[Химия ғажабы] Физхимияны не үшін оқу керек?

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

Мектеп қабырғасынан-ақ көптеген адамдардың санасында химия, физика және биология бөлек ғылымдар секілді қалыптасып қалған. Шын мәнісінде химия да, физика да, биология да — жаратылыстану ғылымдары және үшеуі де қоршаған ортаның құбылыстарын түсіндіру үшін қолданылады. Олардың ажырамастай бүтін екендігі еш таңқалдырмайды.

Мақалалардың циклы «Химия ғажабы неде» деп аталады, бірақ бұл мақалада физика ғылымымен тығыз байланысты, химияның ең ұлы және ең құдіретті бөлімі туралы сөз қозғалады.

Физикалық химия — атомдардың, молекулалардың, химиялық процестер мен жүйелердің әрекеттерін физика заңдарын қолдана отырып болжайтын өте ауқымды бөлім. Оның кең-ауқымдылығы сонша, оны бір жарияланым аясында толығымен қарастырып шығу мүмкін емес, сондықтан оны үш негізгі тармаққа бөліп қарастырайық. Олар: кванттық химия, химиялық термодинамика және химиялық жүйелердің динамикасы. Бұл мақалада осы тармақтардың әрқайсысымен жақын танысып, олардың негізгі принциптерін және тарихтарын зерттейміз, оған қоса физикалық химияның қазіргі таңдағы сипатын қарастыратын боламыз.

Кванттық химия — кванттық механиканың химиялық жүйелерге қолданылуы болса, химиялық термодинамика — термодинамика мен химия бірлескен тармақтың шартты атауы екендігін белгілеп алу маңызды. Сондықтан біз кванттық химия мен химиялық термодинамика десек, ақпарат кванттық механика мен жалпы термодинамика туралы болады.

Термодинамика

Неге кейбір реакциялар орындалса, басқа біреулері орындалмайды? Неліктен кейбір реакциялар орындалу үшін реагенттерді қыздыру қажет? Неліктен кейбір реакциялар суық температурда тезірек жүреді? Осы және көптеген басқа да сұрақтарға химиялық термодинамика жауап береді.

Химиялық термодинамика – бізді қоршаған ортадағы энергияның трансформациясын зерттейтін ғылым. Зерттеу объектісі мен анализ жасау тәсілдері ежелден бері ғалымдар үшін қолжетімді болғандықтан, бұл тармақ алғаш жарық көргендердің бірі.

Жаратылыстану ғылымдарының тармақтарының әрбіріндегідей химиялық термодинамикада да оған тән заңдар мен ережелер жинағы бар. Герман Гесс, Юлиус Роберт фон Майер, Рудольф Клаузиус, Уильям Ренкинг және басқа да атақты ғалымдар термодинамиканың бірінші заңын жарты ғасыр төңірегінде құрастырған.

Термодинамиканың бірінші заңы – баршамызға белгілі энергияның сақталу заңы. Ол энергияның бос жерден алынбайтындығын және босқа жоғалмайтындығын тұжырымдайды.

Қарапайым шарды химиялық жүйе ретінде алайық. Ол бітеулі, бірақ сонымен қатар оны қыздыру немесе суыту үшін еш кедергі жоқ. Шардың ішіндегі энергияны өзгертудің екі жолы бар: оны суыту/қыздыру; немесе сол шармен механикалық жұмыс жасау, мысалы, оны ығыстыру немесе созу. Осылайша, жылу беру/алу арқылы немесе жұмыс жасау арқылы шар ішіндегі энергия жаңадан пайда болмай немесе босқа жоғалмай, түрлене алады. Осыдан термодинамиканың бірінші заңының формуласы шығады: \[ \Delta U = q - w, \]мұндағы \( \Delta U \) – ішкі энергияның өзгерісі, \( q \) – жүйеге берілген жылу, \( w \) – жүйенің атқарған жұмысы.

Термодинамиканың екінші заңын талқыға салмас бұрын, ғалымдар «энтропия» деп атап кеткен функцияны енгізейік.

Энтропия – бейберекеттікті сипаттайтын шама.

