ХХ ғасыр химиясына тән сипаттар

ХХ ғасыр химиясына тән сипаттар

Периодтық заң ашылғаннан кейін де химиялық элемент туралы білімнің дамуында алуан түрлі қайшылықтар кездесті. Периодтық жүйенің сызықтық бейнесі де үздіксіз өзгеріске ұшырады. Мұның әр түрлі периодтылықты әр қырынан нақтылы көрсеткенімен, заңды тұтасынын сипаттай алмады. Периодтық жүйенің шегі туралы мәселе шешімін таппады. Элементтердің жалпы саны туралы болжам жасауға негіз табылмады. Кейде элемент қасиеті өзгеруінің атомдық массаға тәуелділігі (аргон және калий, теллур және иод, кобальт және никель) бұзылды. Атомдық массалардың бөлшек сандар түрінде кезесуі түсіндірілмеді. Пертожтық заңның физикалық мәні ашылмады. Химиялық элемент жалпы ұғым түрінде қалыптасып, оның атомымен арасындағы байланысы сараланбады.

Сонымен, ХІХ ғасырдан ХХ ғасырға өтетін кезеңінде ғалымдар алдына атом мен молекуланың табиғатта бар екенін тәжірибиеде дәлелдеу міндеті тұрды. Мұның өзі оңай шаруа емес. Ең күшті үлкейтетін микроскоп арқылы да көруге болмайтын майда бөлшектерді тікелей бақылау мүмкін емес еді. Олардың ақиқат барын жанама тәсілдермен ғана айқындауға болады. Ұсақ бөлшектердің Броун қозғалысына негізделген осындай бір тәсілін теориялық жакғынан А. Эйнштейн, франсуз ғалымы Ж. Перрен тәжірбиеде жүзеге асырды. Ж. Перрен заттың бір граммолекуласында 6х10²³ бөлшек болатыны анықтады. Бұл теориялық есептелген және басқа әдістермен табылған бөлшек санына толық сәйкес келді. Молекуланың бар екенін айқындайтын осы шама Авогадро тұрақтысы атанды. В. Оствальдтың өзі молекуласы –кинетикалық теорияны мойындауға мәжбүр болды.

Ендігі жерде атомның қасиетін түсіну мәселесі күн тәртібінде қойылды. Олардың молекулаға бірігуіне қандай күш әсер етеді. Бір элементтің бірдей атомдары неліктен жақындасып молекула түзеді? Осыған ұқсас туындайтын сан алуан сауалдарды атомның бөлінбейтіні тұрғысынан түсіну мүмкін емес еді. Сондықтан атом құрлысының күрделілігі туралы жорамал пікір бірінен соң бірі туындай бастады. Ғалымдар Е. Рикке (1888), Д. Максвелл (1873), Г. Вебер (1871), Д. Стоуни (1881), Г. Гельмгольц (1881) атомдық және электрлік көзқарасты ұштастырып, валеттіліктің табиғатын және электролиз құбылысын түсіндіруге тырысты. Д. Стоуни ең қарапайым электр зарядының 0,3х10^-10абсолют элкирлік бірлікке тең екенін есептеп шығарды.

Зат құрылымының атомнан төменгі деңгейінің құпиясын ашу физиктердің үлесіне тиді. Олар ХІХ ғасырдың соңында атомның жіктелетінін дәлелдейтін бірсыпыра тәжірбиелік мәліметтер алды.

Электронның ашылуы. 1869 жылы неміс физигі В. Гитторф (1824 -1914) сиретілген газ толтырған шыны түтік арқылы ток жібергенде, катодтан бұрын белгісіз сәулелердің шығатынын байқады. Олар орасан зор жылдамдықпен қозғалып, түтіктің қарсы қабырғасында ашық жасыл сәуле шығарады. Жолындағы жеңіл нәрселерді қозғалтады, қатты денелерге сіңіп жылытады, электр және магнит өрісінде бағытын өзгертеді. 1876 жылы Е. Гольдштейн шығатын сәулелер қасиеттерінің катодтың табғатына тәуелді еместігін анықтап, катод сәулелері  деп аталады. Бұл сәлелерді 1879 жылы ағылшын ғалымы Вильям Крукс (1832-1919) өзі жасаған түтік арқылы толығырақ зерттеп, теріс зарядының барын анықтады. 1891 жылы Д.Стоуни бұл бөлшекті электрон деп атады. Электьронның анық барын 1897 жылы ағылшын ғалымы Джон Томсон және неміс ғаламы Эмиль Вихерт (1861-1928) айқындады. Олар электронның зарядын және массасын, дәлірек айтқанда зарядының массасына қатынасын (е/m) тапты. Электронның заряды 1,591х10^-19Кл, массасысутегі атомы массасының 1/1840 бөлігіне тең болатыны анықталды (1917 ж. Р.Миляикен). Электронның граммен алынған массасы – 0,91х10^-27 г. Электронның ашылуы атомнанкіші бөлшек болатыны жөнінде көзқарас тудырды.

