Текстовые учебные пособия, авторские лекции

Теориялық материялды оқытуға методикалықМухленов И.П. Основы Химическая технология, - М., «Просвещение», 1973, Мухленова И.П. Общая химическая технология, Под редакц, «Высшая школа» - 1984 ч. 1.2, Кутепов А.М. т.б. Общая химическая технология, -М, 2003, Соколов Р.С. Химическая технология. – М, 2003. І –ІІ часть. оқулықтарында көрсетілген.

Лабораториялық және практикалық (семинар) сабақтарғаКлючников М.Г. Практические занятия по химической технологии,- М., «Просвещение», 1984 Химиялық технология курсындағы органикалық қосылыстарды оқыту (методикалық нұсқау) – Алматы, 1990.

Тихвинская М.Ю. Практикум по химической технологии, - М.,«Просвещение», 1984 методикалық нұсқаулар оқулығында берілген.

УМК содержит авторские тексты лекций преподавателя кафедры химии по общей химии. Они разработаны в соответствии с требованиями ГОСО и рабочей программой, утвержденной на кафедре, но в то же время они отражают научные пристрастия преподавателя и специфику специальности.

ПӘН БОЙЫНША ДӘРІСТЕРДІҢ КОНСПЕКТІСІ

Дәріс 1-3

Атом құрылысы

Атом үш негізгі бөлшектен тұрады: протондардан ( р ), электрондардан ( е ) нейтрондардан ( n ).

Бұл бөлшектердің кейбір сипаттамалары төмендегі кестеде көрсетілген:

1 – кесте. Протон, электрон, нейтронның сипаттамалары

	Протон (р)	Электрон (ē)	Нейтрон (n)
Заряд, Кл	+1,602 • 10 -19	–1,602 • 10 – 19
Салыстырмалы заряд	+1	–1
Тыныштықтағы масса, кг	1,673 • 10-27	9,109 • 10-31	1,675 • 10-27
Салыстырмалы масса

Кестеден протон мен нейтронның тыныштықтағы массасы бірдей екенін көруге болады, ал электронның массасы әлде қайда төмен. Протон мен электронның зарядтары бірдей, бірақ қарама – қарсы таңбалы, нейтрон электрлік бейтарап. Осыған байланысты атом электрлік бейтарап. Сонымен оң зарядталған атом ядросы протон мен нейтроннан тұрады.

A = p + n

Протондар мен нейтрондар бірге нуклондар деп аталады және ядроның массалық санын (А) құрайды:

А – массалық p-протон n- нейтрон саны

Атом өлшемі: 10^{-8 см}

Ядро өлшемі: 10-13 см

Ядрода протондар мен нейтрондарды ұстап тұратын күштер ядролық күштер деп аталады. Атомның барлық массасы ядрода жинақталған.

Бір элементтің ядро зарядтары бірдей, массасы әр түрлі (нейтрон саны әр түрлі) атом түрлері изотоптар деп аталады:

(19p 20n)

(19p 21n)

(19p 22n)

Элементтің атомдық массасы оның изотоптарының массаларының ортақ мәніне тең.

Тұрақты және тұрақсыз изотоптар.Барлық изотоптар тұрақты және радиоактивті болып бөлінеді. Тұрақты изотоптар радиоактивті ыдарауға ұшырамайтындықтан, олар табиғи жағдайда сақталады. Мысалы, ¹⁶О, ¹²С, ¹⁹Ғ тұрақты изотоптар болып табылады. Табиғи элементтердің көпшілігі тұрақты изотоптардың екі немесе одан да көп қоспаларынан тұрады. Барлық элементтердің ішіндегі тұрақты изотоп саны ең көбі (10 изотоп) – қалайы. Сирек жағдайда, мысалы аллюминий немесе фосфорда табиғатта тек бір ғана тұрақты изотоп кездеседі, ал қалған изотоптары тұрақсыз.

Радиоактивті изотоптар өз кезегінде табиғи және жасанды болып келеді. Екеуі де өздігінен ыдырайды. Ол үшін α- или β- бөлшектерді сыртқа шығармайынша тұрақты изотоп түзілмейді. Барлық изотоптардың химиялық қасиеттері негізінен бірдей.

