

   s

         2

   s

         1

 

Ал енді электрондарды орналастыру бірінші, төменгі деңгейден басталады. Онда 2 электрон орналасады, ал үшіншісі екінші деңгейдің s деңгейшесіне орналасады, өйткені онда энергия азырақ, яғни

 

             p

     s

         2

    s                              формуласы: 1s² 2 s¹

         1

 

Айтпақшы, 2s деңгейшесіндегі электронда қандай спин болады? Кез-келген, себебі оны тек Құдай біледі.

№4, Ве, бериллий,  Z_я = +4, n_ē = 4,

Жоғарыдағы жағдайлардай, электрондар алдымен бірінші деңгейді, содан соң қалғандары екінші деңгейге барады да s деңгейшесін толтырады

 

             p

    s

         2

    s                              формуласы: 1s² 2 s²

         1

 

№5, В, бор, Z_я = +5, n_ē = 5

Бірінші (2ē) деңгейді толтырғаннан кейін, қалған 3ē екінші деңгейге барады, 2s деңгейшені (2ē) толтырады және соңғысы 2p деңгейшесіне барады. Қандай кванттық ұяшыққа? Кез-келгеніне, өйіткені деңгейшедегі энергия (яғни барлық атомдық орбитальдағы) бірдей. Бірақ та, кез-келген іс басынан басталатын болғандықтан, бірінші кванттық ұяшықтағы (сол жақ) деңгейшенің бірінші электронын көрсету қабылданған

             p

    s

         2

    s                              формуласы: 1s² 2 s²  2p¹

         1

 

№6, С, углерод, Z_я = +6, n_ē = 6

Бірінші деңгей толғаннан кейін қалғандары екіншіге барады, s деңгейшесін (2ē) толтырады және қалғандары р деңгейшесіне барады. Бірақ р деңгейшесінде 3 кванттық ұяшық болғандықтан мынандай сұрақ туындайды: Олардың орналасуы қандай реттікке орындалады? Гунд ережесіне сәйкес, алдымен электрондарды бір-бірлеп деңгейшенің барлық кванттық ұяшықтарына орналастырады (ондағы олардың спиндері бірдей), содан кейін ғана кванттық ұяшықтарда жұп құрау басталады (әрине, қарама-қарсы спиндермен)

             p

    s

         2

    s                              формуласы: 1s² 2 s²  2p²

         1

 

Келесі элемент, менің көзқарасым бойынша, қосымша түсіндірулерді талап етпейді, керісінше, белгілі қарапайымдырулар жүргізуге болады: кестедегі элемнттің №-і ядро зарядымен және электрондар санымен сәйкес келеді, ал соңғы екі мәнді жазбай-ақ қоюға болады. Бұдан басқа, алдында оларда жаңа ештеңе болмайтын жұптасқан 2 электрон орналасқан бірінші деңгей толтырылады. Сондықтан, келесі элемент – азоттың құрылысын көрсете отырып Z_я және n_ē жазбаймыз, тек екінші орналастырылған деңгейді ғана көрсетеміз

№7, азот

 

             p

    s

         2                             формуласы: 1s² 2s² 2p³

 

Келесі элементте, оттегіде 2р деңгейшесінде жұп түзілу басталады. Қайсы ұяшықта? Әрине, кез-келгенінде, бірақ, әдеттегідей біріншісінен бастаймыз

№8, кислород         

  

               p

    s

         2                             формуласы: 1s² 2s² 2p⁴

Егер сіз түсінсеңіз, келесі оттегіден кейінгі элементтердің электрондық бұлтын құрастыруда қате жібермеңіз. Бұны өзіңіз жасап көріңіз, содан кейін ғана нәтижеңізді менікімен салыстырыңыз.

№ 9, F, фтор

 

                 p

    s

         2                              формуласы: 1s² 2s² 2p⁵

 

№ 10, Ne, неон

 

                 p

    s

         2                              формуласы: 1s² 2s² 2p⁶

 

Неоннан кейін үшінші электрон бұлтының толтырылуы басталады, ондағы бірінші екеуінде ештеңе болмайды да, бізге оларда 10ē екенін есте сақтау керек. Жаңа электрондар үшінші деңгейде пайда болады, оларды біз көрсетеміз.

№11, Na, натрий.

Алдағы электронды деңгейлерде 10ē болғандықтан, үшіншісінде 1 электрон пайда болады, әрине, s деңгейшесінде.

 

                            d

           p

   s                                               формуласы: 1s²  2s² 2p⁶ 3s¹

         2

 

Егер оларда электрон жоқ болса «берілген деңгейдің деңгейшесін көрсету керек пе?» деген сұрақ туады. Міндетті түрде керек, ал неге екені «Валенттілікті анықтау» тарауында белгілі болады.

Келесі магнийден аргонға дейінгі элементтердің құрылысын өз бетінше жасап көріңіз, өз нәтижелеріңізді тек қиындықтар болған кезде ғана менікімен салыстырыңыз. Оттегіден аргонға дейінгі элементтер атомдарының электрондық бұлттарының құрылысының сызбасын сақтап қойыңыз, өйткені ол кейінгі уақытта жұмыс істейтін зат болып табылады.

№12, Mg,  магний

 

                              d

              p

    s

         3                                                  формуласы: 1s²  2s²  2p⁶  3s²

 

 

№13, Al, алюминий

 

                             d

             p

    s

         3                                                  формуласы: 1s² 2s²  2p⁶  3s²  3p¹

 

№ 14, Si, кремний

 

                              d

             p

    s

         3                                                  формуласы: 1s² 2s²  2p⁶  3s²  3p²

 

№ 15, P, фосфор

 

                              d

             p

    s

         3                                                  формуласы: 1s² 2s²  2p⁶  3s²  3p³

 

№ 16, S, күкірт

 

                                d

               p

    s

         2                                                  формуласы: 1s²  2s²  2p⁶  3s²  3p⁴

 

№17, Cl, хлор

 

                                  d

                p

    s

         2                                                        формуласы: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 2p⁵

 

№18, Ar, аргон

 

                                    d

               p

   s

         2                                                       формуласы: 1s²  2s²  2p⁶  3s²  3p⁶

 

Енді кейбір қорытындыларды келесі тарауға жақындату керек.

 

3 тарау

 

Тақырып: Элементтердің периодтық жүйесі және оның атомдардың электронды бұлттарының құрылысымен өзара байланысы

 

Периодтық жүйеде элементтердің горизонтальдық қатары период түзеді. Период жүйеде 7 период бар, олар кестенің сол жағында араб сандарымен белгіленеді. Алғашқы үш период бір қатардан тұрады, 4, 5 және 6 екі қатардан, 7 период аяқталмаған. Одан басқа кестенің төменгі жағына екі қатар бөлек – лантаноидтар және актиноидтар, әр қатарда 14 элементтен жазылған.

Кестеде вертикальды қатар топ деп аталады. Барлығы сегіз топ, олар кестенің жоғарғы жағында рим сандарымен белгіленген. Әр топ екі бағанадан тұрады, біреуі кестенің ең жоғарғы жағынан, ал екіншісі – ортасынан (4 периодтан) басталады. 

Кестенің жоғарғы жағынан басталатын элементтердің бағанасы негізгі топша деп, ал ортасынан басталатын топша қосымша топша деп аталады.

