Химиялық элементтер

Химиялық элементтер — ядродағы зарядтары бірдей болып келетін атомдар тобы. Табиғатта кездесетін барлық жай және күрделі заттар химиялық элементтерден түзіледі. Элементтер химиялық әдістер арқылы әрі қарай қарапайым затқа бөліне алмайтын химиялық заттар болып табылады. Олар белгілі атом саны бар біртекті атомнан тұрады.

Жалпы мәліметтер

Бүгінгі күнге дейін 117 элемент ашылған. Олардың ішінде 94-і табиғатта кездессе, қалғаны – жасанды жолмен алынған синтетикалық элементтер.

Химиялық элементтердің аты латынша атауының бір немесе екі алғашқы әріптерімен белгіленеді, мысалы, азот N (лат. Nіtrogenіum), алюминий Al (лат. Alumіnіum) т.б. молекуласы бір ғана элемент атомдарынан құралған зат — жай зат, молекуласы әр түрлі химиялық элементтер атомдарынан түзілген зат — күрделі зат деп аталады. Кейбір элементтер бос күйінде молекула немесе кристалдық тор құрылысы айрықша әр түрлі жай зат түрінде кездеседі (О — оттек, О — озон т.б.). Химиялық реакция нәтижесінде әрекеттесетін заттардың молекула құрамындағы химиялық элементтер қайта топтасады, яғни жаңа зат пайда болады. Химиялық элементтер атомдарының басқа атомға айналуы, атомдардың ыдырауы не күрделі атомдардың құрылуы ядролық реакциялар нәтижесінде ғана жүреді. Химиялық элементтердің және олардың қосылыстарының қасиетін анорганикалық химия зерттейді.

Табиғатта кездесетін заттар жеке элементтерден құралады деген түсінік өте ерте заманда-ақ пайда болған. Грек философтары су, ауа, от және жер (топырақ) негізгі элементтер деп санаған. Аристотельдің элемент жайындағы ілімі Еуропада кең таралды. Ол 2000 жылға жуық уақыт үстемдік етіп, алхимиктердің жай металды алтынға айналдыруға болады деген ұғымдарына негіз болды. Алхимиктер дәуірі ғылымның дамуына кедергі болғанымен, оның нәтижесінде химиялық тәжірибе жүргізудің алуан жаңа әдістері табылды. Сол кезде белгілі болған алтын, күміс, мыс, қорғасын, қалайы, темір, сынап, күкірт, көміртек, сүрмеден басқа мырыш, фосфор, күшән ашылып, көптеген күрделі заттар (металл тотықтары) алынды.

Сынап — металдың, күкірт — жанудың, тұз — ерігіштіктің бастамасы деген пікірлер айтылды. 17 ғасырда химиялық өзгерістер жайында мәліметтер көбеюіне байланысты тәжірибе қорытындыларын талдау арқылы ағылшын ғалымы Р.Бойль элемент жай зат және басқа барлық заттарды түзетін құранды заттар айырылғанда шығатын зат деп жаңа түсінік берді. 18 ғасырда Бойльдің анықтамасын дәлелдейтін тәжірибелік мәліметтер көбейді, бұрын күмәнді болған заттар элементтер қатарына жатқызылды. Жаңадан сутек, оттек, азот, хлор, газ күйіндегі элементтер, сондай-ақ, платина, кобальт, никель, т.б. ашылды. 19 - ғасырда химияның теориялық негіздері атомдық-молекулалық теория, химиялық элементтердің периодты жүйесі ашылды (1869). Ол химиялық элементтерді зерттеуде жаңа бағыт ашты.