Протоннның ашылуы. Неміс физигі Е.Гольдштейн катод сәулелерін алатын тәжірибенің қойылуын өзгертіп, атомда оң заряд болатынын анықтады. Ол катодты тесіктері бар металл дөңгелегінен жасап ток жібергенде, әр тесіктен жарқыраған сәуле шоғының шығатынын байқады. Бастапқыда канал сәулелері аталған бұл бөлшектерде газ молекулаларының иондауынан түзілетіні, оң зарядының болатыны анықталды. Мұндай бөлшектің ең жеңілі, түтік сутегі газымен толтырылғанда алынады. Слндықтан электронын жоғалтқан сутегі атомы – протон деп аталады. Кейінгі мәліметтер бойынша протонның массасы – 1,67х10^-24 г.

Рентген сәулелері. Катод сәулерін үңіле зерттеу тағы бір құбылыстың бетін ашты. 1895 жылы В.Рентген (1845-1923) түтіктің катод сәулелері түскен жерінен бұрын белгісіз сәуленің шығатынын байқады. Ол күн сәулесін жібермейтін қара қағаздан да өтіп, фотопластинкаға әсер етеді. Жолындағы денелердің бәріненөтіп шығады. Барийдың қосылыстары жағылған экраннан жарық шығарады, ауаны иондандырады. Бастапқыда Х сәулелер атанған бұларға жылдам қозғалыстағы электронның тежелуінен туған электромагнитткі толқын шығар деген жорамал жасалды. 1912 жылы неміс физигі Макс Лауэ осы жорамалдың дұрыстығын дәлелдеп берді. Мырыш сульфидініңкристалдары арқылы өткенде сәуленің дифракцияға ұшырайтынын байқады. Рентген сәулелерініңөткірлік қасиеті техникада, медицинада және ғылыми зерттеулерде кеңінен пайдаланылады.

Радиоактивтіліктіңашылуы.  Рентген сәулесі ғылымға және өмірге алуан түрлі жаңалықтар әкелді. Француз ғалымыА.Пуанкаре бұл сәуле Крукс түтігіндеғана емес, флюоренция жасайтын заттардыңбәрінен шығуы тиіс деген жорамал жасады.Осы жорамалды Париж академиясының мүшесі, физик профессоры Анри беккерель (1852-1908) тексеруге кірісті. Оның әкесі де жарықтың әсерінен түрлі заттардың сәуле шығару құбылысын зерттеген ғалым болатын. Тәжірибеге өзі бұрын зеріттегенуран және калийдің күкірт қышқылымен қос тұзын таңдап алды. Бірде бұлтты күндері қараңғыдақалдырған уран тұзының фотосурет пластинкасынаәсерін байқады. Тәжірибені бірнеше қайталағанда уран тұзының жарықтықтың әсерінсіз сәуле шығаратынын анықтады. Тіпті уранныңфлюоренция жасамайтын қосылыстарының өздігінен сәуле шығаратынқасиеті ашылды. Бұл сәулелердіңбір жағынан рентген сәулелеріне ұқсас,екінші жағынанүлкен айырмашылығы бар екені байқалды. Рентген сәулесі тәрізді фотосуретпластинкасына әсер етеді, ауаныиондайды, әр түрлікедергіден өтіп шығады. Бірақ уран сәулелері адамның денесі, үйдің қабырғасы және есігі арқылы өте алмайды.

Жаңа сәуле туралы Париж академиясында бірнеше хабарлама жасалды. Париж университетін бітірген М.Склодовская осы сәулелерді зеріттеуге кірісті. Мария 1867 жылы Варшава қаласындағы гимназияда мұғалім болып істейтін Склодовскийдің отбасында дүниеге келді. Жастайынан білімге құмарлығынтанытты. Өз елінде әйелдерге жоғары білім алу мүмкін болмағандықтан оқу іздепПарижге келді.Тұрмыс тауқыметін басынан кешірді. Жеке адамдардың баласына сабақ берді. Университеттіңфизиказерітханасында ыдыстарды жуып, тапқан ақшасынапәтер жалдап тұрды. Қарны тойып тамақ ішпесе де, университеттегі оқуын жалғастыра берді. Марияның білімге құштарлығын байқаған физиказертханасыныңмеңгерушісіГ.Лимпан (1845-1921) препараторлыққа жоғарылатып, оның ғылыми жұмысына басшылық жасауды ассистенті Пьер Кюриге тапсырды. Жастар бірін-бірі ұнатып, Мария 1895 жылы Пьер Кюриге тұрмысқа шықты.