Радиоактивті ыдырау түрлері. Өздігінен ядролық айналудың негізгі үш түрі бар:

1. α- ыдырау. Ядро екі протон және екі нейтроннан тұратын гелий ⁴Не атомының ядросы болып келетін, яғни α- бөлшекті шығарады. α-ыдырау кезінде изотоптың массалық саны 4-ке, ал ядро заряды 2-ге азаяды. Мысалы,

Ra → Rn + He

2. β - ыдырау. . Тұрақсыз ядрода нейтрон протонға айналады, осыдан ядро электронды (β-бөлшекті) шығарады:

_

n → p + e + v

β- ыдырау кезінде изотоптың массалық саны өзгермейді, протон мен нейтрон сандары сақталады, ал, ядро заряды 1-ге өседі. Мысалы,

Th → Pa + e

3. γ- ыдырау. Қозған ядро өте аз толқын ұзындығымен γ–сәулені шығарады. Осыдан ядро энергиясы азаяды, ал ядро заряды мен массалық саны өзгеріссіз қалады.

Радиоактивті ыдырау жылдамдығы.Радиоактивті элементтердің ыдырау жылдамдықтары бір-бірінен ерекшеленеді және олар температура сияқты ішкі жағдайларға (бұдан кәдімгі химиялық айналулардан ядролық реакциялардың маңызды ерекшелігін көруге болады) тәуелді емес. Әрбір радиоактивті элемент жартылай ыдырау периодымен τ_1/2 сипатталады. Демек, уақыт өте бастапқы заттың жартысы өздігінен ыдырайды. Дәл осылай уран ²³⁸U үшін жартылай ыдырау периоды τ_1/2= 4,5·10⁹ жыл. Нақ осы себептен уран активтігі бірнеше жылдар ішінде байқалатындай өзгермейді. Радий ²²⁶Ra үшін жартылай ыдырау периоды τ_1/2 = 1600 жыл, сондықтан радийдің активтігі уранға қарағанда жоғары. Жартылай ыдырау периоды неғұрлым аз, соғұрлым радиоактивті ыдырау жылдамырақ жүретіндігі түсінікті. Әртүрлі элементтер үшін жартылай ыдырау периоды миллиондаған секундтар үлесінен миллиардтаған жылдарға дейін өзгеруі мүмкін.

Мысал ретінде уранның U табиғи ыдырауының айналуын көрсететін болсақ, аралық радиоактивті изотоптар арқылы тұрақты изотоп қорғасынға Pb (1. сурет) дейін өтеді. 1.суреттегі сызбанұсқада әртүрлі элементтер үшін жартылай ыдырау периодын τ_1/2 (сызықшаның астында),радиоактивті элементтерден шығарылған бөлшектер (сызықшаның үстінде) көрнекі суреттелген.

1. сурет. Уран-238 ыдырау сызбанұсқасы.

Енді радиоактивті ыдырау заңы үшін математикалық өрнекті табамыз.

Жартылай ыдырау периоды τ_1/2 - бастапқы зат атомының өздігінен ыдырауға (бастапқы заттың атом санын m₀ арқылы белгілейміз) кеткен уақыт. Сонда уақыт өтуімен бір жартылай ыдырау периодынан бастапқы атомның жартысы m₁=1/2m₀ қалады.

Уақыт өте екі жартылай ыдырау периоды теңесіп, қалған атомның жартысы ыдырайды, демек 1/2 m₁, және m₂ = 1/2 m_{1 =} 1/2 (1/2m₀) = m₀(1/2)² қалады. Жартылай ыдыраудың үш кезеңі өткенде бастапқы зат атомынан m₃ = 1/2 m₂ = m₀(1/2)³ қалады.

Осы жерден жартылай ыдырау периодын τ_1/2 және заттың бастапқы санын біле отырып, кез-келген уақыт t аралығы үшін қалған атом санын табуға болатын формула қорытамыз:

m(t) = m₀ ·(1/2)^t/τ1/2_. (1)

Бұл - жалпы жағдайда логарифмдеумен шешілетін көрсеткіш функция.