Бұл жағдай атом электрон бұлтының, периодтық жүйедегі элементтің орналасуы бір-біріне тікелей қатынаста екенін көрсетеді. Диаграммада сутегі мен гелийдің электронды бұлттарының құрылысын қараңыз. Оларда тек бірінші қабат қана толтырылады. Элементтердің кестесіне қарасақ, олар бірінші периодта орналасқан.

Литийден неонға дейінгі элементтердің электронды бұлттарының құрылысының диаграммасын қараңыз. Оларда екінші деңгейше – соңғы электрон соңғы деңгейшеге, екіншісі (сыртқы) ядро деңгейшесіндегі соңғы деңгейшеге толтырылады. Осы элементтердің барлығы екінші периодта орналасқан натрий мен аргонға дейінгі электрон бұлттарының құрылысының диаграммасына қараңыз. Олардың электрондары үш деңгейшеге толтырылған, соңғы электрон үшінші (соңғы) деңгейшеге толтырылған. Бұл элементтердің барлығы үшінші периодта орналасқан.

Осыдан қорытынды шығаруға болады.

Период дегеніміз – сілтілік металдан басталып инертті газдардан аяқталатын элементтер қатары, период номері – электрон қабатын, бас квант санын білдіреді. 

Егер сутегі, гелий, литий, бериллий, натрий, магний атомдарының электронды бұлттарының құрылысын мұқият қарасақ, онда соңғы электрон қабатында s-электрон пайда болады. Егер периодтық жүйелері түрлі түсті болатын болса, онда s- элементтер қызыл түспен боялған, оны периодтық жүйеде I және II топтың негізгі топшасының элементтері құрайды. Элементтердің электрондары сыртқы деңгейде s деңгейшесі пайда болатын элементтерді s- элементтер дейді. Бұл элементтер жоғарыда айтылғандай, I және II топтың негізгі топшасының элементтерін құрайды, әрі топ номері сыртқы деңгейдегі электрон санын көрсетеді. Соңдықтан электронды бұлттарының сыртқы деңгейімен s- элементтердікі сәйкес келеді, тек период номеріне байланысты деңгейшесінің мәні өзгеріп отырады.

Енді кейбір тұжырым жасауға болады:

а) s- элементтерді соңғы электрондары сыртқы деңгейдің s деңгейшелерінде пайда болатын элементтер түзеді;

б) s- элементтерді периодтық жүйедегі I және II топтың негізгі топшасының элементтерін құрайды, әрі қарай әр период осы элементтерден басталады; 

в) Әр периодта 2s – элемент бар, ал s деңгейшеде 1 ұяшық;

г) I топтағы s- элементтерде сыртқы электрондық деңгейде 1электроннан, II топта екі электроннан орналасады, яғни сыртқы деңгейдегі электрон саны топ номеріне сәйкес келеді.

p- элементтер  жиынтығы. Екінші периодтың элементтері бор мен неонға дейінгі, үшінші период элементтері алюминий мен аргонға дейінгі элементтердің диаграммасын қарасақ, осы элементтердің арасында қандай ұқсастық байқалады? Олардың соңғы электрондары сыртқы деңгейдегі р-деңгейшесінде пайда болады. Осы элементтердің жиынтығы р- элементтерді құрайды. р- элементтерді ІІІ топтан бастап VIII топқа дейінгі негізгі топша элементтерін құрайды. Әр периодта 6р – элементтен бар, себебі р деңгейшеде 3 кванттық ұяшықтан. Әрбір кейінгі р-элементтің сыртқы деңгейшесінде алдыңғы элементке қарағанда 1 электроннан көп болады.

р- элементтердің атомдарының электронды бұлттарының құрылысын, периодтық жүйеде орналасуын не байланыстырды?

Егер де B, C, N т.с.с. диаграммасын қарасақ, көңіл бөлетін жағдай бордың сыртқы деңгейінде 3 электрон – ІІІ топта орналасқан, кремнийде 4 электрон – IV топта, азотта 5 электрон – V топта т.с.с. Тура осындай жағдай Al, Si, P сол сияқты ІІІ периодтың элементтеріне тиісті.

Демек, 1) сыртқы деңгейдегі р-элементтердің электрон саны топ номеріне сәйкес келеді;

             2) әрбір р- элементте 2s – электрон және қалғаны – p;

             3) бір топтың элементтерінің сыртқы электронды бұлттарының құрылысы бірдей (бор – алюминий, көміртегі – кремний, азот – фосфор, оттегі – күкірт т.с.с.), тек айырмашылығы толтырылатын кванттық деңгей санында.

р- элементтердің электронды бұлттарының құрылысын қарастыру үшін, мысал ретінде селенді алатын болсақ, онда оның периодтық жүйеде орналасуына қарап қорытындылайық.

Селен – алтыншы топтың негізгі топшасында, төртінші периодта орналасқан, оның төртінші деңгейінде 6 электрон бар, оның екеуі – s, төртеуі – р. 4р – электроны үш кванттық ұяшықта орналасқандықтан деңгейшенің толтырылу ретіне тиісті бір электрон жұп, екеуі дара орналасқан.

Кез келген р- элементтің электронды бұлтының құрылысын қарастырсақ ұқсастық байқалады, мысалы, иодта: VII топтың негізгі топшасында 5 – периодта орналасқан, оның 5 деңгейінде 7 электрон орналасқан, оның екеуі – s және бесеуі – р, 5р – электроны р деңгейшесінде екі жұп, бір дара электрон құрайды. Осы сияқты кез келген р- элементтерді мысалға келтіре отырып жаттығып көріңіз.

d- элементтер жиынтығы. Жоғарыда келтірілген (№18) аргонның диаграммасын қарастырайық. Оның үшінші деңгейіндегі 8 электрон s және p деңгейшелеріне орналасқан, ал d деңгейшесі бос қалды. Келесі он тоғызыншы электрон осы бос деңгейшесіне орналасуы керек сияқты. Бірақ периодтық жүйені қарасақ, №19 элемент калий төртінші периодты ашады, ол бірінші топтың s- элементі, яғни электрон төртінші деңгейдегі s деңгейшесінде пайда болады, ал үшінші деңгейдің d деңгейшесін бос қалдырады.

Ол не себептен? Себебі біз электронның квант санын талқылағанда ескердік, электронның энергиясы бас квант саны n (энергия деңгейі) мен орбиталь квант саны ℓ (энергия деңгейшесі) арқылы анықталады. Егер электронды бұлттарының құрылысына ұқсас мысал ретінде көп этажды ғимаратты алсақ, онда энергия деңгейі – этаж, ал энергия деңгейшесі – этаж арасындағы баспалдақ.

Егер, этажбен екпіндеп көтерілсең, онда тиісті этажыңнан асып кетуің мүмкін. Осы мысалды атомның электронды бұлттарының құрылысына қолдансақ, оны былай түсіндіруге болады: электронның энергиясы оның деңгейі мен деңгейшедегі энергиясының қосындысымен анықталады, яғни бас квант саны мен орбиталь квант санының n + ℓ қосындысы. Осы сандардың қосындысының мәні аз болса, электронның энергиясы да аз болады. Сол себептен (Клечковскийдің ережесі), бірінші n + ℓ мәні кіші деңгейше толтырылады. Егер бірнеше деңгейшеде осы мән бірдей болса, онда бірінші бас квант сан (n) мәні кіші бірінші орналасады.