Ғылым жолына жаңа түскен Мария Склодовская Кюри алдымен урансәулелерінің күшін өлшеуді мақсат етті. Мұны фотосурет пластинкасы арқылы дәл анықтау мүмкін емес еді. Ауаныңиондануына негізделген өлшеуіш аспаптызайыбы Пьер Кюри ойлап тапты. Мария Кюри осы аспаптың жәрдемімен таза уранның, оның белгілі қосылыстарының және кендерінің сәуле шығару қарқынын зерттеп, мынадай қорытындыға келді: таза уран өзінің қосылыстарына қарағанда сәулені күшті бөледі. Қослыстарынан шығатын сәуленің мөлшері олардағы уранның массасынапропорционалды тәуелділікте болады. Таза ураннан гөрікейбір кендерді, мысалы, ураннымы (смоласы) сәулені күштірек шығарады. Өздігінен сәуле шығару құбылысы – радиоактивтілік, ал оларды бөлетін заттардың өзі – радиоактивті заттар  деп аталды. Мария Кюри өзінің тәжірибелеріненуран кеніндеураннан гөрі радиоактивтілігі күшті бір элемент болуы тиіс деген жорамал жасады.

Шығаратын сәулесі арқылыэлеметтің өзін іздеугеерлі-зайыпты Кюрилер белсене кірісті. Австриядан бірнеше тоннауран алынғаннан кейін ным кенінің қалдығын сұрыптап алды.Арнайы жұмысорныболмауынан, зеріттеу ескі қорада жүргізілді. Руданы күкірт қышқылындаерітіп күкіртсутегін жібергендеқұрамындағы қорғасын, мыс, мышьяк және висмут тұнбаға түсті, уран ерітіндіде қалды. Сәулесін тексергендеіздеп отырғанэлеметтің тұнбаға кеткені байқалды. Оның таза уранға қарағанда сәулені 400 есе күшті шығаратыны анықталды. Екі жылдан аса жасалған мыңдаған анализден соң, 1898 жылы висмут және өте аз мөлшерде жаңа элементтіңқосылысы бөлініп алынды. Оған Марияның туған елінің құрметіне полоний  деген ат берілді. Бұл туралы Пьер және Мария Кюри 1898 жылы маусымдаФранцузакадемиясына хабарлады.Бес айдан соң олар ным кеніне тағы біррадиоактивті элемент ашты. Радий  аталған бұл элементтің радиоактивтілігіметалдық ураннан 900 есе күшті болды.

Мария Кюри ураннан басқа заттардың да радиоактивтілігін мұқият сынап, торийдің де сәулешығаратынын ашты. Радиоактивтілік саласындағы зеріттеулерінжинақтап қорытып, 1903 жылы докторлық диссертация қорғады. Пьер екеуі халықаралық Нобель сыйлығына ие болды. 1906 жылы профессор П.Кюри қайғылы қазаға ұшырығаннанкейін де Мария өзінің зеріттеулерін жалғастырып, 1911 жылы Нобель сыйлығын екінші реет алды.

Мария және П.Кюри, А.Беккерель, Э.Резерфорд және Л.Виллар радиоактивті сәулелердің табиғатын дамылсыз зерттеді. 1899-1900 жылдары Э.Резерфорд және Л.Виллар бұлардың үш түрлі сәуледен тұратынын дәлелдеді. Бірінші- альфа α сәулелер, қағаздың қалың қабатында ұсталды, ауаны күшті иондайды, массасы 4-ке, заряды+2-ге тең; екіншісі-бета β сәулелер, қалыңдығы 1мм алюмений пластинкасында ұсталды, теріс заряды бар; үшіншісі – гамма γ сәулелер, өткірлігі рентген сәулесінен артық, заряды болмайды. Атомның құрамына оң және теріс зарядталған бөлшектер кіретініне ғалымдардың көзі жетті. Ендігі жерде әр элементатомындағы осы бөлшектердің саны атомда қалай орналасқанын анықтау қажеттігі туды.

 Атом құрылысы туралы көзқарастың дамуы

ХІХ ғасырдың 90-жылдарында орыс оқымыстысы Н.А.Морозов атомның планетарлық құрылысы болатыны жөніндежорамал ұсынды.