Периодты жүйе барлық белгілі химиялық элементтерді бір жүйеге келтіріп, сол кезде белгісіз элементтердің табиғатта барын болжады. 19 – 20 ғасырлар аралығында электрон, радиобелсенділік, рентген сәулесі, изотоптар, квант теориясы т.б. жаңалықтардың ашылуы химиялық элементтер қасиеттерінің әр түрлі болуының негізгі себебін анықтады, олардың элементарлық бөлшектерден құралғаны химиялық элементтердің периодты жүйедегі орны және оның электрондық қабық құрылысын зерттеумен қатар жаңа элементтерді іздестіру нәтижесінде гафний мен рений ашылды, синтездеу арқылы технеций, прометий, астат және рет нөмірлері 93 – 105 болатын трансуранды элементтер алынды. 20 - ғасырда химиялық элементтерді ашу әдістері (рентген, оптикалық т.б.) оттек, азот, күкірт, инертті газдар, алтын , т.б. активтігі нашар металдар бос күйінде, активті химиялық элементтер табиғатта қосылыс түрінде кездесіп, көптеген кен орындарын құратындығы анықталды.

Кейбір химиялық элементтер өте аз мөлшерде минералдар құрамында қоспа түрінде (рений, рубидий, цезий т.б.) кездеседі. Көміртек, сутек, оттек, азот, калий, фосфор, кальций, темір, йод т.б. элементтер жануарлар мен өсімдіктер ағзасында болады. Химия, металлургия, тамақ т.б. өнеркәсіп дамуына байланысты химиялық элементтерді пайдалану аясы да артып келеді.

Периодтық жүйедегі орнына қарай элементті және оның қосылыстарын сипаттау

Периодтық жүйенің құрылымымен, атомның электрондық құрылысымен жете танысқаннан кейін кез келген элемент пен оның қосылыстарының қасиеттерін периодтық жүйедегі орнына қарай болжауға болады. Ол үшін мына жүйемен жұмыс істеу керек:

• I. Элементтің периодтық жүйедегі орны;
• II. Периодтық жүйедегі орны бойынша атом құрылысы;
• III. Элементтің және оның қосылыстарының қасиеттері.

Химиялық элементтердің электртерістілігі

Периодтық жүйедегі әр период бекзат газбен аяқталады. Олар химиялық, белсенділігі төмен газдар, осы енжарлықты шешу үшін олардың электрондық құрылыстарына үңілейік. Атомдық кұрылыстары бізге белгілі 42He, 2010Ne, 4018Аr газдардың барлырының сыртқы электрондық қабаттары аяқталған 8 электронды.

Бұлардан басқа элементтердің химиялық белсенділіктері осы сыртқы электрондық қабаттарының аяқталмағандығынан болады. Олар енді қосылыс түзу арқылы ғана осындай аяқталған қабатқа (инерттілікке) электрондарын беру немесе электрондарды қосу арқылы жетеді. Ал мұның өзі екі жайтқа тәуелді:

1. Элементтердің электрондық құрылысына;
2. Атом радиусына.

Периодтың басында орналасқан элементтің сыртқы қабатындағы электрондар саны аз болады, сондықтан олар осы электрондарын беріп жіберіп, өзіне дейін тұрған бекзат газдың аяқталған электрондық құрылысын алады. Ал периодтың соңын ала орналасқан элементтердің сыртқы қабатындағы электрондар саны көп болғандықтан, аяқталуға жетпей тұрған электрондарды қосып алып, өзінен кейін тұрған бекзат газдың электрондық қабатын алады.

Период бойынша элементтердің сыртқы қабатындағы электрондар (валенттілік электрондар) саны біртіндеп артады, атомдардың ядро зарядтары да осы бағытта өседі. Атомдардың электронды өзіне тарту күші солдан оңға қарай артады, сондықтан атом радиустары осы бағытта кемиді. Яғни осы бағытта электронды сыртқы қабатына қосу мүмкіндігі артады.

Үшінші периодта орналасқан элементтердің валенттілік электрондарының формулаларын жазып, олардағы дара электрондар сандарын және электрондық қабаттың аяқталуына қанша электрон калғандығын анықтап көрелік.