Енді осыны көп электронды атомның электрон деңгейінің құрылысының диаграммасында қарастырайық.

Диаграммада атомдағы электрон деңгейінің құрылысы деңгейшеде n + ℓ қосындысымен көрсетілген

 

                                                                f

                                     d

                   p                                         Š              

          s                        ‰     

                7           ˆ                                          f

         ‡                        d

                   p                                          ‰   

          s                         ˆ

                6           ‡                                         f

        †               d                                  d

                   p                                         ˆ 

          s                         ‡  

     5           †                                          f

         …                        d

                   p                                          ‡                     

          s                        †

     4           …

         „

 

                                     d

                   p

          s                        …

     3           „

         ƒ

                   р

          s

     2           ƒ

         ‚

          s

     1

         

 

Деңгейшелердегі кванттық ұяшықтың астындағы қоршалған сандар нені көрсетеді? Ал ол n + ℓ санының қосындысының мәні! Бас квант санының мәні n - әр деңгейдің сол жағына жазылған, ал s, p, d және f деңгейлерге 0, 1, 2 және 3 мәні сәйкес келеді.

Сондықтан 1s деңгейшесі үшін: n + ℓ = 1 + 0 = 1, 2s деңгейшесі үшін: n + ℓ = 2 + 0 = 2, 2p: n + ℓ = 2 + 1 = 3, 3s: n + ℓ = 3 + 0 = 3, 3p: n + ℓ = 3 + 1 = 4, 3d: n + ℓ = 3 + 2 = 5 т.с.с.     

Берілген деректерді қорытындылап, атомдағы электронды бұлттарының тізбектелуін анықтайық.

Бірінші 1s деңгейшесі толтырылады, себебі n + ℓ қосындысы (қоршалған сандар) ең кіші – 1. Келесі – 2s – 2 саны. Одан кейін 2p және 3s деңгейше үшін 3 саны 2 рет жазылған: бірінші 2p толтырылады (бас квант саны кіші), содан кейін 3s. Енді n + ℓ қосындысының мәні 4-ке тең болған жағдайда, бірінші 3d, содан кейін 4s, ол 5-ке тең болған жағдайда – 3d, 4p, 5s толтырылады. Берілген сандарды пайдаланып, деңгейшелердің тізбектен толтырылуын кестеден көре аламыз

 

Ұяшықтар	1s	2s	2p  3s	3p  4s	3d  4p  5s	4d  5p  6s	4f  5d  6p 7s	5f  6d 7p
n + ℓ	1	2	3	4	5	6	7	8

 

Осы диаграммадан тағы бір қорытынды жасауға болады. Екінші периодтан бастап (екінші деңгей) сыртқы деңгейшеде сегіз электроннан көп электрон болмайды. Екінші деңгейде олардың көп болуы мүмкін емес, себебі үшінші деңгейде s және p деңгейшелерінен (8 электрон) кейін 4s деңгейшесі толтырыла бастайды, содан кейін барып 3d толтырылады. Төртінші деңгейде осылай толтырылады – 4s және 4p деңгейшесі (8 электрон), ал 5 деңгейде электрондар пайда бола бастағаннан кейін, 4 деңгей толтырылады. Осы тізбекті соңына дейін қорытындыласақ – соңғы деңгейшеде 8 электроннан көп электрон болмайтынына көз жеткізуге болады. Бұл электрондық конфигурация өте тұрақты, сондықтан периодтық жүйеде сыртқы деңгейінде 8 электроннан 8 топ бар.

Енді калийдің электрондық бұлттарының толтырылуын қарастырайық. Периодтық жүйеде орналасуына байланысты (№19) – ол төртінші периодтың s- элементі, үшінші деңгейдегі d- деңгейшесі толтырылмаған, бос, оны ұмытуға болмайды, сондықтан электрон толтыру диаграммасын құрастырғанда, үшінші және төртінші деңгейде кескінделеді.

Сонымен №19 калийді бастайық

                                                                f

                                     d

                   p                                          ‡           

          s                        †

      4          …                    

          „                                d

                        p

           s                                …

     3                „

          ƒ

Бірінші екі деңгейде 10 электроннан, енді қалған 9 электронды орналастыру керек, олар деңгейшелерде 3s² 3p⁶ және 4s¹ деп тізбектеледі: электрондық теңдеуі 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹. Келесі элемент – кальций (№20). Екінші электрон 4s деңгейшеде орналасатыны анық және электрондық теңдеуі 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² болады.

Келесі элементтің электронды бұлтының құрылысын қарастырайық – скандий №21. Ескерту!       

                                                          f

                                  d

                  p                                      ‡    

         s                       †

    4           …             

        „                                  d  

                         p

           s                                …

     3                 „ 

          ƒ

Бірінші екі деңгейде 10 электроннан толтырылған, қалған 11 электронды орналастыру керек: олар деңгейшелерде 3s, 3p, 4s деп тізбектеледі (тағы 10 электрон) және соңғы электрон 3d деңгейшеде орналасады. Электрондық формуласы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².

Келесі элемент – титан, ондағы бос электрон әрине үшінші деңгейдің d деңгейшесіндегі бос кванттық ұяшыққа орналасады, тағы сол сияқты. Осылай d- элементтер жиынтығы пайда болады.

d- элементтер жиынтығын соңғы электрондары екінші сыртқы деңгейдегі d деңгейшелерінде пайда болатын элементтер түзеді. d- элементтерді сыртқы деңгейінде осы мезгілде 2s электроннан бар.

Әрбір периодта 10d – элементтен (себебі d деңгейшеде 5 кванттық ұяшықтан) және олар барлық 8 топтың қосымша топшаларын түзеді. Қалайша 10 элемент 8 топта сыйып орналасады? Себебі әр периодта d- элементтер қасиеттерінің ұқсастығына байланысты үштен жинақталады, ол 8 топтың қосымша топша элементтері.

Скандийдің диаграммасын қараңыздар. Онда аяқталмаған сыртқы деңгейінде – 2 электрон және алдынғы толтырылмаған d деңгейшесінде тағы бір электрон, сонда барлығы – үш. Скандий қай топта орналасқан – үшінші. Сол сияқты титанның да сыртқы деңгейінде – 2 электрон және екеуі толтырылмаған d деңгейшесінде, ал ванадийда бұндай электрондар 5 – ол бесінші топта орналасқан. Осыдан қорытынды:

d- элементтерде сыртқы деңгей мен аяқталмаған d деңгейшедегі электрон саны топ номеріне сәйкес келеді.

Егер де p- және d- элементтерін электронды бұлттарының құрылысын салыстырсақ (мысалы, алюминий-скандий, кремний-титан сыңар етіп), онда бар жағдайда сыртқы деңгейді бірінші 2s электрон, содан кейін р- элементтердің жаңа электрондары сыртқы деңгейдің р деңгейшесінде пайда болады. Олардың электрон сандарының қосындысы топ номеріне сәйкес келеді. Fe, Co, Ni (VIII) үштік элементтерінде ондай электрондар тиісті 8, 9 және 10.