Иә, дәл бейберекеттікті. Энтропия көптеген формаларда айқындалатын материяның бейберекеттікке табиғи ұмтылысын сипаттайды. Үстелде тыныш тұрған анаңыздың жақсы көретін вазасын елестетейік. Бұл вазаның бірқатар параметрлері бар, яғни массасы, биіктігі, қалыңдығы, тығыздығы, шынының мөлдірлігі дегендей. Бұл қатарға вазаның энтропиясын да қосуға болады. Бүкіл жүйенің (яғни вазаның) қандай да бір шамаға тең энтропиясы бар. Кенет ваза жерге құлады делік, ол сынып шашыраңды сынықтардың үймесіне айналады. Мұқият жиналған ваза сынықтарының массасы сынбай тұрған вазаның массасына тең. Ал энтропия өзгерді ме? Энтропияның абсолюттік шамасын есептеудің жолы болса, ваза сынықтарының жүйесінің энтропиясы бүтін вазаның энтропиясынан ерекше болады. Ал бұл логикаға қонымды! Себебі энтропия – бейберекеттіліктің өлшемі, ал ваза сынықтары бүтін вазаға қарағанда бейберекеттіктің сәттірек мысалы.

Осылай анаңыздың жақсы көретін вазасы туралы қарапайым мысал арқылы термодинамиканың екінші заңы айқындала түседі. Оны әрқалай тұжырымдауға және физикалық әлемнің басқа құбылыстарына сүйеніп жасауға болады, бірақ біз оны келесідегідей тұжырымдаймыз: әрбір жүйе ең үлкен шамадағы бейберекеттікке ұмтылады.

Термодинамиканың екі заңын ұғынып алсақ, химияның ең маңызды міндеттерінің біріне көшейік. Ол “екі қосылысты араластырсақ, не болады?” сұрағына жауап беру. Мысалмен қарастырайық.

Біз тыныс алатын ауаның негізгі құрамдас бөліктеріне азот пен оттек жатады, бірақ азот пен оттектен улы қоңыр газ, яғни азот диоксиді пайда болады. Алайда ауа мүлде қоңыр және улы емес, себебі қалыпты жағдайда:\[ N_2 + 2O_2 \rightarrow 2NO_2 \] реакциясы жүрмейді.

Екі заттың бір-бірімен реакцияға түсетін/түспейтіндігін, химиялық термодинмика тұрғысынан алғанда, қалай анықтауға болады? Реакциялардың энергияларының өзгерістеріне қарап, минималды энергияға ұмтылатын реакцияны тандауыңыз мүмкін. Мектеп бағдарламасында энергия туралы көп айтылатындығы сонша, энергия барлық заттың өлшемі бола алады деген болжам жасау логикаға қонымды ой. Алайда бұл олай емес! Химиялық термодинамика пайымдамасы бойынша, термодинамиканың екінші заңына қайшы келмейтін реакциялар ғана өз еркілерімен жүреді.

Мұны математикалық түрде қалай көрсетеміз? Біріншіден, \( \Delta S\) реакциясы барысындағы энтропияның өзгерісін есептеу қажет. Екіншіден, термодинамиканың екінші заңы тек бір жүйеге ғана емес, бүкіл әлемге қатысты; сондықтан қоршаған ортаның энтропиясын да есептеу керек екендігін есте сақтау маңызды. Қоршаған ортаның энтропиясы жылудың бөлінуіне немесе жұтылуына қатысты өзгереді және оның өзгерісін \( \Delta H\) деп белгілейік. Сонда қарапайым түрлендірулер арқылы Гиббс энергиясын \( \Delta G\), яғни реакцияның кенеттігінің шамасын, қорытып шығарамыз:\[ \Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S\]Ендігі кезекте, энтальпия деген жаңа функцияны енгізейік. Энтальпия, яғни \( H \) – көлем (V) мен қысымның (P) көбейтіндісі мен ішкі энергияның (U) қосындысы болып табылатын тағы да бір термодинамикалық параметр:\[ H = U + P\cdot V ,\]

Негізінде, энтальпияның абсолюттік шамасын бұл формуламен есептеп шығару мүмкін емес, себебі ішкі энергияның абсолюттік шамасын анықтау – формуланың құрамдас бөлігі.

Алайда реакция барысында энтальпияның өзгерісін (\( \Delta H \)) анықтау қиын емес:\[ \Delta H = H_f - H_i = U_f + P_fV_f - U_i - P_iV_i\ = \Delta U + \Delta (PV) \]

Теңдеудің екінші бөлігіне мұқият қарасақ, \( \Delta (PV) = w \) екендігін көруге болады, мұндағы \( w \) – механикалық жұмыс. Осылайша, өрнек термодинамиканың бірінші заңына ұқсап келеді және содан:\[ \Delta H = \Delta U + \Delta (PV) \ = q \]екендігі шығады.

