[Химия ғажабы] Бейорганикалық химия

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары
«Химия ғажабы» циклдың басқа мақалалары
Материяның құрылыс материалдары: қарапайым бөлшектерден супрамолекулаларға дейін
Физхимияны не үшін оқу керек?
Органикалық химия
Полимерлер
Өмір синтезі
Таза ауа
Химия және медицина: химиялық қару, аспирин және зең

Алғысөз

Әдетте оқушылардың химия ғылымымен танысуы бейорганикалық химиядан басталады. Осыған байланысты мектеп бағдарламасының басым бөлігімен қатар, \(7\)-\(9\) сынып оқушыларына арналған мектеп олимпиадасының көптеген тапсырмалары Менделеев ұсынған периодтық жүйесіндегі негізгі топ элементтерінің бейорганикалық химиясын меңгеруге бағытталған. Жоғарғы сыныптарда органикалық химиямен қоса, оқушылар өз кезегін тапжылмай күтіп отырған бейорганикалық химияның координациялық қосылыстарын анағұрлым жоғары деңгейде оқиды. Сонымен, бейорганикалық химиның «ілгері» тұсы қандай болмақ?

Осы мақалада біз «жансыз химияның» шынымен қызықтыратын аспектілері жайында сөз қозғайтын боламыз. Кристалдар, кластерлер, металоорганикалық және бейорганикалық биохимия – бұның бәрі жаңа материалдар, катализаторлар, жартылай өткізгіштер жасауға, ауруларды емдеудің жаңа әдістерін жетілдіруге және өзге жұмыстарға бағытталған өте перспективті ғылыми зерттеу салалары.

Лазурь, жарық және координациялық қосылыстар

Топтамамыздың келесі мақаласы көміртектің шексіз көп қосылыстарын зерттейтін органикалық химия бөлімі жайында болмақ. Егер органикалық химия тиісінше органиканы зерттеуге бағытталса, бейорганикалық химия кең мағынасында қалған заттардың химиясын зерттеумен айналысады. Мұнда периодтық жүйенің көміртектен өзге элементтері, сонымен қоса, көміртегінің кейбір қосылыстары (\(CO\), \(CO_2\)), металдардың карбонил кешендері мен көміртектің нанотүтікшелері жатады.

Бейорганикалық химияның ең бояулы және қарқынды зерттелетін бөлімдерінің бірі – координациялық қосылыстар химиясы. Классикалық координациялық қосылыстар, яғни металл кешендері – бұл орталық металл ионының лигандтар деп аталатын басқа иондармен немесе молекулалармен қоршалған сызықты, жазық немесе көлемді құрылымдар. Осы қосылыстарда байланыстардың күші мен саны толығымен металл мен лигандтардағы электрон орбитальдарының қабаттасу ерекшеліктеріне тәуелді. Орталық элементтің электрондық құрылысының дәл өзі тиісті кешенді қосылыстың физикалық және химиялық қасиеттерімен қоса, құрылымын анықтайды.

Лазурьді жағалау, ляпис лазурит, лазурь – нағыз көгілдір түс реңктеріне қанық сөздер. Кең қолданысқа ие көгілдір пигмент – берлиндік лазурі – осындай реңктерге толы. Пигмент төбелерінде цианид иондары, ал ортасында темір ионы орналасқан дұрыс алты қырлы фигуралардан (октаэдрлардан) құралатын темір кешендерінен тұрады. Лигандтардың осындай қоршауы темірдің валентті d-орбитальдарының бөлінуіне әкеледі: бес d-орбитальдың екеуінің энергиясы артады, ал қалғандарының энергиясы керісінше азаяды. Бұл процесс кристалды өріс теориясы мен лиганд өрісі теориясымен толығырақ сипатталады.

Енді d-электрондары негізгі төмен күйден жоғарғы қозған күйге және бастапқы қалпына “секіре” алады. Мұндай ауысулардың өтуі үшін электрон жеткілікті энергиясы, яғни белгілі бір толқын ұзындығы бар фотонды (жарық бөлшегін) сіңіруі немесе шығаруы керек. Жарық берлиндік лазурінің кристалына түскенде толқын ұзындығы \(600\)-\(650\) нанометр аралығында қызғылт сары түсті жарық жұтылады, ал қалған жарық түстері кристалл бетінен шағылысады. Осылайша көз торы бұл пигментті қызғылт сары түске комплиментарлы (қарама-қарсы) болып келетін көк түсте қабылдайды.