Енді келесі элемент №29 – мысты қалай жазуға болады? Онда 9d және 2s электроны болу керек (яғни он бір), ол бірінші топта орналасқан. Оның валенттілігінің топ номеріне сәйкес келмейтіні, электронының ауытқуына байланысты.

Осы өзгерісті толықтыру үшін мысал ретінде әркелкі (а) және біркелкі (б) жүктелген маховикті қарастырайық.

 

 

 

 

      а                        б 

Екеуінің қайсысы нақтырақ жұмыс жасайды, яғни ең аз энергия жұмсайтыны – екіншісі. Егер де атомның электронды бұлттарының құрылысын осы маховикке лайықтасақ, ассиметриялыққа қарағанда симметриялықта деңгейшедегі құрылысы толық және нақтырақ болады.

Мысалға №29 мысты алып қарастырайық.

          Cu №29 

                                                          f

                                 d

                 p                                      ‡           

        s                       †  

   4           …                    

       „                                  d

                      p

          s                                …                        

     3              „   

         ƒ

Клечковскийдің ережесіне сәйкес 3s 3p, содан кейін 4s деңгейшесі толтырылады және содан қалғаны 9 электрон d деңгейшесіне орналасады. Симметриялық құрылысына дейін d деңгейшеде бір электрон жетіспейді, яғни сол электрон сыртқы s деңгейшеден ішкі d деңгейшесіне секіріп түседі. Осы себептен, d деңгейше (жартылай толтырылған) симметриялық құрылысқа жетеді:

Cu №29 

                                                          f

                                  d

                  p

         s                        

     4                                         d

                       p

          s

     3

         

Электрондық формуласы: 1s² 2s² 2p⁶  3s² 3p⁶  3d¹⁰ 4s¹.

 

Электрондардың құлап түсуі, мысқа ұқсас элементтерде де және алтын, хром сияқты d элементтерінде болады. Палладийда екі электрон құлап (секіріп) түседі. Электрон секіріп (құлап) түсетін себебі d элементтерде сыртқы s деңгейшеде екі электроннан кем болады.

Электрондар құлап түсетін элементтер периодтық жүйедегі қасындағы басқа элементтерден өзгеше, себебі олардың электронды бұлттарының құрылысы жалпы заңдылықтан ауытқиды, мысалы мыс пен алтын қызыл және сары түсті (басқа металдар жылтыр ақ түсті) родий мен рутений тиісті иісі бар, ол паладий сутегімен тез әрекеттеседі. Бұл элементтер басқа элементтер сияқты жоғарғы валенттілігі топ номеріне сәйкес келмейді, жалпы заңдылыққа бағынбайды.

 

3.1 Атомдар мен иондардың көлемі

 

Жоғарыда айтылғандай атомның көлемі шамасы 10^-10 м. Атомның электронды бұлттарының құрылысымен танысып, әртүрлі элементтің атомдарының көлемі әртүрлі екеніне айқын көзіміз жетті. Периодтың өсуіне байланысты, деңгейлердің саны көбейеді, әр топта жоғарыдан төменге қарай атомның көлемі өседі. Мысалы, І топта, атомның диаметрі H < Li < Na < K  және т.с.с. II топта Be < Mg < Ca < Sr.

Сол үшін периодта атомның көлемі қалай өзгеретінін анықтау үшін Кулон заңын еске түсірейік

 

F = ,      

 

мұндағы F – нүктелік зарядтың әрекеттесетін күші (әртүрліатауы – жақындау, біратауы – кері итеру);

                  q₁ және  q₂  – зарядтар ауқымы;

                ε – ортаның диэлектрлік тұрақтысы (вакуум үшін Е = 1);

                  r – зарядтар арасындағы қашықтық (біздің жағдайдағы атомның радиусы).

Мысалы бірінші периодтың элементтері – сутегі мен гелийдің атомдарының өзгеру көлемдерінің принциптерін қарастырайық.

Сутегіде Z_я = +1, Z_ē = -1 (электрондар саны 1).

Гелийге тиісті заряд Z_я = +2, Z_ē = -2. Осы берілген шаманы Кулон заңына қоятын болсақ, гелийдің зарядтарының байланыс күші, сутегінікіне қарағанда 4 есе көп екені айқын, яғни тартылу күші көп, себебі сутегінікіне қарағанда гелийдің атомдарының көлемі кіші.

Егер екінші период элементтерін қарастырсақ, оларда электрондық деңгейі екеу. Бірінші деңгейінде – 2s электрон, ядрода симметриялық нейтралданатын 2 заряд. Литийде бір орны толтырылмаған заряд қалған және сыртқы деңгейінде бір электрон, ал берилийде 2 және тиісті 2, борда 3 және тиісті 3, көміртегіде 4 және тиісті 4 және т.с.с. Ядрода орны толтырылмаған зарядтар мен сыртқы деңгейіндегі электрондар көп болған сайын олардың арасындағы байланысы күштірек және атомдар көлемі кіші болады. Осыдан қорытынды, солдан оңға қарай атомдардың көлемі кішірейеді немесе басқа сөзбен айтқанда, сыртқы электронды бұлтында электрон көп болса, соған сәйкес электронның көлемі де кіші болады.

Әр период көлемі үлкен атомнан басталады – сілтілік металдардан және ең кіші көлемді – инертті (асыл) газдардан.

Бір периодтың d- элементтерінің көлеміне тиісті, яғни олардың сыртқы деңгейінде екі электроннан (немесе 1), сондықтан олардың көлемдері жобамен бірдей, ал деңгейдің электрон санының көбеюіне байланысты деңгейдің көлемі азаяды.

Атомдардың құрылысының ерекшеліктерінің күшіне қарай, химиялық реакцияда олар басқа атомдар қосып алады немесе электрондарын беріп жібереді.

Электрондарын беретін бөлшекті (атом, ион немесе молекула) тотықтырғыш дейді, бұл жағдайда тотығу процесі жүреді, ал түзілген оң бөлшек – катион деп аталады (схема)

 

Э – n ē = Эⁿ⁺ - тотығу процесі.

   тотықсыз-ғыш     катион

 

Электрондарды қосып алатын бөлшекті тотықтырғыш деп атайды, бұл жағдайда тотықсыздану процесі жүреді де, түзілген теріс бөлшек – анион деп аталады (схема)

 

Э + n ē = Эⁿ⁺ - тотықсыздану процесі.

  тотықтырғыш       анион

 

Тотығу процесін түсіндіру қиын емес: квант энергиясын алған электрондар өз орбитальдарына катион орналасады, ал нақты жүйе түзіп (анион) нейтралды атомға қосылатын электрондардың табиғаты күрделірек. Оның қалай болатынын көміртегін мысалға ала отырып түсіндіреміз.

С – көміртегі, №6, Z _e = +6, n _ē  = 6.

Электронды бұлтының құрылысы:

              p

     s

2

   

     s                             

1

 

Ядроны нүктелік заряд деп алып, оң өрістің кернеулігі шаршы радиусі бар бағытта кемиді. Бұл жағдайда ядроның екі зарядын ішкі деңгейдегі 2s электроны симметриялы нейтралдайды, ол екінші деңгейдегі тағы екі заряд – 2s электронды.

