Қышқылдар мен негіздер теориялары
Кіріспе
Жұмыстың өзектілігі: Қазіргі әлем дүниесі әрбір дербес елге, бәрінен де
бұрын, оның білімдегі жетістіктері тұрғысынан көз салады. ХХІ ғасырда адам
факторы елдердің дамуы мен байлығының негізгі көзі болып танылады. Әлемдік
қоғамдастықта елдің рейтингісі мемлекеттердің өркениеттілігі мен қуат көзі
шикізат байлықтарымен, көне тарихи – мәдени мұраларымен ғана емес, сол ел
тұрғындарының ақпараттандырылу деңгейімен және білімділігі мен
интеллектуалдық әлеуметтілігімен көрінеді. Бұл жағдайда білім қауіпсіздік
элементі ретінде рөл атқарып, елдің тұрақты дамуы мен бәсекелік
қабілеттілігінің шешуші факторы болады.
Білім сапалығы, қазіргі өркениеттегі адамның байлыққа және ресурстарға
қол жеткізуін кеңейте түсетін әлемдік ауқымдағы маманның бәсекеге
қабілеттілігін қамтамасыз етуші әлеуметтік әділеттік құралы санатында
қарастырыла бастады.
Қазақстандағы жоғары білім беру соңғы жылдар аясында үздіксіз жетілдіру
мен модернизациялану жағдайын бастан өткеріп келеді. Экономикалық және
қоғамдық жаңару қажеттіліктеріне сай келетін осы заманғы білім жүйесін
қалыптастыру мақсатында жұмыстар істелініп жатыр. Білім - интеллектуалды
капиталдың стратегиялық факторы болғандықтан, оны игерудің сапалы әрі
тиімді жолдарын іздестіруіміз өте дұрыс.
Еліміздің білім беру ұйымдары алдында тұрған негізгі міндет - мазмұны
мол жаңа білім беру технологияларын көбейте түсу. Оларды жасай отырып,
барлық кезеңде мамандарды даярлаудың ұлттық негіздегі білім беру доктринасы
жасалынады. Онда жүйедегі бұрынан бар, көптен сақталып келе жатқан озық
тәжірибе мен әдіс-тәсілдер де орын тапқаны дұрыс: іргелі білім сапасы, оқу
бағдарламаларының үйлесімділігі және тағы басқалар. Осыған қарамастан
бірізділік, жүйелілік, академиялық еркіндік және оқу жоспарларының көп
нұсқалылығы (варианттылығы) әлемдік деңгейдегі өзгерістерде көрініс табады.
Тұтастай алғанда жоғары мектеп жақсы қалыптасқан қабілеттілікті және
білгірлікті, жоғары деңгейдегі іргелі білімге ие болатын, саясатта,
экономикада, ғылымда, еңбек нарығында және т.б. өзгергіш конъюнктураға
қарсы тұра білетін мамандарды даярлап шығаруы тиіс.
Оқытудың қазіргі заманғы тенденциялары жоғары білікті маман даярлаудың
жаңартылған сапалы өзгерістерін талап етіп отыр. Осы орайда студенттерге
жоғары білімнің сапасын арттыру мақсатында әр түрлі бағытта және жаңа
әдістерді пайдалана отырып білім беру үлкен маңызға ие. Оқу процесінің
сапасын қамтамасыз етуде оқыту әдістерінің атқарар қызметі зор, себебі ол
оқу процесін ұйымдастырудың тиімділігін көрсететін фактор болып табылады.
Жоғары оқу орнында оқыту процесін дұрыс басқару үшін, оның
заңдылықтарын, оқыту барысында туатын негізгі талаптарын, жалпы ережелерін
біліп, ескеріп отыру керек.
Мамандарды дайындау міндеттерінің жылдам шешілуі үшін әсіресе оқу-
әдістемелік жағына көбірек көңіл бөліп, оқу -тәрбие процесін жан-жақты
етуіміз керек.
Жоғары оқу орнындағы оқу-тәрбие процесін жетілдіру мен мамандарды
дайындау сапасын жақсартуда әдістемелік жұмыстың маңызды екенін ескеру
қажет. Міне, осы мақсаттарды орындау үшін мынадай міндеттер көзделіп отыр:
• Біріншіден, нарықтық экономика жағдайына қарай ғылыми-техникалық
процесс талаптарына сай мамандар дайындаудың қолайлы мазмұнын анықтау.