Осыдан, жартылай ыдырау периоды ыдырамаған радиоактивті атом санына порпорционал, мұндай реакциялар бірінші ретті реакциялар деп аталады. Ал бұл кез-келген изотоптың жартылай ыдырау периоды ыдырау сатысында көбіне ыдырау тұрақтысы деп аталатын жылдамдық константасымен (k) байланысты. Ыдырау тұрақтысы радиоактивті изотоп ядросының тұрақсыздығын сипаттайды және жартылай ыдырау периодымен мына қатынаста байланысқан:

τ_1/2= 0,693/ k. (2)

Әрбір нақты изотоп өзіндік тұрақты мәнімен τ_1/2 және k сипатталады; осыны біле отырып, уақытты t есептеуге болады, уақыт өте радиоактивті көз интенсивтігі белгілі бір санға азаяды. (1) және (2) формулаларынан келесі теңдікті аламыз

t = 2.303 (3)

Төменде суреттеу түрінде органикалық айналу үлгісінің өсуін қарастырамыз.

Табиғи радиоактивтікті талдауды аяқтай келе, 1. суреттегі (уран қатары деп аталатын) табиғи радиоактивті элементтер қатарын еске түсірсек, тағы да екі басқа табиғи қатар бұл - актиний қатары, U басталып және Pb аяқталатын, және торий қатары Th басталып Pb аяқталатын белгілі. Және тағы да төртінші қатар бар, бірақ ол табиғатта кездеспейді және жасанды түрде алынған.

Осыдан басқа әртүрлі изотоптарды жіктеп зерттегендей, табиғи радиоактивтің айналуын жалғастырушыларды табуға мүмкіндік туды. Бұл айнылым Содди-Фаянстың араласу заңына бағынады:

Егер атом α-бөлшектерді шығару арқылы ыдыраса, онда түзілетін элементтердің реттік номері бастапқы элементпен салыстырғанда екі бірлікке азаяды; атом массасы 4 есе төмендейді. α - ыдырау нәтижесінде периодтық жүйенің басына қарай реттік номері екі торға ауысқан элемент түзіледі.

Егер атом β-бөлшектерді шығару арқылы ыдыраса, бастапқы элементпен салыстырғанда түзілетін элементтің реттік номері бірге өседі; атом массасы өзгермейді. β - ыдырау нәтижесінде периодтың жүйенің соңына қарай бір торға кейін ауысқан элемент түзіледі.

γ-сәулелену атом зарядына да, массасына да өзгеріс әкелмейді. 1.суреттегі сызбанұсқа жоғарыда баяндалған Содди-Фаянстың араласу әдісін көрнекі суреттеген.

Жасанды айналу. Біз элементтердің жасанды айналу мүмкіндігін алдында қарастырдық. Мұндай түрдегі бірінші реакцияны Резерфордтың азот атомын α-бөлшектермен бомбалауымен (атқылауымен) жүзеге асырған:

N + He → O + p.

Қазіргі уақытта жасанды айналуды жүзеге асыру үшін көбіне протондар мен нейтрондарды қолданады. Мысалы,

B + p → C,

1930 ж. Э.Лоуренс дүние жүзінде бірінші болып циклотрон (атом ядросын бомбалау үшін, элементар бөлшектерді жылжамдататын «снарядтарды») жасады, осыдан кейін әртүрлі үлгідегі ядролық реакциялар ашылып зерттелді. Қазіргі кезде химияның арнайы бөлімі ядролық химия элементтердің айналуларын зерттеумен шұғылданады.

Бұрын белгісіз болған технеций, франций, астат және т.б., сияқты элементтер, сондай-ақ барлық трансуран элементтерінің (реттік номері 92 жоғары элементтер) синтезі ерекше маңыздылық көрсетті. Қазіргі уақытта 17 трансурандық элементтер (Z = 93 тен Z = 109 қосқанда дейін) алынған. Атомдық номері 99 және одан жоғары трансуран элементтерінің көпшілігі С немесе N сияқты ауыр бөлшектермен атқылау арқылы алынған. Мысалы, эйнштейний Es N ядросымен уран-238 атқылау арқылы алған:

U + N → Es + 4 n.

Радтоактивті изотоптарды қолдану.Радиоактивті изотоптар өте жиі және әртүрлі үлгіде қолданылады.Ол бір жағынан олардың сәулеленуін қолдану мүмкіндігі болса, ал екінші жағынан оның сәулеленуінің басқа затқа әсерінің мүмкіндігіне негізделген.