Егер біз координациялық металдардың әлдеқайда көп санын таңдап, алынған кластерді қорғаныш полимер қабатымен жабатын болсақ, онда микро- және макроәлем арасындағы шекараны толығымен бұзатын қосылыстарды аламыз. Жартылай өткізгіштер, дәлірек айтқанда, жартылай өткізгіш нанобөлшектер осы жолмен түзеледі. Бұл бөлу шекарасы нанотехнологияның, электрониканың химиялық негізі болып табылады және, атап айтқанда, кадмий селенидінің жартылай өткізгіш кластерлерінің физикалық қасиеттерін зерттеудің нәтижесі болып табылады.

Бір қызығы – кванттық нүктелер (ағыл. quantum dots) деп аталатын нанобөлшектер берлиндік лазурьге сәйкес келетін электронды ауысулар арқасында көзге көрінетін жарықты сіңіре де және шығара да алады, сондай-ақ, өз мөлшерлеріне байланысты көрінетін спектрдің әрбір түсін люминесценциялайды. Осылайша кванттық нүктенің артатын диаметрі электронды ауысулар кезінде энергия деңгейлерінің тармақталуын төмендетеді, ал бұл оның люминесценциясының күлгін түстен қызыл түске біртіндеп өзгеруіне сәйкес келеді.

Фотолюминесцентті бояғыштар, QD-LED теледидарлық дисплейлер және күн батареяларын қоса алғанда кванттық нүктелердің қолданыс аясы кең. Сонымен қатар, олардың болашақта биологиялық жүйелерде қолдану мүмкіншліктері бар, мысалы: медициналық кескіндеме жасау және дәрі-дәрмектерді жеткізетін молекулаларды жобалау. Кванттық нүктелердің бейорганикалық компоненттерінің жоғары уыттылығы мәселесіне қарамастан, зерттеушілер жетілдірілген полимерлі жабындардың көмегімен медициналық және экологиялық мүмкін зардаптардың қаупін азайта алды. Кванттық нүктелердің басқа заттарға қарағанда жоғары жарық төзімділігі, электромагниттік сәулеленудің кең спектірімен қозуы және анағұрлым жарық сәулемен «жарқырау» қабілеті арқасында медицина ғылымында өте пайдалы екендігі дәлелденді.

Кристалдар

Көптеген бейорганикалық заттардың тағы бір маңызды қасиеті – бұл әрбір құраушы атомның белгілі бір координациялық ортаға ие болатын қатты кристалды құрылымды түзуі. Табиғатта кристалдар натрий хлориді, дала шпаты (калий, алюминий, кремний және оттегіден), кварц (кремний және оттегіден) сынды жерасты суларындағы минералды кристалдардың құрамындағы түрлі иондардың тұнбалануы жолымен түзіледі. Шын мәнінде тізім минералдармен ғана шектелмейді, құм, мұз, керамика, металдар, сұйық кристалдар, тіпті ДНҚ мен нәруыздар да кристалдық құрылым құруға бейімделген.

Кристалдардың басты ерекшелігі – олардың үшкір бұрышты кварц қаңқалары немесе натрий хлориді текшелері тәрізді геометриялық пішінінің болуы. Ас тұзы текше түріне бекер кристалданбайды! Бұның бәрі көптеген координациялық қосылыстардың атом деңгейіндегі шексіз қайталанатын тәртібі макродеңгейде симметрия түрінде байқалады.

Қоршаған ортаға байланысты химиялық құрамы бірдей кейбір заттар әртүрлі кристалдар түзуге қабілетті болғандықтан, кристалдардың қаттылығын, түсін, мөлдірлігін және басқа да көптеген физикалық қасиеттерін, яғни кристалдық құрылым арқылы анықтауда басты нышан болып келетіндігін атап өту маңызды. Мысалы, алуан формаларда кездесетін полиморфті кремний диоксиді \(SiO_2\) табиғатта кварц, тридимит, кристобалит және халцедон минералдары түрінде кездеседі.

Металоорганикалық қаңқалық құрылымдар

Егер органикалық молекулаларды металл кешендерімен байланыстырып, кристалды құрылымдар алсақ не болады? Органикалық және бейорганикалық химия концептілері түйіскен жерінде ғалымдар жоғары сұрыпталған кеуекті материалдарды – қаңқалық металлорганикалық құрылымдарды (ағыл. metal-organic frameworks, MOF) – жасай алды.

Ең егжей-тегжейлі зерттелетін MOF-\(5\) құрылымын қарастыратын болсақ, көк тетраэдрамен, сұр түсті көміртек атомдарымен және қызыл түсті оттегімен белгіленген метал центрлері арасындағы байланысты байқауға болады. Осы қаңқаның керемет адсорбциялық қасиеттері сары сфералармен бейнеленген, диаметрі \(15.1\) және \(11.0\) ангстремді құрайтын алып кристалды кеуектерге байланысты екенін белгілеп алу қажет.