• Екіншіден, ең тиімді әдістер мен құралдарды жасауды қайта қарастыру.
• Үшіншіден, оқу-тәрбие процесінің ғылыми дәлелденген материалдық
-техникалық базасын жасау және құрау
• Төртіншіден, оқу барысында студенттердің шығармашылық белсенділігін
арттыру және оларға берілген ақпаратты берік игеруін қамтамасыз ету.
• Бесіншіден, студенттер мен оқытушыларды ғылым, техника мен өндірістің
қазіргі жағдайларына және дидактикалық талаптарға жауап беретін
қажетті оқу және әдістемелік әдебиеттермен қамтамасыз ету ж.т.б. Осы
мақсаттар мен міндеттерді жүзеге асыра отырып, әдістемелік жұмыстың
бүкіл кешенін үш бағыт бойынша жүргізу көзделеді:
1. ұйымдастырушы-әдістемелік жұмыс (оқу және әдістемелік
әдебиеттерді жазу және шығару)
2. оқу-әдістемелік жұмыс (студенттердің жеке жұмыс істеуін
жетілдіру міндеттеріне ерекше көңіл бөлу)
3. ғылыми- әдістемелік жұмыс (оқу-тәрбие процесін жетілдіру және
мамандарды дайындау сапасын жақсартумен байланысты жаңа
міндеттерді шешу).
Аталған процестерді жүзеге асыру үшін оқу процесіне жаңа бағыт беріп,
оқу сапасын арттыру, білім берудің жаңа үлгілерін енгізу қажет.
Жалпы білім саласында болып жатқан өзгерістер жоғары мектептерде
оқытылатын жаратылыстану пәндеріне де қатысты. Жаратылыстану саласындағы
мамандарды дайындаудың сапасын арттыру үшін осыған дейінгі педагогикалық
тәжірибелердің жақсы жақтарын сақтап одан әрі жетілдіре түскеніміз дұрыс.
Шет елдік педагогика жетістіктерін зерттеп, олардың бізге қолайлы тұстарын
немесе үздік тәжірибелерін игеруіміз қажет. Жоғары оқу орындарындағы
оқытылатын жартылыстану пәндердің білім мазмұнына да біраз өзгерістер еніп,
олар заман талабына сай біршама ақпараттық жағынан икемді болуы керек. Оқу-
әдістемелік кешендері жаңартылып, жаңа талаптарға сәйкестендірілуі тиіс.
Осы орайда жасалынған магистерлік диссертация жұмысының көздеген мақсаты -
қазіргі заманғы бейорганикалық химияда оқытылатын негізгі проблемалардың
бірі қышқылдар мен негіздер теориясын оқыту процесін заман талабына икемдеу
болып табылады.
Жоғары оқу орындарында жаратылыстану ғылымдарын оқитын әрбір студент
үшін қышқылдар мен негіздер табиғатын және олардың әрекеттесу заңдылықтарын
білу маңызды қажеттілік. Химия пәндерін оқытуда қышқыл-негіздік әрекеттесу
процестері басты орын алады. Мектеп бағдарламасында қышқылдар мен
негіздердің ең алғашқы теориялары ғана оқытылады. Сондықтан жоғары оқу
орнында, әсіресе алғашқы курстарда қышқылдар мен негіздердің кейінгі
танымал теорияларын оқытып үйрету аса маңызды ғылыми-әдістемелік проблемаға
жатады.
Жұмыстың мақсаты: Қышқылдық-негіздік әрекеттесу процестерін жүйелеп
меңгертетін оқу әдістемесін ұсынып, оның өміршеңдігін эксперимент жүзінде
дәлелдеу.
Зерттеу нысанасы: университеттердің химия факультетіндегі оқу процесі.
Зерттеу пәні: химик-студенттердің қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін
игеру әдістемелік жүйесі.