1901 жылы француз ғалымы Ж.Перрен атом оңзарядталған ядродан және оны айналып жүретін электрондардан тұратыны жөнінде мақала жариялады. Тәжірибеге негізделмеген бұл пікір де қолдау таппады. Электрон ашылған соң, оның әр түрлі кедергілерден өтуі зерттеледі. Металдан жасалған жұқа қағаздан өткенде электронның кішкене бұрыш жасап таралатыны байқалды. Осыған қарап ағылшынфизигі У.Томсон атом электрдің оң зарядталған бұлтынан тұрады, электрондар соның ішінде орналасады деп түсіндірді. Сыртқы электр өрісінің әсерінен электрондардың қозғалатыны туралы айтты.

Ағылшынның тағы бір ғалымы Дж. Томсонның пікірі бойынша электрондароң зарядталған шардың ішінде концентрлі сақиналар түзіп орналасады да, бір жазықтықтың бойында жатады. Химиялық жақындасулар кезінде электрондар бір атмонан екінші атомға ауысады. Элементтер қасиеттерінің периодты өзгеруі осы электрондарға байланысты.

1911 жылы Э.Резерфорд радиоактивті заттардан бөлінетінальфа бөлшектердіңметалл қағазынан өткендегі таралуын зеріттеді. Ол үшінбөлшекті санауғаарналған прибор- спинтрископты пайдаланды. Алтын қағаз арқылы жіберілген альфабөлшектердіңбаысм көпшілігі кедергісіз өтіп шықты. Кейбіреулері ғана әр түрлі бұрыш жасап бұрылды. Өте сирек жағдайда кері тебілді. Атомдағы оң және теріс зарядтардыңбіркелкі орналасатыны туралы жорамалдардың ешқайсысыбұл құбылысты түсіндіре алмады. Массасы үлкен, күшті жылдамдықпен қозғалатын альфабөлшегі оң зарядтардың бір жерге шоғырланған массасына дәл тигенде ғана кері қайтуы, жақындағанда бұрылуы мүмкін. Осылайша пайымдаған Э.Резерфорд атом ядродан және оныайналып жүретінэлектрондардантұратыныжөніндегі модельді ұсынды, ол  планетарлық модель  деп аталады. Э.Резерфордтың түсіндіруінше ядро протон мен электроннантұрады, бірақ протонның саны көбірек. Сондықтан ол өзінзарядталған бөлшек ретінде көрсетеді. Бұрыш жасап ауытқыған альфа бөлшектерін санау арқылы Э. Резерфорд әр түрлі элемент атомдары диаметрінің жәнезарядының шамасын есептеп шығарды. Атомның диаметрі шамамен 10^-14-10^-15 м, заряды атомдық массасының жартысына жуық екенін тапты.

Әр элемент атомындағы ядро зарядының санын тәжірибе жүзінде анықтау жас ғалым Гении Мозлидің (1887-1915) үлесіне тиді. Г.Мозли 1910 жылы Оксфорд университетін бітірген соң бастапқыдафизикадан ассистент болып, содан соң лекция оқыды. Периодтық жүйеде қатар орналасқан 38 элементтің рентген сәулелерінзеріттеді. Нәтижесінде бөлінетін сәуленіңтолқын ұзындығы мен элементтің реттік нөмірініңарасындағыбайланыс заңын ашты. Химия ғылымынаэлементтің  реттік нөмірі деген тұрақты шаманы 1897 жылы И.Ридберг енгізген болатын. Ғылыммен шұғылданған аз ғана жылдарының ішінде Г.Мозли 3-4 мақала жариялап, өшпес із қалдырды. Қазіроның есіміменаталатынзаңның теңдеуі бойыншаесептегенде, элемент атомыядросының заряды оның реттік нөмірінетең болып шығады. Сөйтіп, реттік нөмірдіңфизикалық мәні ашылды. Болашығынан зор үміт күттірген жас ғалым Г.Мозли 1915 жылы қайтыс болды.

1919 жылы Э.Резерфорджеңіл атомдарды, басқа ғалымдар ауыр атомдарды атқылау арқылы ядродан протонды қуып шығуға болатынын анықтады. Осындай белгілі мәліметтердіңбасын қосып, Э.Резерфорд атомның реттік нөмірі, массасы және ядро зарядының арасындағы тәуелділіккесүйеніп, протон мен электрон санынесептеп шығарды. Оның түсіндіруіншекез келген элементтенатомның ядросы протон мен электроннан тұрады. Екеуінің айырмасы ядроның оң зарядын береді, ол атомның реттік номеріне тең. Ядроны айналып жүретін электронның саны-атомдық массадан реттік нөмірді алғандағы айырмағасәйкес келеді. Он жылдан астам уақыт өткен соң, ядроның құрылысы туралы Э.Резерфордтың бұл көзқарасыменүйлеспейтін тәжірибелік мәліметтер алынды.