Құрылымдық алуандығы және ұсақ қуыстардың мөлшерімен қоса, химиялық талғампаздығын басқара алу қабілеттілігінің арқасында MOF технологиялары адамзатқа газды таңдамалы мембраналар мен перспективалы және экологиялық таза сутегі отынын сақтауға, эффективті су жинауға, тіпті парниктік газдарды тікелей атмосферадан ұстап алуға арналған тиімді адсорбциялық материалдар жасауға керемет мүмкіндік берді. Осыған байланысты қаңқалық металоорганикалық құрылымдарды одан әрі зерттеу көптеген маңызды экологиялық стратегияларды жүзеге асыруда маңызды рөл атқаратыны сөзсіз.

Металоорганикалық қосылыстар

Органикалық молекулалардың металдармен тағы бір әрекеттесу нәтижесі химия ғылымының іргелес аялары органикалық химиядан бейорганикалық химияға жатық ауысуы болып есептелетін металоорганикалық қосылыстардың (ағыл. organometallic compounds) түр-түрлерінің пайда болуына әкелді. Табиғи және өндірістік заттардың органикалық синтезінің туындауына адамзатқа ежелден белгілі органометалды реактивтер, мысалы, органомагний және органолитий қосылыстары маңызды рөл атқарды. Ал \(1973\) жылы металоорганика химияның жеке саласы ретінде металоцендердің сэндвич құрылымдарын зерттегені үшін неміс ғалымы Эрнст Фишерге (Мюнхендегі техникалық университеттің профессоры) және британдық ғалым Джеффри Уилкинсонға (Лондон императорлық колледжінің профессоры) Нобель сыйлығы берілгеннен кейін танылды. Кем дегенде бір металл-көміртегі байланысы қажет ететін металоорганикалық қосылыстарын азот, оттегі және күкірт сияқты басқа элементтер арқылы металл иондарымен байланысатын қаңқалық металоорганикалық құрылымымен шатастырмау жөн.

Металоорганикалық қосылыстар өздерінің қызықты табиғатымен қоса, талғағыш катализатор рөлін атқарады. Осы қосылыстардың ең жарқын мысалдары өздерінің тұңғыш ашушыларын химия бойынша лайықты Нобель сыйлығын иеленуге жеткізді: Циглер-Натта катализаторларымен жоғары полимерлерді зерттеу (\(1963\)), олефиндердің Граббс катализаторларымен метатезисі (\(2005\)), сонымен қатар палладий кешендерімен катализделген өзара байланысқан реакциялар (\(2010\)) . Бұл қосылыстардың барлығы қатерлі ісік метастаздарының түзілуінің ингибиторы – миграстатин – заты сынды көптеген күрделі химиялық молекулаларды оңай жолмен синтездеуге мүмкіндік береді.

Тірінің шегінде

Көптеген жаратылыстану оқулықтарында әлем тірі және өлі табиғат деп шартты түрде бөлінген. «Өлі» табиғатта кездесетін химиялық заттардың көп бөлігі тірі организмдерде де кездеседі: сүйектердегі кальций, қандағы темір, өсімдіктер мен балдырлардың хлорофилліндегі магний, В\(12\) витаминіндегі кобальт және басқалары.

Өзінің ғылыми анықтамасына сәйкес биоорганикалық химия тірі организмдерде кездесетін координациялық қосылыстарды қамтиды, бірақ бұл тізімге тірі жүйелерге айтарлықтай әсер ететіндігіне байланысты ластаушы заттар (метилмеркурия) және дәрі-дәрмектер (обырға қарсы цисплатин) сияқты антропогендік заттар кіреді.

Қорытынды

Осылайша біз бір сәтке болса да бейорганикалық химияның шексіз әлеміне шолып, оның “жансыз” болудан гөрі қарқынды түрде дамитын химия бөлімі екеніне көз жеткіздік. Координациялық қосылыстардың қарапайым қисынына сүйенетін болсақ, бейорганикалық химия мен өнер, нанотехнология, кристалдар, органикалық молекулалар мен тірі жүйелер арасындағы тікелей байланысты байқауға болады. Жоғарыда келтірілген мысалдардың бәрі химия ғылымының қаншалықты жан-жақты екендігін дәлелдейді. Онсыз дәрі-дәрмектер, заманауи гаджеттерді жасау немесе болашақ жауһар туындыларында әдемі бояулар қолдану сынды көптеген ғылыми және технологиялық бастамалары іске аспаушы еді.

«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

Редактор: Дильназ Жемісбек