Енді біз сіздермен энтальпияның шамасын қалай анықтау керек екендігін білеміз. Ол реакция барысында жүйе алған жылудың мөлшеріне тең. Энтальпияның өзгерісі арқылы Гиббс энергиясының өзгерісін де есептеп шығаруға болады. Егер Гиббс энергиясының өзгерісі теріс шаманы көрсетсе, реакция берілген температурада жүреді. Оң болған жағдайда реакция жүрмейді.

Қоңыр улы газға қайтып оралайық. Не үшін қалыпты жағдайда азот пен оттек қоңыр улы газға айналмайды? Бұл реакциядағы энтальпия өзгерісі \( 33.2 кДж/мольге\) тең, энтропия өзгерісі \( -249 Дж/моль \cdot К \) тең. \( 298 К \) (\( 25 ^{\circ} C \)) температура жағдайында Гиббс энергиясының өзгерісі:\[ \Delta G = 33.2 кДж/моль - (298 К)\cdot(-249 Дж/моль \cdot К) = 51.3 кДж/моль \]тең болады.

Гиббс энергиясының өзгерісі оң шаманы көрсетіп тұр. Жоғарыда атап өткеніміздей, реакция бөлме температурасында жүрмейді. Міне, осындай қарапайым жол арқылы химиялық термодинамика реакцияның жүретін/жүрмейтіндігін болжай алады!

Кванттар

«Менің ойымша, мен кванттық химияны ешкім түсінбейді деп жүрексінбей тұжырымдай аламын»
– Ричард Фейнман

Өткен ғасырдың басында адамзаттың асқан ойшылдары бір мәселемен, яғни абсолютті қара дене туралы мәселемен, соқтығысты. Бізде қыздырғанда қандай да бір жиіліктегі толқындарды шығаратын дене бар деп елестетейік. Алдымен ол қызарады, ал сосын тіпті ағарып кетеді. Сол заманның ғалымдары шығатын толқындардың қарқыны мен дененің температурасы арасындағы байланысты орнатқылары келген еді, бірақ бір парадокстың бар екендігін лезде анықтап, оны ультракүлгін катастрофа деп атады. Британдық ғалымдар Рэлей мен Джинс әртүрлі температурадағы дененің шығаратын толқындарының қарқынын сипаттайтын формуланы ойлап тапты, алайда формула бойынша қыздырылған дене ультракүлгін спектр аймағындағы қарқындыққа жақын және шексіздікке ұмтылатын толқындарды таратады. Ал бұл тәжірибелік бақылауларға қарама-қайшы келді.

Аз уақыттан кейін неміс ғалымы Макс Планк абсолютті қара дене мәселесін шешуге қызығушылық білдірді. Ұзақ уақыт бойы Планк басқа ғалымдардың жұмыстарын талдай келе, абсолютті қара дененің толқын шығару құбыластарын мінсіз дерлік сиппатайтын формуланы ойлап тапты. Оның формуласы Рэлей мен Джинстың формуласына ұқсас келеді дегенімен, кейбір толықтырулар жасалған және олардың физикалық мағынасын Планктың өзі де түсіндіре алмаған.

Рэлей-Джинс теңдеуі

\[ d \rho ( \nu , T) = \frac{8 \pi k_B T}{c^3}\nu^2 d\nu  \]

Планк теңдеуі

\[ d \rho ( \nu , T) = \frac{8 \pi h}{c^3} \frac{\nu^3 d\nu}{e^{h \nu / k_B T} - 1}  \]

Формулалар қорқынышты болып көрінсе, үрейленбеңіздер. Бастысы олардың ұқсас екендігіне назар аударсаңыздар жеткілікті.

Планк өз формуласының ой-сананы төңкерерліктей екендігін түсінген, себебі оны шығарудың нәтижесінде ол жаңа “h” деген шаманы тапты және оны фундаменталды константа санаған. Планк оны “қозғалыс кванты” деп атаса, қазіргі заманда біз оны “Планк тұрақтысы” деп атаймыз. Планктың формуласының ой төңкерерліктей несі бар?

Біріншіден, Планк формуласына сәйкес, энергия дискретті шама екендігі, яғни энергия барлық шамаларды қабылдай бермейтіндігі және графиктегі “баспалдақтарда” ғана бола алатындығы анықталды. Айтпақшы, бұл қазір бізге айдан анық болып көрінгенімен, \(100\) жыл бұрын бұл ғылыми қоғамда көптеген қызу дау-таластардың объектісі еді.