Мысалы радиоактивтік сұйық заттардың кемуінде: өнеркәсіпте сусындарда жинақ бактарынан және құбырөткізгіштерден кемуді анықтау үшін;

инженерлік құрылыста жерасты суөткізгіштерден кемуді анықтау үшін; энергетикада электростанцияларда жылуөткізгіштерден кемуді анықтау үшін; ағын суларды бақылауда магистральді коллекторлар үшін кемуді анықтағанда; мұнайөндіретін өнеркәсіптерде мұнайқұбырларындағы кемуді анықтау үшін т.б. кеңінен қолданыс табады. Барлық мүмкін болатын жағдайларда зерттелетін сұйыққа өмір суру уақыты қысқа изотоптар қосылады. Сәулелену деңгейінің бірден жоғарылауы бетінде сұйықтың кеміген орнын көрсетеді.

Изотоптар сондай-ақ ғылыми зерттеулер мен медицинада кеңінен қолданылады. Ионданатын сәулелену тірі ұлпаны бұзуға белсенді. Қатерлі ісік ұлпалары сау ағзаға қарағанда сәулеленуге неғұрлым сезімталырақ келеді. Бұл әдетте кобальт-60 радиоактивті изотобының көмегімен алынатын γ-сәулеленуімен қатерлі ісік ауруларын емдеуге (радиациялық емдеу) мүмкіндік береді.

«Таңбаланған атомдар» химиялық реакциялардың механизмі үшін кеңінен қолданылады. Мысал ретінде күшті қышқыл қатысында карбон қышқылы мен спирттің әрекеттесуінен күрделі эфирдің түзілуінің этерификация реакциясының механизмін құруды көрсетуге болады. Әдетте карбон қышқылының, спирт және күкірт қышқылының қоспасын бірнеше сағаттар ішінде қайнатады. Егер «таңбаланған» ¹⁸О изотопы мен спирт қолданылатын болса, онда «таңбаланған» оттегі судың емес, күрделі эфирдің құрамына кіреді. Бұл реакцияда байланыстың үзілуін келесі түрде өтетіндігін дәлелдейді:

(4)

Басқа сипаттамалық мысал. Фотосинтез – биосферадағы бірден-бір маңызды процесс; оның өнімі ретінде іс жүзінде органикалық қосылыстардың барлығы дерлік бола алады. Жарықтың әсерінен жасыл өсімдіктерге хлорофилмен сіңірілетін пигменттердің әсерінен нәтижесінде көміртек диоксиді мен судан глюкозалар С₆Н₁₂О₆ мен оттегі түзілуі жүреді. Фототсинтез теңдеуін толық мақұлдасақ:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Кемінде оттегін СО₂ –ден алуға болады деп күтуге болады. Алты молекула суда алты молекула О₂ түзу үшін оттегі жетіспейді. Судың кейбір зерттеулерінің бірінде оттегі бойынша таңбаланған Н₂¹⁸О, ал кейбір жағдайда таңбаланған оксидті С¹⁸О₂ қолданғанда, бірінші жағдайдан ¹⁸О₂, екіншісінде ¹⁶О₂ алынғандығы дәлелденген. Демек оттегінің барлығы фотосинтез кезінде судан пайда болады. СО₂ құрамындағы оттегі жартылай глюкоза молекуласың, жартылай қайтадан түзілген су молекуласының құрамына кіруі мүмкін. Су қатысында Н₂¹⁸О өтетін реакция теңдеуін дұрысырақ келесі түрде жазуға болады:

6С¹⁶О₂ + 12 Н₂¹⁸О → С₆Н₁₂¹⁶О₆ +6 ¹⁸О₂ +6 Н₂¹⁶О.

Радиоактивті изотоптар сондай-ақ химиялық және биологиялық зерттеулерде, медицинада ең көп қолданылуы 2-кестеде келтірілген.

2-кесте. Биологияда және медицинада қолданылатын радиоактивті изотоптар сипаттамасы.