Тағы да ядроның екі заряды 2p электронды нейтралдайды, бірақ, яғни бұл р электрондар екі координаттық осьтің бойында орналасады, нейтралдау симметриалы болмайды.

 

    ē         z

              

 

 

 х   

 

у

 

 

 

х және у осьтерінің бойында артық теріс заряд –q пайда болады, ал z осінің бойында ядро нейтралданбай қалады, осының себебінен z осінің бағытында электрон тартылуы мүмкін.

Жоғарыда айтылғандай, сыртқы электронды бұлттардың құрылысы симметриялы емес көлемі кіші атомдар ғана электрон қосып ала алады (оң өріс кернеулігі көп болса).

Химиялық реакцияда атомдары тік электрон беріп жіберетін ғана емес, сонымен қатар қосып алатын элементтер – бейметалдарға жатады, ол қосып алуға қабілетсіз, тек электронын беріп жіберетін элементтер – металдар.

Енді атомдардың құрылысын біле отырып, элементтерді металдарға және бейметалдарға бөлуге болады. s, d және f элементтердің сыртқы деңгейінде 1 немесе 2s электроннан (s электронның формасы сфералы, яғни құрылысы симметриялы) тұратындар,  сутегі мен гелийден басқасы, металдарға жатады.

Сутегі s- элемент, электрон қосып алатын қабілеті бар ең кіші атом, ал гелий, электронды қосып та алмайды, беріп те жібермейді, бейметалға жатады, себебі ол – газ.

Сондықтан бейметалдарды р- элементтерден іздейміз. VIII топтың р- элементтерін ескермейміз. Олардың сыртқы деңгейінде 8 электроннан (ең жоғарғы), олар гелий сияқты электрон қосып алмайды, агрегаттық күйіне байланысты (барлығы газ) бейметалдарға жатады.

Көлемі ең кіші, сыртқы деңгейінің құрылысы асимметриялы р- элемент – фтор, ол ең күшті бейметалдық қасиетке ие: химиялық реакцияда: ол барлық элементтерден электрон қосып алып, ешкімге электрон бермейді.

Фтордан кейінгі басқа элементтерде бейметалдық қасиет кеми бастайды. Сыртқы деңгейдің асимметриялы құрылысының кемуімен және көлемінің өсуімен периодта оңнан солға (фтордан борға), топта жоғарыдан төменге қарай (фтордан астатқа) болады.

Сондықтан, осы бағытта металдық қасиеттері артады. Осыдан қорытынды жасау қиын емес, ең күшті металдық қасиетке ие элементтер фторға қарама-қарсы бұрышта р- элемент – таллийге қарсы орналасқан. Сондықтан р- элементтер диагоналына байланысты металдарға және бейметалдарға бөлінеді, осы жиынтықтың жоғарғы сол жағындағы бұрыштан оң жағындағы төмен бор, кремний, мышьяк, селен және астатқа қарай. Диагоналы жоғары элементтер – бейметалдар, ал төмен – металдар.

Алғашқы кезде, диагональ түзу сызық емес сияқты көрінді. Бұл жағдай, кестеде екінші және үшінші периодтар бір-бір қатардан, ал төртінші, бесінші және алтыншы периодтар екі қатардан алып жатқанына байланысты. Ал егер топтары бойынша қарасақ, – онда III топта бір бейметалл (бор), IV топта – екі (көміртегі мен кремний), V топта – үш (азот, фосфор, мышьяк), VI топта – төрт (оттегі, күкірт, селен, теллур), VII топта – бес (фтор, хлор, бром, йод, астат), яғни, егер р- элементтерді жеке кестеге көрсететін болсақ, онда диагональ түзу сызық болады.

Электртерістігінің төмендеуіне байланысты, элементтерді келесі қатар сияқты орналастыруға болады

 

F > N > O > Cl > Br > S > … > H > Ме.

 

Оң жағына қарай орналасқан әр элемент сол жағындағыға электрон береді. Сутегі бұл қатарда металдар мен бейметалдардың шекарасында орналасқан, сондықтан ол электрондарды металдардан алып, барлық бейметалдарға беріп отырады.

 

 

 

 

 

 

4 тарау

 

Тақырып: Химиялық қосылыстардың құрылысы. Элементтердің тотығу сандары және валенттілігі

 

Периодтық жүйедегі элементтер жүзден асады, ал заттар саны миллионнан асады, себебі, атомдар арасындағы химиялық байланыс болғандықтан, заттар түзіледі.

Химиялық байланыстың негізгі түрлері:

а) ковалентті және оның түрлері:

1) полярлы;

2) полярсыз;

3) ионды;

4) донорлы-акцепторлы немесе дативті;

б) металды;

в) сутекті.

 

Химиялық қосылыстарда ковалентті байланыстар жиі кездеседі. Бұл байланыстың қандай түрі?   

Ковалентті байланыс көрші атомдардың жұптаспаған электрондарынан ортақ электрондық жұпқа бірігу жолымен түзіледі, онда жұптағы электрондардың спиндері қарама-қарсы болуы керек. Сонда, байланыс түзуге қатысатын атомдардың электрондарында да әртүрлі спиндер болуы керек пе? Жоқ, олай емес, өйткені электронның спинінің өзгеруі энергияның шығынысыз жүреді, ал егер электрондағы спиндері бірдей атомдар соқтығысса, онда олардың біреуінің спині қарама-қарсы жаққа өзгереді. Ортақ электрон жұбының түзілуі атом ядроларының арасындағы электрондық тығыздықтың өсуіне әкеліп соғады, яғни, олардың арасындағы теріс зарядтың өсуі және ядролар осы зонаға тартылады. Бұл тартылыс энергиясы түзілген байланыстың беріктігін қамтамасыз етеді, ядролардың жақындасуы мынадай ойды тудырады, электрондық бұлттар бір-біріне енеді де, атомдардың қосарланған радиусына қарағанда, олардың арасындағы қашықтық азаяды. Мысалы, сутегі үшін τ_а = 0,53Å және химиялық байланыс орнатылмағандағы атомдардың жақындасуында ядролардың арақашықтығы 1,06 Å болуы керек (схема)

 

                                                      1,06 Å         

 

 

 

                                       .                                      

 

                     0,53         0,53

                             

                                В            А

 

Шын мәнінде химиялық байланыстың орнауы бұл арақашықтық барлығы 0,74Å құрайды.

 

                1,06 Å

                  

 

 

 

             0,53 

 

                   0,74 Å

 

Егер химиялық байланыс түзілуде электртерістігі бірдей атомдар қатысса, онда ортақ электрондық тығыздық облысы екі атомның орталығына қатысты симметриялы орналасады және зарядтардың орын алмастыруы орындалады.

Химиялық байланыстың екі жағында да электростатикалық зарядтар болмайды. Осындай байланыс полярлы емес деп аталады. 

Егер химиялық байланыс түзілуде электротерістігі әртүрлі атомдар қатысса, онда электртерістігі жоғарырақ атом ортақ электрондық жұпты өзіне қаттырақ тартады және белгілі (тиімді) теріс заряд (-q) алады. Басқа атом осындай модульмен, бірақ оң заряд (+q) алады. Байланыстың екі жағында пайда болған зарядтар электростатикалық полюстер түзеді, мұндай байланыс полярлы деп аталады (схема).