Екіншіден, Планк енгізген жаңа константалар мен энергияның дискреттігі туралы түсінік кванттық механиканың бастамасы болды.

Бірақ осының барлығы химиктер үшін неліктен маңызды? Кванттық механика қарапайым механика түсіндіре алмайтын құбылыстарды түсіндіреді. Атомдық деңгейде қарапайым механика заңдары орындалмайды. Химиялық қасиеттерге жауап беретін электрондар әлемі қалай өрнектелгендігін білу үшін біз өзімізге аз түсінікті кванттық химия әлеміне үңіліду жалғастырудамыз.

Планктың артынша кванттық механика әлеміне жол ашқан басқа ғалымдардың жаңалықтары жарық көрді. Луи де Бройль электрон (фотон және басқа да бөлшектер) бөлшек қана емес, оған қоса толқын да бола алатындығын тұспалдап көрсететін корпускулярлы-толқындық дуализм теориясын сипаттады. Корпускулярлы қасиеттер мен толқындық қасиеттер арасындағы байланысты де Бройль толқыны тұжырымдайды:\[ \lambda = \frac{h}{p}, \]мұндағы λ – толқын ұзындығы, h – Планк тұрақтысы, ал p – қозғалушы дененің импульсі.

Корпускулярлы-толқынды дуализм – атомның құрылысы туралы планетарлы көрініс шынайы көріністің ықшамдалған бейнесі екендігінің кезекті дәлелдемесі. Атомдағы электрондар ядроны айқын орбиталар бойымен айналмайды. Кванттық теорияға сәйкес олардың қозғалысы толқындық функция (\( \psi \)) арқылы сипатталады. Осылайша, электрон бөлшек те, толқын да бола алады, ал орбиталь – электронның толқындық функциясы сипатталған кеңістік облысы.

Кванттық механика алғашқы жылдары көптеген қызу таластар мен жанжалдардың себепкері болды, алайда қазір оның маңызы күмән тудырмайды. Оның қалыптасуының барысында көптеген аты шыққан ғалымдар пайда болды, мысалы электронның қозғалысын сипаттаған Шрёдингер, белгісіздік теңдеуін жазған Гейзенберг, кванттық электродинамиканың бастамасын қолға алған Фейнман және басқа да ғалымдар. Аталған құбылыстар туралы «Физиканың ғажабы неде» аясында жазылған «Мен ештеңе білмейтінімді білемін» атты мақаласынан толығырақ оқи аласыздар.

Динамика және химиялық кинетика

Химиялық процестердің жүруін сипаттау үшін химиялық жүйенің элементтері бір-бірімен қалай әрекеттесетіндігін түсініп алу қажет. Мұндай өзара әрекеттесулерді химиялық динамика зерттейді.

Химиялық динамика өте ауқымды тараулардың бірі болғандықтан, оның реакция жылдамдығын қарастыратын маңызды бөлімдерінің бірімен ғана танысатын боламыз. Бұл маңызды бөлімнің атауы – химиялық кинетика. Дәл осы кинетиканың арқасында біз неліктен кейбір реакциялар тез, ал басқа реакциялар өте ұзақ жүретіндігін түсіне аламыз. Оған қоса, кинетика реакцияларды жылдамдату, реакциялардағы қажетсіз өнімдердің пайда болуынан құтылу жолдарын табуға мүмкіндік береді.

Ең әуелі химиялық реакцияның болмысы неде екендігін түсініп алайық. Кез-келген реакцияға реагенттер, яғни өнімдерге айналатын заттар (молекула, атом, ион, радикалдар бола алады), қажет. Алайда реакцияның жүруі үшін реагенттердің өнімге айналуы жеткіліксіз, алдымен реагенттер қандай да бір энергетикалық кедергіден өтулері керек. Кедергі үлкен болған сайын, реагенттерге олардан өту қиындай түседі және химиялық реакцияның жылдамдығы азаяды.

Химиялық реакция дегенде адамдар жиі екі бөлшектің соқтығысуы туралы ойлайды, алайда бір жол химиялық реакция теңдеуінің артында бірнеше сатыдан тұратын күрделі процесс жасырынып тұруы мүмкін. Төмендегі суретте көрсетілгендей, йодсутектің қарапайым жасалу реакциясы үш сатыдан тұрады. Әртүрлі химиялық қосыластардың өндіріс процестерін ұлғайту үшін заттардың жасалу механизмдерін зерттеу керек және бұл да химиялық кинетиканың функционалына кіреді.