1931 жылы ерлі- зайыпты жас физиктерФредрик Жолио және Ирен Кюри (Марияның қызы) литийметалын альфа сәулесімен атқылап, оның ядросынан белгісіз бір бөлшек шығатынын анықтады. Оның радиоактивті сәулелерден айырмасы қалың қорғасын экранға тоқтамай өтіп шығады. Жолына қойылған парафиннен протондар бөледі. Бір жылдан соң ағылшын физигі Дж. Чедвик бөлшектің заряды жоқ, массасы протон массасына жуық екенін анықтады. Жаңа бөлшек нейтрон атанды. Нейтрондар басқа атомдар ядроларынан да табылды. Осыған орай, атом ядросының протон мен нейтроннан тұратыны жөніндегі теория ұсынылып, оны көпшілік мойындады. Атом ядросын нуклид, оны құрайтын бөлшектері протон мен нейтронды нуклон, бұл екеуінің қосындысын атомның масса саны деп атайды.

Э. Резерфорд 1914 жылы бір элемент атомын екінші элемент атомына айналдыруға болатыны жөнінде айтқан жорамал пікірін бес жылдан кейін тәжірбиеде жүзеге асырды. Атом ядросы альфа бөлшек, протон және нейтронмен атқылап бұзуға немесе жаңа бөлшектер енгізуге болады. Осылайша жаңа элемент синтездеуге мүмкіндік туды. Бір элементтің ядро заряды бірдей, массасы әр түрлі бірнеше атомдары (изотоптары) болатыны анықталды. Жасанды радиоактивтілік құбылысы ашылды. Атомдағы бөлшектердің саны жөніндегі Э. Резерфорд түсінігі нақтыланды. Атомның масса санын А, ядро зарядын Z, нейтрондар санын N деп белгілесек: А=Z+N; N=A-Z. Атомдағы электрондардың жалпы протон санына, яғни ядро зарядына тең. Сондықтан атом тұтасымен алғанда электр –бейтарап бөлшек. Ядро заряды тымөскенде протондардың тебілу күші артып, ядро екі тең бөлікке ыдырайды, нейтрондар бөліп шығарады. Бұл ыдырауды 1940 жылы совет физиктері Г.Флеров және К.А.Петржак ашқан.

Қазіргі кездегі көзқарас бойынша протондар мен нейтрондар ядродақабат түзіп жүреді, олардың аяқталғандары тұрақты келеді. Тұрақты қабаттағы нуклон саны 2, 8, 20, 50, 80-ге сәйкес келеді. Сондықтан бұларды сиқырлы сандар  деп атайды.

Ядросының құрамына қарай бір элементтің ядро зарядтарыбірдей, массасы әр түрлі атомдары болатыны анықталды. Оларды  изотоптар  депатайдя. Ең жеңіл элемент сутегінің изо тобы бар, олардың сипаттамасы 19-кестеде келтірілді.

Сутегінің изотоптары

 Сутегі элементі атомының салыстырмалы атомдық массасы табиғатта кездесетін осы үш изотобының орташа массасынан тұрады. Сондықтан ол 1,0079, яғни бөлшек сан болып келеді.

Оттегі элементтерінде үш, хлорда екі, қалайында он, басқа элементтердің де табиғатта кездесетін көптеген изотоптары алынған. Табиғаттан табылған изотоптардың жалпы саны 400-ден асады. Жасанды жолмен мыңнан астам изотоп алынған.

Бір кезде периодтық жүйедегі ауытқу секілді көрінген калий, кобальт және теллурдың орналасуы реттік нөміріне (ядро зарядына) толық сәйкес келеді. Атомдық массаларының артық болуы аргонның, кобальттың және теллурдың ауыр изотоптарының табиғатта көбірек кездесуімен түсіндіріледі.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Нұғыманов И. Химия тілі «Қазақстан», Алматы, 1977 ж.
2. И. Нұғманұлы Р. Мулькина Химия оқу кітабы Алматы 1997 ж.
3. Джуа М. История химии. Мир., М., 1975 г.
4. Бірімжанов Б.А. Химиялық элементтер тарихынан. Мектеп, Алматы 1969 ж.