Химия ғылымы

     Химиялық  элемент мәселесі 

     Ғылымдағы химиялық элемент мәселесі адам баласының  табиғаттың алғашқы негізін –  алғашқы элементті табуға деген  ұмтылысынан пайда болды. Бұл  мәселені шешу екі мың жылдай уақытты  алды. Тек XVII ғасырда Р.Бойль химиялық элементтің бір күрделі дененің құрамынан екінші бір дененің құрамына өзгеріссіз өте алатын, заттың химиялық ыдырауы нәтижесінде байқалатын қарапайым зат екендігін ашты. Бірақ химиктер химиялық элемент дегенге анықтама бергенмен, олардың бірде-біреуін білмеді. Сол кездегі белгілі металдарды – темірді, қорғасынды, мысты күрделі денелерге жатқызды да оларды құраушы элементті – флогистон деп атады. Осылайша флогистон теориясы пайда болды. Флогистон теориясы негізінде шындыққа жуыспағанмен, соңында нақты қорытындыларға әкелген кейбір зерттеулерге бастама болды.

     Бұндай  нақты қорытынды жасаған Д.И.Менделеев  болды. Ол химиялық элементтің көрсеткіші – күрделі дененің ыдырауын көрсететін тәжірибе емес, керісінше, берілген элементтің атом ядросының зарядымен анықталатын  периодтық жүйедегі орыны екендігін  дәлелдеді. ХХ ғасырда физика кез келген элеметтің атомының күрделі құрылымын ажыратуға көмектесті. Атом – оң зарядталған ядро мен теріс зарядталған электрондық қабықтан түратын біртұтас кванттық-механиалық жүйе, элементтің реакцияға қабілеттілігі электрондар санына байланысты. Химиялық көзқарас бойынша, ең төменгі атомдық салмақтағы және сыртқы электрондық деңгейінде 6-7 электрондары бар бейметалдар ең белсенділер болып шықты, олар жетпейтін электрондарды қосып алу арқылы өздерінің электрондық қабығын толықтырып құруға тырысады. Сол сияқты атомдық масалары үлкен және сыртқы электрон қабығында 1-2 электрондары бар металдар да белсенді, өйткені олар артық 1-2 электрондардың беруге тырысады. Осыған байланысты химияда валенттілік ұғымы – атомдардың химиялық байланыс түзуге қабілеттілігі қалыптасқан. 

     Химиялық  қосылыстар құрылымы 

     Валенттілік туралы түсінік – А.М.Бутлеровтың  химиялық құрылым теориясының негізгі  бөлігін құрады. Бұның өзі –химиялық  байланыстардың молекула құрылымындағы  атомдардың өзара әсерімен байланысты болатын энергетикалық бай эквиваленттілігін анықтайды. Осыған байланысты валенттілік-химиктер үшін органикалық заттарды синтездеу тәжірибесінде негізгі басшылық ететін құрал болды. А.М.Бутлеровтың химиялық құрылыс теориясы дайын заттардың химиялық құрамын зерттеумен айналысатын аналитикалық химиядан – жаңа заттар алуға болатын синтездеу химиясына айналуға мүмкіндік берді.

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

     - С - ; N; - О - ; Н – . Әр түрлі химиялық элементтердің атомдарын байланысу бірліктері арқылы топтап, кез келген химиялық қосылыстың құрылымдық формуласын жасауға болады.

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

     Осының  нәтижесінде химиктерде тек қана энтузиазм ғана емес, органикалық  синтез саласындағы тәжірибелердің оңды нәтиже беретіндігіне деген  сенім пайда болды.

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

     Бірақ құрылымдық химия тек қана зат  молекулалары туралы мәліметтермен  ғана шектелген, ал бұл мәліметтер заттардың  айналу процесін басқару үшін жеткілікті емес. Органикалық синтез реакциясының көпшілігінің өнім шығару дәрежесі төмен, көп қалдықтар мен ілеспе өнімдер шығаратындықтан, өндірісте қолдануға келмейді. Оның үстіне ондай синтез шикізат көзі ретінде сирек кездесетін белсенді реагенттер мен ауыл шаруашылығы өнімдерін қажет етеді, ал бұл экономикалық жағынан өте тиімсіз.