Зерттеу гипотезасы: химик-студенттер заттардың қышқылдық-негіздік
табиғаты және әрекеттесуі туралы ілімді игеруі тиімдірек болады, егер:
а) жоғары оқу орындарының оқу процесіне қышқылдық-негіздік әрекеттесу
ілімін оқыту әдістемесі құрастырылып, енгізілген болса;
ә) жоғары оқу орындарының оқу процесіне қышқылдық-негіздік әрекеттесу
ілімін оқытудың оқу-әдістемелік кешені дайындалып, қолданылатын болса;
б) оқу процесіне тиімді педагогикалық технологияларды таңдап алып,
қолданса;
в) студенттердің өзіндік жұмыстарын орындауы мен нәтижелерін бақылау
түрлері мен формалары тиімді байланыстырылатын болса;
Мақсат пен гипотеза зерттеудің мынадай міндеттерін анықтап берді:
- қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін игеру проблемаларының қазіргі
жағдайы мен даму тенденцияларын зерттеу;
- жоғары оқу орындарында химик-студенттердің бойында қышқылдық-негіздік
әрекеттесу ілімдері негіздерін қалыптастыруға бағытталған оқу-әдістемелік
кешенді негіздеу және дайындау;
- қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін оқытатын оқу-әдістемелік жүйені
жасау;
- оқу процесінде ұсынылған әдістемелік жүйеге сай химик-студенттердің
қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін игеру деңгейін тексеру;
Зерттеу көздері: қышқылдар мен негіздер теориялары авторларының
еңбектері, ғылыми мақалалар, педагогтар және әдіскерлердің еңбектері;
Зерттеу орны: Қазақ Ұлттық Университеті бейорганикалық химия
кафедрасының Химия-Білім мамандығы бойынша білім алып жатқан 1-ші курс
студенттерінің оқитын сабақтары;
Зерттеу әдістері: анонимді анкеталау, әңгімелесу, тестілеу,
педагогикалық эксперимент;
Теориялық мәні мен ғылыми жаңалығы:
- зерттеу тақырыбына сәйкес практикалық жұмыстар, өзіндік жұмыстар
арқылы теориялық, практикалық іс-әрекетпен байланыстырып білім
қалыптастыру;
- Бір жүйеге келтірілген, мазмұны айқындалған талаптарға сай оқыту
әдістемелік жүйесін жасау.
Практикалық маңыздылығы:
- қышқылдық-негіздік ілім негіздерін қалыптастыруға бағытталған оқу-
әдістемелік кешенді ЖОО қолдануға ұсынылды;
- дәстүрлі және эксперименттік режимдерде оқытылатын студенттердің
қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін игеру деңгейі анықталды;
Нәтижелердің апробациясы мен енгізілуі:
Химия факультетінің бейорганикалық химия кафедрасының 1-курс
студенттерінің оқу процесінде сынақтан өткізілді.
Диссертацияның құрылысы: Диссертациялық жұмыс (... бет) кіріспеден, үш
бөлімнен, қорытындыдан, қолданылған әдебиет көздерінің библиографиялық
тізімінен, ... кестеден, ... .. суреттен тұрады.
Кіріспе бөлімінде жұмыстың өзектілігі, мақсаты, нысанасы, пәні,
гипотезасы, міндеттері, ғылыми жаңалығы, жұмыстың теориялық және
практикалық маңыздылығы қамтылған.
Бірінші бөлімінде – Қышқылдар мен негіздер туралы теориялардың әдеби
шолуы келтірілген.
Екінші бөлімінде - Жоғары оқу орнында оқытудың әдістемелік жүйесін
жобалау. Лекция мазмұнын жүйелеу, СӨЖ, СӨЖП сабақтарының, практикалық
сабақтардың сұлбаларын жасау.
Үшінші бөлімінде – эксперимент өткізу, нәтижелерін қорыту.
Қорытынды бөлімінде – зерттеудің теориялық-эксперименттік бөлімінің
қорытындысы келтірілген және келешектегі маңыздылығы берілген.
1 Әдеби шолу
1.1 Қышқылдар мен негіздер теориялары
Қышқылдар мен негіздер, тұздар түсініктері химия ғылымындағы
фундаменталды түсініктер қатарына жатады. Олардың табиғатын зерттеу, өзіне
тән ерекшеліктерін анықтау жұмыстары өте ертеде басталған. Қышқылдар мен
негіздер, тұздар табиғатын зерттеу және негіздеу саласында Й.Берцеллиус,
Ю.Либих, С.Аррениус, Л.Бренстед, Г.Льюис, М.И.Усанович сияқты ірі химик
ғалымдар еңбек етті.
