[Химия ғажабы] Материяның құрылыс материалдары: қарапайым бөлшектерден супрамолекулаларға дейін

[Химия ғажабы] Материяның құрылыс материалдары: қарапайым бөлшектерден супрамолекулаларға дейін

Атом әлемі

Неліктен кейбір тұлғалар бүкіл өмірін химия сынды ғылымды зерттеуге жұмсайды немесе осы дүниенің тереңдігін ұғыну, танымымыздың шегін кеңейтумен бірнеше күн зертханада уақыт өткізетіні жайлы ойландыңыз ба? Егер сізді осы сұрақтардың жауаптары қызықтырса, не өзіңіз ғылымға деген қызығушылық танытсаңыз, онда біз «Химияның ғажабы неде» атты мақалалар қатарын бастайтын бұл басылым сізге химия секілді таңғажайып ғылымның ерекшеліктерін түсінуге көмектеседі. Алайда, алдымен жалпы химия нені зерттейтінін түсіну керек.

Сонау XVII ғасырда заманауи химия және ғылыми әдістің негізін қалаушы ағылшын ғалымы Роберт Бойль элементтерді, олардың қосылыстары мен қасиеттерін зерттеуді химияның міндеті етіп тағайындады. Жаратылыстану сабақтарынан білетін шығарсыз, біздің айналамыздағы барлық денелер, мейлі бөлмеде ұшып жүрген шаң болсын немесе Юпитердей газ алыбы молекулалардан, ал олар атомдардан тұрады. Сонымен, химияның негізгі міндеті – біздің күрделі әлемімізді атом-молекулалық деңгейде зерттеу. Ол үшін, әрине,міндетті түрде материяның құрылыс блоктарының құрылымын білу керек. Атомдар мен молекулалардың қалай орналасатыны жайлы ақпарат алмас бұрын атом-молекулалық теорияның тарихына сәл шолып кетейік.

Атом-молекулалық теорияның тарихы

Барлық материя атомдардан тұрады деген тұжырым бізге қаншалықты таныс әрі айқын көрінгенімен, XVIII-ғасырға дейін бұл факт өз заманының үздік зерттеушілердің арасындағы қайшылықтардың себебі болды. Барлық заттар бөлінбейтін ең кішкентай бөлшектерден тұрады деген алғашқы жорамалдарды ежелгі грек философтары алға тартты. Тіпті атом сөзінің өзі ежелгі грек тілінен шыққан ἄτομος, яғни «бөлінбейтін» деген мағынаны білдіреді. Алайда орта ғасырларда атомизм артта қалып, оның орнын төрт стихия элементтері және алхимия туралы ілім сияқты басқа теориялар басты.

XVII-ғасырдың аяғында ғана ғылыми әдістің таралуымен атомизм қайтадан ғалымдар арасында танымалдылыққа ие бола бастады. Химиялық элементтердің бар екендігі тәжірибелі түрде дәлелденген кезден бастап «атом» және «молекула» ұғымдары ғылыми ортаға ене бастаған болатын. Бірақ атомдарды зерттеу мұнымен тоқтап қалмай, тек қарқын ала бастады. \(1897\) жылы ағылшын физигі Джозеф Джон Томпсон сиретілген газда жоғары кернеуді өткізу арқылы алынған катодтық сәулелерді зерттей отырып, алғашқы субатомдық бөлшекті – электронды – ашты. Сонымен, ұзақ уақыт бойы бөлінбейтін болып саналған атомның өзі ұсақ бөлшектерден тұратыны анықталды. Сәл кейінірек ядролық физиканың атасы Эрнест Резерфорд атомның екі негізгі бөліктерден тұратындығын дәлелдеді: оң зарядталған ядро және оны айнала қозғалатын электрондар. Сол кезде ол өзінің атақты атомның планетарлық моделін ұсынды, әрі осы модель бүгінгі күнге дейін ғылымның негізгі нышандарының бірі болып табылады.