Химиялық байланыс түзетін электрондар нүкте түрінде, не нүкте және айқас түрінде белгіленеді, олардың әртүрлі атомдарға қатыстығын көрсету үшін электрондық бұлттар бір-біріне енеді.

 

H + Cl = HCl                            H:Cl  немесе  H _x  Cl

 

+q              -q        

 

Ковалентті байланысты электрондық жұптар H – Cl атомдарын байланыстырушы сызықтар түрінде белгілене алады.

Егер де түзілген байланыстағы атомдардың электртерістігі өте үлкен болса, онда ол ядролардың ортақ электрондық тығыздығына тартылуынан емес, түзілген әр аттас зарядтардың (-q және +q) электростатикалық өзара байланысының тартылыс есебінен жүзеге асады. Мұндай байланыс иондық байланыс деп аталады (схема).

 

Na + Cl = NaCl

 

Na : Cl 

 

(+q) Na      Cl (-q)

Химиялық байланыстың түзілуі кезінде әрбір атом ортақ электрондық жұптың түзілуі үшін бір-бір жұптаспаған электроннан беретін болғандықтан, оның валенттілігі (химиялық байланыстар саны), оның сыртқы электрондық деңгейіндегі жұптаспаған электрондардың санымен анықталады, мысалы:

Сутегіде 1 жұптаспаған электрон бар және оның валенттілігі I (валенттіліктер римдік сандармен белгіленеді), оттегіде –2 жұптаспаған электрон (сыртқы деңгейде барлығы – 6, олардың ішінде үш кванттық ұяшықта 2s электрон және 4p электрон), валенттілігі II, азотта – 3 жұптаспаған электрон және сәйкесінше валенттілік.

Химиялық байланыс түзілу кезінде электрондық жұптарды қоздыруға және электрондардың бірін сыртқы деңгейдегі бос кванттық ұяшықтарға аударуға жететіндей энергия бөлінеді. Қоздырылған күйде атом 10^-8 с болады және егер жаңа химиялық байланыс түзілмесе, энергияның жұтылған квантын босатып, электрон бұрынғы күйіне қайтып келеді. Егер де химиялық байланыс түзілсе, онда қоздырылған күй тұрақтырақ болады және валенттілік өседі.

Мысалдардан әртүрлі жиынтықтарда элементтердің валенттіліктерінің қалай өзгеретінін қарастырамыз.

s- элементтердің жиынтығы. Сыртқы деңгейінде бір электроны бар бірінші топтың s- элементтері тек қана бірвалентті бола алатыны белгілі. II топтың элементтерінде сыртқы деңгейінде 2 жұптасқан s электрон және әрине, қалыпты жағдайда валенттілік нөлге тең, мысалы, Be:

Be №4

              p

     s

2                             валенттілігі 0

 

Қоздырылған кезде ажырайды және валенттілігі II тең болады:

Be* №4 (қоздырылған күй жұлдызшамен белгіленеді)

              p

      s

  2

 

Сөйтіп, химиялық қосылыстардағы s- элементтердің валенттілігі топтың номерімен сәйкес келеді.

р- элементтердің валенттілігін күкірттің мысалында қарастырамыз:

S №16              

                                d

                p

     s

2                                           валенттілігі II (қалыпты жағдайда)

 

Күкірттің сыртқы деңгейінде қоза алатын бос кванттық ұяшықтар және электрондық жұптар бар. Бірінші болып р деңгейшесінің электрондары қозады, өйткені бұл деңгейшеде энергия көбірек және қоздыруға шығын аз:      

S *                           d

                p

     s                                                 валенттілігі IV               

2

 

Содан соң s электрондарының қозуы болады:   

 

S**                          d

               p

     s                                                 валенттілігі VI               

2

 

Бұл жерде күкірттің валенттілігінің өсуі таусылған.

 

Хлордың валенттілігінің өзгеруін қарастырамыз 

Cl №17

                                          d  

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі I

 

Cl *                                    d  

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі III

 

Cl **                                  d  

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі V

 

Cl ***                                d  

                        p

           s                               

      3                                                         Валенттілігі VII

 

Келтірілген мысалдардың негізінде қорытынды жасауға болады.   

р- элементтердің бірінші валенттілігі қоздырылмаған күйдегі ішкі электрондық деңгейдің жұптаспаған электрондарының санымен анықталады, ал сонан соң топтың номеріне дейін 2 қадамымен өседі, өйткені ол сыртқы деңгейдегі электрондар санына сәйкес келеді, 2 санымен, өйткені әрбір жұпта екі жұптаспаған электрон шығады.

Сыртқы электрондық деңгейлердің құрылысы бірдей болғандықтан бір топтағы р- элементтердің валенттіліктері сәйкес келетінін атап өткен жөн.

Ескерту:

а) гелий, азот, оттегі, фтор және неонның  қозған күйлері болмайды, себебі сыртқы деңгейінде бос кванттық ұяшық болмайды.

Бұл элементтерде тек қана бір валенттілік болады

He – 0, N – III, O – II, F – I, Ne – 0;

б)  III топтың р- элементтері  I және III валентті бола алады, бірақ олардың тұрақты валенттілігі III;

в) p- элементтердің жоғарғы валенттілігі VIII, себебі асыл газдардың (VIII топтың элементтерінің) сыртқы деңгейіндегі электрондардың максималды саны – сегіз.

d- элементтердің валенттілігі күрделірек анықталады, өйткені тек қана сыртқы деңгейдің электрондары қоздырылмайды, сонымен қатар сыртқы деңгейдің бос кванттық ұяшықтарда ауысатын, аяқталмаған (аттап аяқталған) сыртқының алдындағы d деңгейшесінің электрондары да қоздырылады.

d- элементтердің электрондық бұлттарының қозуы қалай жүретінін марганецтің мысалында қарастырамвз.

Mn №25

                                                           f

                                  d

                  p                                         

         s                     

    4                                    d  

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі 0

 

Сыртқы электрондық деңгейде жұптаспаған электрондар болмағандықтан, валенттілік нөлге тең. d деңгейшесінің жұптаспаған электрондары жоғары деңгейдің астына жасырылған және химиялық байланыс түзілуіне қатыспайды. Бірінші болып, әрине, сыртқы электрондар қоздырылады, өйткені қоздыру энергиясы атомның сыртынан келеді:

Mn*     

                                                           f

                                  d

                  p                                                 

          s                     

      4                                  d  

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі II

 

Содан кейін энергия квантын алып, жұппен бос кванттық ұяшықтарға өтетін аяқталмаған d-деңгейшесінің электрондары қоза бастайды:

 

Mn**   

                                                           f

                                  d

                  p

          s

      4       

                                          d  

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі IV

 

Келесі қоздырылған күйі:

 

Mn ***  

                                                           f

                                  d

                  p

          s

      4      

                                          d             

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі VI

 

Ақырында, соңғы қоздырылған күйі:

 

Mn ****    

                                                           f

                                  d

                  p

          s

      4           

                                          d             

                       p

           s                              

      3                                                         Валенттілігі VII

 

Сыртқының алдындағы толық аяқталған деңгейшелер олардың энергетикалық тұрақтылығының нәтижесінде қоздырылмайды.