     Бірақ бұл жағдай құрылымдық химияның рөлін  төмендете алмайды, өйткені оның үлкен жетістіктері көп: жоғары механикалық  беріктігі бар, температураға төзімді  және ұзақ уақытқа пайдалануға болатын  материалдар алу ұшін кристалдар синтезінің жолдарын қарастыруда. 

     Химиялық  процестер ілімінің мәселелері 

     Химия дамуының жаңа деңгейіне қазіргі  кезде химияға да, физикаға да бірдей қатысы бар химиялық процестер туралы ілім көтерілді. Бұл ілімнің негізін  қалаушылардың бірі – Нобель силығының  лауреаты Н.Н.Семенов. Ол 1965 жылы өзінің Нобельдік лекциясында химия ғылымының күрделі екендігін көрсететін, химияның физикадан айырмашылығын анықтайтын химиялық процесс құбылысы екендігін айтты. Химиялық процесс электрон, протон, атом, молекула сияқты қарапайым физикалық түсініктерден тірі жүйеге көтерілудің алғашқы баспалдағы болып табылады. Өйткені, тірі организмнің кез келген клеткасы, шын мәнінде өзіндік бір күрделі реактордың рөлін атқарады. Бұл – физикалық объектілероден биологиялық объектілерге өтудің көпірі тәрізді.

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

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

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

1. бастапқы реагенттердің құрылымы;
2. олардың концентрациясы;
3. реакторлардағы катализаторлар мен басқа үстеме қоспалардың болуы;
4. реагенттерді араластыру тәсілі;
5. реактордың материалдары мен жобасы жатады.

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

     Катализ химияда нағыз кереметтерді жасайды. Мысалы аммиак синтезін алайық: N₂+3H₂ Û2NH₃. 1913 жылға дейін оны жүргізу мүлдем мүмкін емес болды. Бұл реакцияны катализатор табылғаннан кейін жоғары температура мен қысым жағдайында жүргізудің мүмкіндігі туды. Бірақ технологиялық тұрғыдан бұл реакция өткен қиын да қауіпті болды. Ал қазіргі уақытта оны қалыпты қысым мен бөлме температурасы жағдайында жүргізуге болатын мүмкіндік ашылды. Бұған металды органикалық катализаторларды пайдалану арқылы қол жетті.

     Катализаторларды  қолдану химия өнеркәсібінде  түбірімен өзгеріс жасады. Олардың  арқасында органикалық синтез үшін шикізат ретінде бұрын «өлі зат» ретінде есептеліп келген парафиндер мен циклопарафиндерді пайдалану мүмкіндігі туды. Катализ маргарин тағы басқа тамақ өнімдері мен өсімдіктерді қорғауға арналған заттарды алуда негіз болып саналады.

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

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

     Қазіргі кезде катализдің мәні туралы кейбір қорытындылар жасуаға болады:

     1) Реакцияға түсетін заттар катализатормен  әрекеттеседі:

     Әрекеттесудің нәтижесінде химиялық байланыстар  әлсірейді.

     Егер  реакцияға катализатор қолданылмаса, әрекеттесетін заттардың молекулаларының белсенділігі реакторға сырттан энергия енгізу арқылы жүзеге асады.

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

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

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

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

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

     Өздігінен ұйымдасудың нәтижесінде катализаторлардың  белсенділігінің артуы бірнеше сатыдан өтті.

     1) Дүниенің химиялық эволюциясының  алғашқы кездерінде катализ мүлдем  болмады. Жоғары температура (5000⁰С-тан жоғары), жоғары электр разрядтары мен радиация жағдайы бір жағынан, екінші жағынан энергетикалық кедергілер әсерін тигізеді.

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

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

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

     1964 жылы МГУ профессоры А.П. Руденко  ұсынған элементарлық анық катализдік жүйелердің өздігінен даму теориясы химиялық эволюция мен биогенездің жалпы теориясы болып есептеледі.

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

     Анализ  катализдік жүйелердің өздігінен даму теориясының тәжірибелік нәтижесі – реакция жағдайлары өзгеріп  тұратын технология.

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