Резерфордтің ұсынған атомның планетарлық моделі. Photo by: Petr Vaclavek

Атом ядросы

Атом ядросының құрылымын егжей-тегжейлі қарастырайық. Ол атомның дәл ортасында орналасқан және оң зарядталған протондар мен зарядталмаған нейтрондардан тұрады. Протондар мен нейтрондардың өзі қарапайым бөлшектер ретінде саналмайды, өйткені олар ұсақ бөлшектерден – кварктардан – тұрады (бұл химияны емес, көбіне қарапайымбөлшектердің физикасын зерттеу мәселесі). Ядроның мөлшері атомның өзінен шамамен 10 000 есе кіші болғанына қарамастан, электрондар мен нуклондар арасындағы массаның үлкен айырмашылығына байланысты (протондар мен нейтрондар жиынтығын осылай аталады), атомның барлық дерлік массасы, шамамен \(99.97\)% ядросында шоғырланған.

Әрбір химиялық элемент үшін ядродағы протондардың саны тұрақты, бірақ нейтрондардың саны әр түрлі болуы мүмкін. Ядродағы нейтрондардың саны әр түрлі болатын бір химиялық элементтің атомдары изотоптар деп аталады. Мысалы, сутегінің үш табиғи изотоптары бар: протий (\(1\) протон, \(0\) нейтрон), дейтерий (\(1\) протон, \(1\) нейтрон) және тритий (\(1\) протон, \(2\) нейтрон). Табиғаттағы барлық сутегі атомдарының негізгі бөлігін протий атомдары құрайды, ал қалған изотоптары өте аз мөлшерде кездескенімен ғалымдар олардың қолданысын табуда. Мысалы, дейтерий атом энергетикасында жиі қолданылады және химиялық реакциялардың жүру механизмдерін зерттеу үшін қолданылады, ал жақында дейтериймен алмастырылған қосылыстар медицинада қолданыла бастады.

Сутегінің үш изотопы: сол жақта – протий, ортада – дейтерий, оң жақта – тритий. Сурет дереккөзі

Радиоактивтілік

Бір элементтің бірнеше изотоптары болуы мүмкін, сонда да кейбіреулері өздігінен ыдырай алатын тұрақсыз ядролары болады. Бұл құбылыс радиоактивтілік деп аталады.

Радиоактивтілік табиғи (сіз радиоактивті уран туралы естіген шығарсыз) және жасанды болуы мүмкін, өйткені радиоактивті ыдырау жасанды ядролық реакциялардың әсерінен туындауы мүмкін. Жасанды радиоактивті ыдырау, мысалға, ядролық реакторларда қолданылады: уран ядролары нейтрондармен бомбаланып, тізбекті ыдырау реакциялар қатары іске қосылып көп мөлшерде энергия бөлінеді.

Уранның жылулық нейтрондарымен сәулеленуі кезіндегі ыдырау тізбегі (тізбектік ядролық реакция). Сурет дереккөзі

Алайда радиоактивтілік энергетикадан өзге салаларда да қолданылады, мысалы, позитронды-эмиссиялық томографиясы бар медицина (адам ағзасындағы қатерлі ісіктер мен метастаздардың орналасуын анықтауға мүмкіндік беретін диагностикалық әдіс). Бұл әдіспен емделушіге фтор-\(18\) радиоактивті изотопы бар фтородеоксиглюкоза енгізілгеннен кейін қатерлі жасушаларда осы «радиоактивті» глюкозаның молекулалары жиналады.

Фтордезоксиглюкоза молекуласы.

Радиоактивті фтор изотопының атомдары арнайы жабдықпен анықталатын позитрондарды (электрон антибөлшектері) шығаратын радиоактивті ыдырауға ұшырайды. Осылайша, қатерлі ісіктің орналасуын жоғары дәлдікпен анықтап емдеуге болады. Фтореодексиглюкозаның өзін процедураның дәл алдында синтезделеді, ал фтор атомдары артық мөлшерде ыдырамас үшін синтезді жылдамырақ өткізу қажет. Сонымен қатар, органикалық химия осындай қосылыстардың синтезімен айналысады, бұл туралы сіз біздің келесі мақалаларымыздан оқи аласыз. Осылайша, үш ғылымның – химия, физика және биологияның – түйіскен жерінде жоғарғы сапалы емделуге мұқтаж мыңдаған науқастарға қатерлі ісік сияқты қауіпті ауруды жеңуге көмектесетін әдіс жарық көрді.

Фтордезоксиглюкозаны D-маннозадан синтездеу реакциясы. Осылайша кейбір кезде химиктерге қажетті қосылыстарды синтездеудің күрделі жолдарын ойластыру керек. 