Берілген мысалдың негізінде химиялық қосылыстардағы d- элементтердің валенттілігі II, содан кейін екі қадамымен топтың номеріне дейін өсетіндігі белгілі, өйткені сыртқы және сыртқының алдындағы d деңгейшесінің электрондарының саны топтың номерімен сәйкес келеді (үштік элементтерден басқасы).

d электрондар сыртқы деңгейге жұппен емес, бір-бірлеп ауыса ала ма? Иә, ауыса алады, бірақ бұл валенттіліктердің тұрақтылығы аз және химиялық қосылыстары тұрақсыз.

 d- элементтердің жоғарғы валенттілігі IX (иридийде), өйткені тоғыз        (5d⁷ 6s²) электрон сыртқы деңгейдің тоғыз кванттық ұяшығын (1s, 3p және 5d) толтыра алады. Электрондардың сыртқы деңгейдегі f деңгейшесіне өтуі энергетикалық мүмкін емес.

d- элементтердің валенттіліктерін орнатуда бір қатар ерекшеліктер бар:

а) аттаулы электрондардың элементтері. d деңгейшесі толтырылған болса да, ол қоза алады. Аса маңызды ерекшеліктер:

 

Cu I,         , III

 

Ag          , II, III

 

Au I,                     

 

Cr              ,             

 

дөңгелекте аса тұрақты валенттіліктер

 

б) Fe           ,           , VI       

 

    Co           , III   

    

    Ni            , III   

 

Сыртқының алдындағы деңгейдің өлшемі кішірейетіндіктен, басқа d электрондардың қозуы қиын;

в) үшінші топтың d элементтері үш валенттілікке тұрақты, яғни сыртқының алдындағы жалғыз d электронның қозуы үшін, сыртқы s электрондармен химиялық байланыстың пайда болуындағы энергиясы жеткілікті.

 

4.1 Электрваленттілік, тотығу дәрежесі

 

Бұл үш атаулар бір мағынаны түсіндіреді. Тотығу дәрежесі (ТД) – бұл қосылыстағы атомды табатын гепотетикалық зарядтың өлшемі, егер де электртерістілігі ең жоғары атомға өтетін жалпы жұптасқан электрондар қосылысындағы оның барлық байланысы үзілсе.

          Бұл анықтаманың мәнін қарастырып көрейік. Химиялық қосылыста металдар электрондарды тек береді, яғни ортақ электрондық жұптар олардан кетеді де, валенттілікке тең оң заряд алады. Бейметалдар электрондық жұптарды өзіне тарта алады және теріс зарядта бола алады, сонымен қатар оң зарядталып,  электртерістігі көбірек атомдарға бере алады. 

          Осыдан ТД – қозғалу бағыты бар электронды валенттілік. Элементтің символынан оң жағындағы үстіңгі бұрышта „+“ немесе „–“ таңбасы бар ТД араб цифрларымен белгіленеді. Электрондарды өзіне тарта алмайтын металдардың еркін түрдегі ТС 0-ге тең немесе валенттіліктің модулімен тең оң болады, мысалы:

 

Na — B = I, ТД = 0, +1

Ca — B = 0, II, ТД = 0, +2

Fe — B = 0, II, III, VI, ТД = 0, +2, +3, +6

          Mn — B = 0, II, IV, VI, VIII, ТД = 0, +2, +4, +6, +7

 

Еркін түрдегі металдардың ТД нөлге тең. Электртерістігі көбірек бейметалдармен қосылып, металдардағы сияқты валенттіліктің модулімен тең оң ТД бар. Алайда металдармен немесе электртерістігі азырақ бейметалдармен қосылып, өзінің сыртқы деңгейін сегізінші электронды, сыртқы деңгейге ыңғайлы құрылымына жеткізіп, өзіне электрондық жұптарды тарта алады. Осыдан: егер азоттың сыртқы деңгейінде 5 электрон болса, ол өзіне тағы да үшеуін, оттегіде 6 электрон болса, екеуін қосып алады. Сондықтан, бейметалдардың ТД теріс мәнін осы формула арқылы анықтауға болады       

 

	N топтар - 8 = бейметалдың ТД-ң теріс мәні

 

        

 

Ерекшелігі, бор, бейметалл, бірақ сыртқы деңгейінде тек 3 электрон болғандықтан, өзіне тек үш электрон тарта алатын, тек үш электрондық жұп құра алады

 

B, №5 B = III, ТД = -3, 0, +3  

 

Кейбір элементтердің валенттілігі мен ТД-н анықтап көрейік.

 

Cl   B = I, III, V, VII, ТД = -1, 0, +1. +3, +5 +7

 

P   B = III, V, ТД = -3, 0, +3, +5    

 

Br   B = I, III, V, VII, ТД  = -1, 0, +1, +3, +5, +7         

 

S   B = II, IV, VI, ТД = -2, 0, +4, +6

 

Ерекшеліктері:

 

1. Күкірт, селен және теллур ТД +2 болмайды;

2. Азот N,  B = III (тек қана үшеу), ТД = -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5.    

Азоттың мысалында, модулімен ТД мен валенттіліктен өзгеше болатыны көрінеді. Неліктен және осы жағдайда не істеуге болады?

Модулімен ТД-нің валенттіліктен айырмашылығы молекуладағы полярсыз немесе донорлы-акцепторлы байланыстардың болуынан немесе молекула құрылымының қиындылығынан болады. Дегенмен, бүкіл жағдайда молекула электронейтралды болуы керек (оң және теріс зарядтардың қосындысы нөлге тең болуы керек).

Донорлы-акцепторлы байланыс – коваленттік байланыстың түрі. Ол ковалентті сияқты екі атомның арасындағы ортақ электрондық жұптары арқылы құралады. Айырмашылығы, бұл байланыс түрінің түзілуі кезінде, бір атом (донор) ортақ жұпқа екі (жұптасқан) электрондарды ұсынады, ал басқа – акцептор, сыртқы деңгейдегі бос орбиталін ұсынып, оларды қосып алады.

          Мысалы, бұл қосылуда NH₃ + H₂O = NH₄OH аммиактағы (NH₃) азотта бүкіл үш валентті электрондар жұмсалған.

 

HNH                          H — N — H

      ∙ х              немесе                 |    

        H                                         H

 

Сонымен қатар, азоттың сыртқы деңгейінде 5 электрон бар, оның ішіндегі 2s – жұптасқан. Судың молекуласымен әрекеттесіп, бұл электрондар судың сутегі атомымен ортақ болады, себебі оттегі сутегі атомының электронын өзіне қатты тартып алады да, сутегі атомында атомдық орбиталь бос қалады. Осы жағдайдағы донорлы-акцепторлы байланыстың схемасы

 

     H                                                    H

      х ·                                                                  │

HNHОH      немесе        H — N → H — O — H

      х ∙                                                                  │

     H                                                    H    

 

Азоттың жұптасқан электрондарының сутегіге ауысқан бағытын көрсетеді, бұл спецификалық донорлы-акцепторлы байланыстың түзілуіне әкеліп соғады (ДАБ).

Бұл және ковалентті байланыстың түзілуіне екі электрон қатысатын болғандықтан, пайда болуынан басқа ковалентті байланыстан еш өзгешелігі жоқ.