Ыдырау теңдеуі	τ1/2	Энергия, МэВ
Т → Не + β С → N + β Р → S + β Р → S + β S → Cl + β Fe → Co + β + γ Co → Ni + β + γ Se → Br + β + γ I → Xe + β + γ	12,26 жыл 5730 жыл 14,2тәу   25,3 тәу 8,72 тәу 44,5 тәу 5,27 жыл 118,5 тәу 8,04 тәу	0,019 0,156 1,71   0,249 0.167 1.565 2,824 0.864 0.971

Әсіресе радиоактивті көміртегін С органикалық туындылардың жасын радиокөміртегі әдісі (геохронология) негізінде (америка физико-химигі

У.Ф. Либби;1960ж. химия бойынша Нобель сыйлығының иегері болған) қолдану қызықтырақ. Либби өзінің әдісін өңдегенде белгілі дәлел радиоактиві көміртегі С изотобының (көміртегі (IV) оксиді түрінде) жер атмосферасының үстіңгі қабатында азот атомдарын нейтрондармен атқылау кезінде түзілуінде ғарыштық сәуле құрамына кіретіндігін қолданды:

N + n → С + p (5)

Радиоактивті көміртегі өз кезегінде β- сәулені шығару арқылы қайтадан азот атомына айналады:

С → N + β. (6)

Атмосферада түзілген радиоактивті көміртегі көміртегі (IV) оксиді түрінде фотосинтез процесінде барлық өсімдіктерге, ары қарай осы өсімдіктермен қоректенетін (немесе қолданатын құрамында көмірқышқыл газы бар су арқылы) жануарлар ағзасына түседі.

Тірі ұлпаларда радиоактивтікті деңгей тұрақты, өйткені оның азаюы табиғи радиоактивті С ыдырау салдарынан тұрақты радиоактивті көміртекті ағзаға түсуімен компенсацияланады .Осыдан ұлпа құрамындағы С 1 грамына санағанда тірі ұлпа минутына 15,3 β-бөлшекті шығарады.

Тірі ағза өлген кезде онда олардың СО₂ жұтуы тоқтатылып, ал оған жинақталған С (6) реакция бойынша жартылай ыдырау периодымен 5730 жыл ыдырайды. Зерттелген үлгіде радиоактивті көміртегі құрамын (нақтырақ β – сәулелену активтігін өлшегенде, яғни уақыт бірлігінде β-ыдырау санын) өлшей келе, оның «жасын», яғни оның құрамындағы көміртектің атмосферада пайда болған уақытын анықтауға болады.

Массалық саны бірдей, ядро заряды әр түрлі атомдар түрі изобаралар деп аталады:

(18p 22n)

(19p 21n)

(20p 20n)

Әр түрлі элементтердің ядро құрамы әр түрлі. Өйткені, атомның басты сипаттамасы оның массасы емес, оның ядросының оң заряды.

Тек протий атомында ( 'Н ) нейтрон болмайды. Мысалы, бордың табиғатта екі изотопы бар: ¹⁰ В – 19,6 %; ¹¹ В – 80,4 %. Бордың салыстырмалы атомдық массасы мына қатынас бойынша анықталады:

Элементтер мен олардың қосылыстарының химиялық қасиеттерін сыртқы және аяқталмаған деңгейдегі электрондар саны анықтайды.

Атомдық теория классикалық механикадан кванттық механикаға дейін дамыды.

Көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде оң зарядталған ядроны теріс зарядталған электрондар қоршайтындығы анықталған. Атом протондар мен электрондар арасындағы тартылыс күштер және электрондар арасындағы тебіліс күштер арқылы тепе – теңдік қалпында болады. Бұл модель электрондар ядродан белгілі арақашықта болады деп қарастырмады.

1911 жылы Эрнест Резерфорд электрондар ядроның айналасында белгілі сақиналы орбитальдармен қозғалады деп болжаған. Бұл модель сутек атомын дұрыс сипаттағанмен, көпэлектронды атомдарды дұрыс сипаттай алмады.

1913 жылы Нильс Бор атом құрылысының кванттық моделін ұсынған. Бор моделі бойынша электрондар ядро айналасында сақиналы, планетарлық орбиталар бойынша қозғалады. Бұл теорияның басқа белгілі теориялардан айырмашылығы, ол электронның энергиясы бір орбитада тұрақты болып қалады және әр орбитаның өзіне сай энергиясы болады. Бор моделі бойынша атомда бірнеше белгімі энергиялы орбиталар болуы мүмкін, ал электрондар оздеріне сай орбиталармен қозғалады.Осы көз қарастарға негізделіп Бор атом қурылысының кванттық моделін усынған.