Әлемдегі ең маңызды бөлшектер

Химиялық реакциялар барысында атом ядросы ешқандай өзгеріске ұшырамайды, сондықтан оның құрылымы элементтің кейбір қасиеттерін әрең түсіндіре алады. Химиктер үшін барлық қолданыстағы элементтердің химиялық және физикалық қасиеттерінің көпшілігін түсіндіретін атомның электронды ортасы әлдеқайда маңызды. Ұзақ уақыт бойы электрондар Күнді қоршаған планеталарға ұқсатылды, олар белгілі бір траектория бойымен ядро ​​айналасымен қозғалады деп сенген. Бұл жоғарыда атап өтілген планетарлық модельдің өзі. Бірақ бұл модель шындыққа толықтай сәйкес келмегендіктен жетілдіруді қажет етті. Уақыт өте келе ғалымдар электрондар тәртібін макроәлем заңдарының, яғни классикалық механика заңдарының көмегімен түсіндіру мүмкін емес екенін түсінді, өйткені субатомдық деңгейде бәрі мүлдем басқаша жұмыс істейді. Электрон біздің әдетті ұғымымыздағы бөлшек емес екені анықталды: ол толқын белгілері іспеттес ядроның айналасында кеңістіктің бірнеше нүктесінде бір мезгілде болатындай тез қозғалады. Кейіннен атомды және оның компоненттерін зерттеу барысында электронның осындай қосарланған сипатын ескеретін ғылым саласы – кванттық механика – пайда болды. Біздің түсінігімізге жат кейбір заңдардың кесірінен кванттық механика күрделі және түсініксіз ғылым ретінде атаққа ие болды. Шын мәнінде, бұл керемет таңғажайып әрі қисынды және, ең бастысы, электрондардың – біздің әлемдегі ең маңызды бөлшектердің қозғалыс ерекшеліктерін зерттейтін ғылым.

Кванттық механиканы әдетте немен байланыстыратындығын көрсететін сурет. Дереккөз

Енді электрондардың орналасуын қарастырайық. Атомдағы электрондар саны протондар санына тең, өйткені атом электрлік бейтарап. Кез келген электрон ядро ​​айналасында ретсіз қозғалмайды, яғни атомдық орбиталь деп аталатын кеңістіктің белгілі бір аймағында қозғалады. Әрбір атомдық орбиталдың өзіне тән формасы мен энергиясы бар және екі электронды орналастыра алады.

Кейбір орбитальдардің пішіндері. Сурет дереккөзі

Ядролық зарядтың үлкеюіне сәйкес атомдағы электрондар саны артып, атомның орбитальдарындағы электрондар арасында күрделі өзара әрекеттесулер пайда болып, атомның жалпы энергиясын арттырады. Бірақ, біздің әлемдегі заттардың барлығы, соның ішінде атомдар, минимум энергияға ұмтылатыны белгілі. Атомның сыртқы электронды деңгейі толтырылған болса (көп жағдайда бұл валентті \(8\) электрон) атом ең төменгі энергиясына ие болады. Осы кезде электрондардың ядроға тартылу мен бір орбитальдағы электрондардың өзара тебілу энергияларының айырмашылығы ең кіші болады. Бірақ қалайша атом сыртқы деңгейдегі 8 қалаулы электронға ие бола алады? Жауап қарапайым: басқа атомдармен әрекеттесу арқылы. Атомдар ортақ қызығушылықтары бар адамдар сияқты электрондарын бір-бірімен бөліседі, сол арқылы химиялық байланыс түзеді.

Молекулааралық әрекеттесу

Атомдар мен олардан тұратын молекулалар бір-бірімен реакцияға түсіп, өзіндік ерекше қасиеттері бар жаңа химиялық қосылыстар түзе алады екен. Барлық қосылыстар өздерінің табиғаты бойынша органикалық және бейорганикалық болып екі үлкен топқа бөлінеді, ал органикалық және бейорганикалық химия сәйкесінше осы екі топтағы заттарды зерттеумен айналысады. Бұл бөлімдер туралы толығырақ келесі мақалаларымыздан оқи аласыз.

Сонымен қатар, ешқандай химиялық реакцияларға соқтырмайтын молекулалар арасында өзара әрекеттесу бар. Бір-біріне өте ұқсас екі молекуланы қарастырайық – су \(H_2O\) және күкіртті сутек \(H_2S\). Өздеріңіз білетіндей, бөлме жағдайында су сұйық күйде, ал күкіртсутек газ күйінде болады. Сутегі сульфидінің ауыр молекулалары тығыздығы жоғарырақ зат түзуі керек деп көрінуі мүмкін, бірақ іс жүзінде бәрі керісінше болады. Неліктен? Мұның жауабы молекулааралық өзара әрекеттесудің ерекшеліктерінде жатыр.

