Химия | 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 0,3х10-10 абсолют 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 1,591х10-19 Кл, массасы сутегі атомы массасының 1/1840 бөлігіне тең болатыны анықталды (1917 ж. Р.Миляикен). Электронның граммен алынған массасы – 0,91х10-27 г. Электронның ашылуы атомнан кіші 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 бәрінен өтіп 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 сульфидінің кристалдары арқылы өткенде сәуленің дифракцияға ұшырайтынын байқады. Рентген сәулелерінің өткірлік қасиеті техникада, медицинада және ғылыми зерттеулерде кеңінен пайдаланылады.
Радиоактивтіліктің ашылуы. Рентген сәулесі ғылымға және өмірге алуан түрлі жаңалықтар әкелді. Француз ғалымы А.Пуанкаре бұл сәуле Крукс түтігінде ғана емес, флюоренция жасайтын заттардың бәрінен 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 зеріттеген уран және калийдің күкірт қышқылымен қос тұзын таңдап алды. Бірде бұлтты күндері қараңғыда қалдырған уран тұзының фотосурет пластинкасына әсерін байқады. Тәжірибені бірнеше қайталағанда уран тұзының жарықтықтың әсерінсіз сәуле шығаратынын анықтады. Тіпті уранның флюоренция жасамайтын қосылыстарының өздігінен сәуле шығаратын қасиеті ашылды. Бұл сәулелердің бір жағынан рентген сәулелеріне ұқсас, екінші жағынан үлкен айырмашылығы бар екені байқалды. Рентген сәулесі тәрізді фотосурет пластинкасына әсер етеді, ауаны иондайды, әр түрлі кедергіден 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 құмарлығын танытты. Өз елінде әйелдерге жоғары білім алу мүмкін болмағандықтан оқу іздеп Парижге келді. Тұрмыс тауқыметін басынан кешірді. Жеке адамдардың баласына сабақ берді. Университеттің физика зерітханасында ыдыстарды жуып, тапқан ақшасына пәтер жалдап тұрды. Қарны тойып тамақ ішпесе де, университеттегі оқуын жалғастыра берді. Марияның білімге құштарлығын байқаған физика зертханасының меңгерушісі Г.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 уран сәулелерінің күшін өлшеуді мақсат етті. Мұны фотосурет пластинкасы арқылы дәл анықтау мүмкін емес еді. Ауаның иондануына негізделген өлшеуіш аспапты зайыбы 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 массасына пропорционалды тәуелділікте болады. Таза ураннан гөрі кейбір кендерді, мысалы, уран нымы (смоласы) сәулені күштірек шығарады. Өздігінен сәуле шығару құбылысы – радиоактивтілік, ал оларды бөлетін заттардың өзі – радиоактивті заттар деп аталды. Мария Кюри өзінің тәжірибелерінен уран кенінде ураннан гөрі радиоактивтілігі күшті бір элемент болуы тиіс деген жорамал жасады.
Шығаратын сәулесі арқылы элеметтің өзін іздеуге ерлі-зайыпты Кюрилер белсене кірісті. Австриядан бірнеше тонна уран алынғаннан кейін ным кенінің қалдығын сұрыптап алды. Арнайы жұмыс орны болмауынан, зеріттеу ескі қорада жүргізілді. Руданы күкірт қышқылында ерітіп күкіртсутегін жібергенде құрамындағы қорғасын, мыс, мышьяк және висмут тұнбаға түсті, уран ерітіндіде қалды. Сәулесін тексергенде іздеп отырған элеметтің 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 элементтің қосылысы бөлініп алынды. Оған Марияның туған елінің құрметіне полоний деген ат берілді. Бұл туралы Пьер және Мария Кюри 1898 жылы маусымда Француз академиясына хабарлады. Бес айдан соң олар ным кеніне тағы бір радиоактивті элемент ашты. Радий аталған бұл элементтің радиоактивтілігі металдық ураннан 900 есе күшті болды.
Мария Кюри ураннан басқа заттардың да радиоактивтілігін мұқият сынап, торийдің де сәуле шығаратынын ашты. Радиоактивтілік саласындағы зеріттеулерін жинақтап қорытып, 1903 жылы докторлық диссертация қорғады. Пьер екеуі халықаралық Нобель сыйлығына ие болды. 1906 жылы профессор П.Кюри қайғылы қазаға ұшырығаннан кейін 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 элемент атомындағы 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 жөнінде жорамал 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 ағылшын физигі 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 электрондар оң 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 бөлінетін альфа бөлшектердің металл қағазынан өткендегі таралуын зеріттеді. Ол үшін бөлшекті санауға арналған прибор- спинтрископты пайдаланды. Алтын қағаз арқылы жіберілген альфа бөлшектердің баысм көпшілігі кедергісіз өтіп шықты. Кейбіреулері ғана әр түрлі бұрыш жасап бұрылды. Өте сирек жағдайда кері тебілді. Атомдағы оң және теріс зарядтардың біркелкі орналасатыны туралы жорамалдардың ешқайсысы бұл құбылысты түсіндіре алмады. Массасы үлкен, күшті жылдамдықпен қозғалатын альфа бөлшегі оң зарядтардың бір жерге шоғырланған массасына дәл тигенде ғана кері қайтуы, жақындағанда бұрылуы мүмкін. Осылайша пайымдаған Э.Резерфорд атом ядродан және оны айналып жүретін электрондардан тұратыны жөніндегі модельді ұсынды, ол планетарлық модель деп аталады. Э.Резерфордтың түсіндіруінше ядро протон мен электроннан тұрады, бірақ протонның саны көбірек. Сондықтан ол өзінзарядталған бөлшек ретінде көрсетеді. Бұрыш жасап ауытқыған альфа бөлшектерін санау арқылы Э. Резерфорд әр түрлі элемент атомдары диаметрінің және зарядының 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 бастапқыда физикадан ассистент болып, содан соң лекция оқыды. Периодтық жүйеде қатар орналасқан 38 элементтің рентген сәулелерін зеріттеді. Нәтижесінде бөлінетін сәуленің толқын ұзындығы мен элементтің реттік нөмірінің арасындағы байланыс заңын ашты. Химия ғылымына элементтің 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. Қазір оның есімімен аталатын заңның теңдеуі бойынша есептегенде, элемент атомы ядросының заряды оның реттік нөміріне тең болып шығады. Сөйтіп, реттік нөмірдің физикалық мәні ашылды. Болашығынан зор үміт күттірген жас ғалым Г.Мозли 1915 жылы қайтыс болды.....