Модулімен ТД коваленттілікпен тең болатын мысалдарды қарастырайық:

 

а) Na₂O                 

Na: B = I, ТД = +1 

O: B = II, ТД = –2  

NaO^-2      

 

Натрийдің 2 атомы 2 оң зарядқа ие (әрқайсысына 1-ден), оттегі 2 теріс. Зарядтардың суммасы +2 + (-2) = 0, молекулалар электронейтралды;

б) Fe₂O₃

Fe: B = III, ТД = +3

O: B = II, ТД = –2    

 

Темірдің 2 атомы 6 оң зарядқа ие (2 атомға 3-тен), оттегінің 3 атомы – 6 теріс (әр атомға 2-ден), В суммасы – 0;      

 

в) H₂SO₄

H: B = I, ТД = +1

S: B = VI, ТД = +6

O: B = II, ТД = –2.

 

Қорытындысы: сутегінің 2 атомы – 2 оң зарядына (әр атомға 1-ден) ие, күкірт атомы – 6 оң, барлығының суммасы 8 оң зарядтар, ал оттегінің 4 атомы 8 теріс зарядына ие (әр атомға екеуден), зарядтар суммасы 0, молекула электронейтралды.

Қосылыстың формуласын біле тұра, ТД қалай есептеуге болады? Кітаптарда студенттердің сол арада оскоминасы пайда болатын құрастырылған теңдеуімен нұсқаулар келтіріледі. Бәрінде былайынша істеуге болады. Мысалы, күкірт қышқылындағы H₂SO₄ күкірттің ТД анықтау керек делік. Біріншіден, бізге белгілі сутегінің ТД-н табамыз (бейметалдармен қосылысында +1) және оттегінің (көп жағдайда –2), сосын осы ТД-ды формулаға қоямыз HSO.

Формуланың оң жағын қолмен жабамыз және сутегідегі зарядтардың санын есептейміз

 

H                 дұрыс, +2 (формуланың жабық жағы штрихталған)     

 

Сосын тек оттегіні ашық қалдырып сол жағын жабамыз, содан кейін теріс зарядтарды есептейміз

 

                O, дұрыс –8.

 

Суммасы нөлге тең болуы үшін, 6 оң заряд жетіспейді. Бұл күкірттің кесектелген ТД осы

 

HS⁺⁶O

 

Осы әдістерді пайдалана отырып, келесі химиялық қосылыстағы элементтердің ТД табыңыз, ал сосын шешімдеріңізді жауабымен салыстырыңыз, егер шешімдеріңіз сәйкес келмей тұрса, қай жерде қате жібергеніңізді тауып көріңіз:

 

KMnO₄, K₂MnO₄, H₂S, Na₂SO₃,  

KСrO₂, K₂Cr₂O₇, K₂CrO₄, Fe₂O₃, Na₂SiO₃.        

Жауаптары: K⁺¹Mn⁺⁷O, KMn⁺⁶O, HS^-2, NaS⁺⁴O, K⁺¹Cr⁺³O, KCrO, KCr⁺⁶O, Fe O, Ne Si⁺⁴O.      

 

Модульмен ТД валенттілікпен сәйкес келмей тұрғандағы бірнеше мысалдарды қарастырайық.

N₂ – де азот үшвалентті (III), бірақ үш байланысқа қарамастан N ≡ N  ТД = 0 атомдардың бірдей электротерістігі бар.

H₂O₂ – егер оттегінің ТД -2, онда сутегінің ТД +2 дейтін болсақ, бұл мүмкін емес, өйткені сутегінде тек бір электрон. Олай болса, оттегі атомдарының арасында полярсыз ковалентті байланыс түзілгендіктен, оттегінің ТД –1

 

H — O — O — H,

 

және әр оттегі сутегі атомынан тек бір электроннан алады, сондықтан

 

HO.

 

Натрий тиосульфаты Na₂S₂O₃. Элементтердің ТД анықтайық: онда NaSO. Бұл қалай сонда, алдында біз күкірттің ТД +2 болмайды дегенбіз.

Натрий тиосульфаты мен сульфатының құрылымдық формуласын қарастырайық:

 

 Na — O                O                           

                     S

 Na — O                O

 Натрий сульфаты

 

 Na — O                S                            

                     S

 Na — O                O

Натрий тиосульфаты

 

Екі жағдайда да күкірттің орталық атомы ТД +6 ие. Тиосульфаттағы оттегінің біреуі ТД = -2 күкірт атомымен ауыстырылған, ТД-да сондағыдай, осыдан ортада S⁺⁶ және S^-2 жалпы ТД = +2 береді.

NО^-2 қосылысындағы азоттың ТД = +1. Бұл молекуладағы азоттың атомдарының арасындағы донорлы-акцепторлы байланысының болуына байланысты

 

 O = N         N

 

Азоттың атомдарының арасындағы байланысы полярсыз, сондықтан оттегі екі азоттан 2 электрон алады, олай болса әр азоттың ТД +1.

Тағы бір мысал: азот қышқылы HNO₃, ІІІ валенттілігінде азоттың ТД +5. Азотты қышқылдың HNO₂ құрылымдық формуласын қарастырайық     

 

H — O — N ═ О

 

Бәрі азоттың ІІІ валенттілігіне сәйкес құрастырылды. Алайда, азотта оттегімен ДАБ түзе алатын бөлінбеген екі электроны (2s²) бар

 

 H — O — N — O

       

O

 

Бұл жағдайда азоттың ТД = +5. Басқа варианттарыда болуы мүмкін. Hg₂Cl₂ делік. Бұл қосылыстағы элементтердің ТД көрініп тұр: HgCl. Себебі неде? Сынап атомдар арасында көпір салуы мүмкін

 

Cl — Нg — Hg — Cl және осыдан ТД валенттіліктен ерекшелігі.

 

Модульмен валенттілік ТД-нан ерекшеленеді ме, не жоқ па, молекула электронейтралды болуы тиіс және бұл жағдайдан шыға отырып оған кіретін әр атомның тотықтырғыштық сандары есептеледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Әдебиеттер тізімі

 

1. Коровин Н. В. Курс общей химии. – М., 1981

2. Хорин А. Н. Курс химии. – М., 1975

3. Глинка Н. Л. Общая химия. – М., 1990

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мазмұны

 

1 тарау ...…………………………………....……………………………3

2 тарау .………………………………………………………………….14

3 тарау …………………………………………………………………..31

4 тарау …………………………………………………………………..41

Әдебиеттер тізімі ..……………………………………………………..53

 

 

 

 

Негізгі жоспар 2005 ж., реті     90  .

 

 

 

 

Александр Иванович Мокрышев

Бота Дәулетхановна Казербаева

 

 

 

ХИМИЯ

 

Дәріс конспектісі

 

(мектеп бағдарламасынан химияны жетік білмейтін студенттер үшін)

 

1 – бөлім

 

 

Редакторы Ж. А. Байбураева

 

 

 

Басуға қол қойылды ___.___.___.                        Қалпы    60х84   1/16

Таралымы                 50                экз.                   Баспаханалық қағаз  №1

Көлемі             оқу есепті баспа табақ.                Тапсырма ____. Бағасы   108   тг.

 

Алматы энергетика және байланыс институтының

көшірмелі-көбейткіш бюросы

480013 Алматы қаласы, Байтұрсынұлы көшесі, 126 үй