Оттегі мен күкірт атомдарының сутегі атомдарына қарағанда электртерістілігі жоғары болады және сәйкесінше, олар электрон тығыздығының бір бөлігін өздеріне тартып алады (басқаша айтқанда, басқа атомның электрондарын өздеріне қарай тартады). Сонымен, күкірт пен оттегі атомдарында ішінара теріс заряд, ал бір-біріне тартылатын сутек атомдарында ішінара оң заряд пайда болады. Бірақ оттегі атомдарының күкірт атомдарынан бір айырмашылығы бар – олар өлшемі жағынан кіші. Бұл олардың сутегі атомдарымен күшті молекулааралық байланыс орнатуға мүмкіндік береді.

Жоғарыда су және күкіртсутек молекулалары, ал төменірек су молекулалары арасындағы сутектік байланыстар бейнеленген. Сурет дереккөзі

Бұл қосымша өзара әрекеттесу су молекулаларын бір-бірімен тығыз байланыстырып, олардың ұшып кетуіне және газға айналуына жол бермейді. Алайда күкіртсутек молекулалары бір-біріне әлсіз тартылады, осыған байланысты газ тәрізді зат түзеді.

Химиялық байланыстардың алуантүрлілігі

Химия ғылымы атомдарды молекулаларға біріктірумен шектелмейді. Молекулалардың өзі полимерлер сияқты күрделі құрылымдарға бірігуге қабілетті. Ал полимерлер өз қатарында қоршаған әлемнің басым бөлігін құрайды. Полимерлер туралы толығырақ осы топтаманың басқа мақаласынан оқи аласыз.

Сонымен қатар, ірі молекулалар бір-бірімен әрекеттесе отырып, күрделі, комплексті құрылымдар супрамолекулалар түзе алады. Біз супрамолекулалардың мысалдары болып табылатын катенандар мен ротаксаналар туралы жаздық. Олар ақпаратты сақтаушы немесе молекулалық қозғалтқыш ретінде қолданыла алады. Алайда, жақында зерттеушілер супрамолекулаларды медициналық препараттарды жеткізуші агент ретінде қарастыра бастады. Мысалы, кукурбит [\(7\)]урил молекулалары (төмендегі суретте) қатерлі ісікті емдеу үшін қолданылатын маңызды препарат – оксалиплатин – молекулаларын өзіне сыйғыздыра алады. Дәрі-дәрмектің молекулалары супрамолекула комплексінде қажетті жасушаларға анағұрлым жақсырақ жеткізіледі, осылайша емнің сәтті өту ықтималдығы артады.

Кукурбит[10]урил (көк) молекуласының ішінде орналасқан кукурбит[5]урил (қызыл) молекуласындағы хлор ионы (сары). Сурет дереккөзі

Қорытынды

Адамдарды химияда не қызықтырады? Дәл осы таңғажайып алуан түрлі химиялық қосылыстар, олардың қасиеттері мен оларды өмірде қолдану тәсілдері әлемдегі мыңдаған және миллиондаған адамдардың ойларын баурайды.

Барлық материяның құрылыс блоктарының көмегімен біз таңғажайып молекулаларды қалай құруға болатындығын білдік: біреулері қатерлі ісіктерді табуға, өзгелері дәрі-дәрмектерді тиімді жеткізуге, ал басқалары ғарыштық шаттлдарды қаптауға пайдаланылады. Бұл әлі де молекулалардың қолдану мүмкіндіктерін толықтай ашпайды! Ғылымның ұзақ дамуы жылдарында біз әлі үйренуіміз керек нәрселердің аз ғана бөлігі зерттелді. Химия – жұмбақ әрі шексіз ғылым. Күн сайын бізге таңғажайып көрінетін әлемді сәл тереңірек зерттеу үшін әлем ғалымдары оянады. Бұл химияның нағыз ғажабының өзі болса керек!

“Beyond Curriculum” қоры “Пән ғажабы неде” циклы материалдарын “Караван знаний” жобасымен серіктестікте және “Шеврон” компаниясының қолдауымен жариялауда. “Караван знаний” - жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама.

Аударған: Киреева Азиза