Toп бойынша осы қасиеттің өзгерісін карастырайық. Бір топта орналаскан элементтердің валенттілік электрондарының сандары бірдей, ал электрондық қабат саны, яғни атом радиустары жоғарыдан төмен қарай артады; олай болса, сыртқы қабаттарынан электрондарды беріп жіберуге бейімділіктері артады.

Электрондарды беру металдық, қосып алу бейметалдық қасиеттерді сипаттайды.

Осыны түсіну үшін бірінші және жетінші топтың негізгі топшаларында орналасқан бізге белгілі элементтердің электрондық құрылыстары мен атом радиустарының мәндерінің арасындағы байланысты қарастырайық.

Сонымен, период бойынша солдан оңға қарай металдық қасиет кеміп, бейметалдық біртіндеп артады; ал топ бойынша жоғарыдан төмен қарай металдық қасиет артады.

Электртерістілік дегеніміз – элемент атомдарының байланыс түзу кезінде өзінің сыртқы қабатына электрондарды тарту арқылы аяқталған электрондық қабат түзу мүмкіндігі.

Іс жүзінде салыстырмалы электртерістілік деген түсінік қолданылады, бұл түсінікті ғылымға американ ғалымы JI. Полинг кіргізген, оның мәні 0,7 мен 4,0 аралығында өзгереді. Электртерістілік мәні ең аз элемент – цезий, ал ең жоғары электртерістілік көрсететін элемент – фтор.

Элементтердің тотығу дәрежелері

Зат құрылысының сырын толық ашу мүмкін емес, өйткені зат молекуласын түзуші атомдар өте кішкене бөлшек әрі олардың өзара әсерлесуі тым жылдам жүреді. Сондықтан жүретін үрдістерді өзімізге түсінікті болуы үшін әр түрлі сызба модельдерді пайдаланамыз.

Осыған дейін қарастырылған элемент атомдарының электртерістілігі, металдық және бейметалдық қасиеттері олардың валенттілік электрондарын беруіне немесе қосып алуына негізделді.

Ал атом ядросын айнала қозғалатын электрондардың толкындық қасиеті бар екендігі белгілі, олай болса, оның бір атомды тастап, екіншісіне мүлде өтіп кетуі мүмкін емес. Сондықтан болып жатқан осы шындықты біздің түсінігімізге жақындату үшін тотығу дірежесі деген түсінікті пайдаланамыз.

Элементтердің электртерістіліктерінің мәндеріне қарай элемент валенттілік электрондарын беріп жібереді немесе қосып алады деп есептегендегі түзілуге тиісті шартты зарядтың шамасын тотығу дәрежесі деп атайды.

Мысалы: натрий атомы бір электронын беріп, оң зарядталса, күкірт атомы екі электронды қосып, теріс зарядты бөлшекке айналады.

Тотығу дәрежелері элементтің таңбасының үстіне араб цифрымен жазылып, зарядтың таңбасы оның алдына қойылады, оның мәні оң, теріс, бүтін, бөлшек және нөлге де тең болады. Жай заттардағы элементтердің тотығу дәрежелері нөлге тең.

Натрийдің электртерістілігі 0,9; ал күкірттікі 2,5; қосылыс түзгенде электртерістілігі төмен элементтен электртерістілігі басым элементке қарай электрон бұлты ығысады. Химиялық формулаларда электртерістілігі төмен элемент бірінші, ал электртерістілігі жоғары элемент екінші орынға жазылады (аммиактан NH₃ басқалары).

Бинарлы қосылыстарды атаған кезде электртерістілігі басым элементтің халықаралық толық не қысқартылған атына -ид жалғауы жалғанып айтылады.

Na₂S - натрий сульфиді SiO₂, кремний (IV) оксиді Si₃N₄ - кремний (IV) нитриді.

Есте сақтайтын кейбір элементтің латынша аттарының түбірі: О - «окс»; Н - «гидр», S - «сульф», С - «карб»; N - «нитр», Si - «силиц», As - «арсен».