Химиялық реакцияның жылдамдығының константасынсыз (k) ешқандай химиялық кинетика болмас та еді. Химиялық реакцияның жылдамдығы жүйедегі реагенттер санына байланысты екендігі белгілі. Реагенттер көп болған сайын, реакция жылдамырақ болады. Ал химиялық реакция жылдамдығының константасы реакция реагенттер санына тәуелсіз болған жағдайда оның қаншалықты тез жүретіндігін сипаттайды.

Ендігі кезекте, реакция жылдамдығы туралы жалпылама ақпаратты біле отырып, оның көптеген түрлі факторларға, яғни температурадан бастап молекулалардың кеңістіктегі орналасуына дейін сияқты факторларға тәуелді екендігін ұйғарамыз. Барлық факторлар математикалық теңдеу түрінде жазылады, мысалы Аррениус теңдеуі жылдамдық константасын, энергетикалық барьерді, температура мен басқа да физикалық тұрақты шамаларды бір-бірімен байланыстарады. Осылайша реакцияның энергиткалық кедергісін біле отырып, температура бөлме температурасынан \(200\) Цельсий градусқа дейін ұлғайғанда химиялық реакцияның жылдамдығы қалай өзгеретіндігін анықтауға болады.

Химиялық кинетиканың ең басты бөлімдерінің бірі – катализ. Аталмыш энергетикалық кедергі тым үлкен болса, реакция өте баяу жүретін болады. Реакцияның тез өтуі үшін өте үлкен энергетикалық кедергіні еңсеру қажет, ал ол үшін экстремалдық жағдайлар керек, яғни өте жоғары температура мен қысым. Мұндай реакциялар қымбат, энергиялық шығыны көп және кейде қауіпті, сондықтан химиктер химиялық реакцияларды басқа жолдармен жылдамдатады. Мұндай жағдайларда көмекке катализаторлар келеді. Катализаторлар – реакцияны жылдамдататын, бірақ өзі реакция барысында жұмсалмайтын зат. Өте үлкен нәруыз да, кішкентай молекула да катализаторлар болуы мүмкін.

Әрбір адам катализ феноменімен бір рет болсын кездескен болар. Мысалы, сутек асқын тотығы – көптеген дәрі қобдишаларында болатын көбімізге белгілі флакондағы қосылыс. Оның ыдырауы осылайша жазылады:\[ 2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2 \]Бұл реакция өте баяу жүреді, себебі оның энергетикалық кедергісі өте үлкен. Бірақ егер жараға асқын тотықтың ерітіндісін аздап тамызсаңыз, қарқынды реакцияны байқайсыз (оттек газының қарқынды бөлінуі). Неліктен? Жараға енген сутек асқын тотығы қанның ферменттерімен, яғни ағзаның биологиялық катализаторларымен әрекетке түседі, ал олар реакцияны жылдамдатады.

Заманауи химияда жаңа катализаторлардың синтезі – көптеген лабораториялардың жұмыстарының объектісі. Жаңа катализаторлар кейбір өндірістік процестерді арзандатуға септіктерін тигізеді, дәрілердің синтез процессін дәлірек етеді және in vitro биологиялық катализаторларының жұмыстарын имитация жасауға көмек береді.

in vitro – өздерінің биологиялық тіршілік ету ортасынан тыс ортада тірі жасушаларға жасалатын тәжірибелер. Басқа сөзбен айтқанда, пробиркадағы эксперименттер.

Қорытынды

Физикалық химия ауқымды және шексіз, ал оның элементтері кез-келген химиялық зерттеуде көрініс табады. Күрделі органикалық молекулалардың анализі, органикалық синтез барысында керекті өнімнің өндірісін бақылау, күрделі биомолекулалардың дизайны, инновациялық биотехнологиялардың әзірленуі – мұның барлығы және бұдан басқалары біздің физикалық химиядағы түсінігіміздің нәтижесі. Күрделі математикалық формулалар мен өрнектерден үрейленбеңіздер. Себебі физикалық химия сіз ойлағаннан әлдеқайда қызығырақ.

«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: Аяулым Төребекқызы

Редактор: Дильназ Жемісбек