Бұдан көпшілік қосылыстарда элементтің валенттілігі мен олардың тотығу дәрежелерінің абсолюттік мәндері тең екенін көреміз.

Әдетте, химиялық қосылыстарында тотығу дәрежелері:

1. Сутек және І А тобының элементтері +1;
2. II А тобынікі +2;
3. ІІІ А тобындағы бор, алюминий +3;
4. Оттек - 2, мына қосылыстардан ОF₂, H₂O₂ басқаларында;
5. Фтор - 1 тотығу дәрежелерін көрсетеді.

Тотығу дәрежесі шартты шама болғанымен ол бойынша:

• а) зат формуласын кұруға;
• ә) элементтің тотығу-тотықсыздану реакциясында атқарар рөлін анықтауға болады.

Қосылыстардың құрамындағы элементтердің тотығу дәрежесін анықтау әдісімен танысайық. Мысалы, фосфор атомының сыртқы қабатында бес электрон бар, оған сыртқы қабатын аяқтауға 3 электрон жетпесе, ал оттек атомына 2 электрон жетпейді әрі атом радиусы кіші, электронды тарту күші көп. Сондықтан оттек атомы фосфорға қарағанда оңайырақ өзіне қарай электрондарды ығыстырады.

Олай болса фосфор оксидінің формуласы Р₂О₅ фосфордың тотығу дәрежесі +5, ал оттектікі -2 болады.

Кез келген қосылыс электрбейтарап болатыны сендерге белгілі, себебі атомдар мен молекулалар – зарядсыз бөлшектер. Сондықтан молекула құрамына кіретін элемент атомдарының тотығу дәрежелерінің алгебралық қосындысы нөлге тең.

Атом радиусы (r) – ядроның өзегінен сыртқы электронға дейінгі қашықтық, өлшемі – нанометр (нм), 1 нм = 10^-9 м. Атомның радиусын шамамен ғана анықтауға болады, себебі электронның толқындық та қасиеті болғандықтан, электрон бұлтының мөлшері өзгеріп отырады. Атом радиусы период бойынша элемент атомдарының ядро заряды артатындықтан, қабат саны бәрінде бірдей болғанымен, солдан оңға қарай аздап "жиырылу" болады да, сол себепті кішірейеді. Периодтың басынан соңына қарай элеметтердің металдық қасиеттері біртіндеп бейметалдыққа ауысады және бұл қасиет осы бағытта артады.

Йондану энергиясы (І) – бейтарап атомнан бір электронды жұлып алуға жұмсалатын энергия мөлшері, өлшемі эВ. Период бойынша солдан оңға қарай элемент атомының радиусы кішірейіп, ядро зарядының артуына байланысты йондану энергиясының шамасы да артады. Топ бойынша сыртқы валенттік электрондар саны бірдей, ал атом радиусы артатындықтан олардың ядроға тартылу күші әлсірейді де, йондану энергиясы кемиді.

Электрон тартқыштық (F) – бейтарап атомға бір электронды қосқанда бөлінетін не сіңірілетін энергия, өлшемі кДж /моль. Бұл шама периодтарды солдан оңға қарай артып, топ бойынша жоғарыдан төмен қарай кемиді.

Валенттілік – элементтің басқа бір элемент атомымен байланыс түзуін сипаттайтын шама. Ол шаманың сандық мәні элементтің байланыс түзуге жұмсалатын жұптаспаған (дара) электрондар санымен анықталады. Валенттік рим цифрларымен белгіленеді, сандық мәні 1 - ден 8 - ге дейін өзгереді. Элементтің валенттілігін анықтайтын электрондар валенттік электрондар деп аталады. Олар s- және p- элементтерде сыртқы қабатта, ал d- және f- элементтерде сырттан санағанда екінші және үшінші деңгейлерде орналасады.