Қышқылдар мен негіздер туралы ілімнің даму барысында көптеген теориялар
пайда болды. Уақыт өте келе олардың ішінде ғылыми дәйектілері танымал
болып, ал сәйкестік таппағандары ұмытылып жатты. Заттардың табиғатын тану
мақсатында жасалған түрлі зерттеулерге сүйеніп, А.Лавуазье 1778ж заттардың
қышқылдық қасиеттері негізінен олардың құрамында оттектің болуына
байланысты деп түсіндірді 1. Бірақ теория мен практикада қарама-
қайшылықтар анықталып көптеген оттекті заттар (металл оксидтері, тұздар)
қышқылдық қасиет көрсетпейтін болып шықты, ал бірқатар қышқылдардың (тұз,
көгерткіш қышқылдары, галогенсутек қышқылдары) құрамында оттек тіптен жоқ
екенін Г.Дэви мен Гей-Люссак анықтап берді 2. Кейінірек Й.Берцеллиус өзі
ұсынған электрохимиялық теория тұрғысынан заттардың негіздік қасиетін –
электроңдық, қышқылдық қасиетін – электртерістілікпен байланыстырып
қарастырды 3. Ол Лавуазье тәрізді оттектің қасиеттеріне ерекше көңіл
бөліп, қышқылдық қасиет туғызушы элемент – оттек деп тұжырымдады. Біраз
уақыт өткеннен кейін 1814 жылы Г. Дэви қышқылдық қасиет туғызушы элемент
оттек емес, сутек деген болжам айтты. Сөйтіп оттекті теорияның жеңіліске
ұшырауы қышқылдардың жаңа сутекті теориясына жол ашты. Г.Дэвидің болжамын
1833жылы Ю.Либих дәлелдеп шығып, қышқылдық қасиет кез-келген сутек атомына
емес, тек металл атомына алмаса алатын сутекке байланысты екенін көрсетті.
Бұл теория әлі күнге дейін мектеп оқулықтарында қышқылдардың алғашқы
анықтамасы ретінде беріледі 4,5.
19-ғасырдың аяғында, электролиттік диссоциация теориясы пайда болғаннан
кейін қышқылдар мен негіздердің иондық теориясы жарық көрді. Бұл теорияның
авторы С.Аррениус қышқылдар – суда ерігенде протон бөлетін,
HCl = H++Cl- H2SO4 = 2H++SO-4
Ал негіздер-суда ерігенде гидроксид иондарын бөлетін
KOH = K++OH- Ca(OH)2= Ca2++2OH-
Сутекті қосылыстар деп түсіндірді. Қышқылдар мен негіздердің иондық
теориясының арқасында бүтіндей суда жүретін процестердің аквахимиясының
негізі қалыптасты 6. Соған қарамастан бұл теория заттың суда еруін тек
физикалық тұрғыдан қарастырды. Еріткішті инертті орта деп қарастырған
теория авторлары кейбір қышқылдар мен негіздер суда ерігенде неліктен жылу
бөледі немесе суда еріткенде электролит молекулаларын иондарға ажырататын
энергия көзі қайдан пайда болады деген қарапайым сұрақтарға жауап бере
алмады. Өйткені олар еріткіш пен еритін зат химиялық әрекеттесе
алатындығынан хабарсыз еді 7,8.
Бұл жаңалықты алғаш ашқан атақты химик Д.И. Менделеев өзінің көптеген
зерттеулерінен кейін заттың суда еру процесі зат пен су арасындағы химиялық
әрекеттесу арқылы жүреді деген тұжырым жасады. Зат пен еріткіштің химиялық
әрекеттесуінен түзілетін қосылыстарды гидраттар деп, ал теорияны гидраттық
теория деп атады 9,10.
Молекулалардың ионға ажырауын дұрыс түсіну үшін С.Аррениустың
гепотезасын, Д.И.Менделеевтің ерітінділердің химиялық теориясымен ұластыру
керек еді; бұл жұмысты 1891ж И.А.Каблуков тамаша орындап шықты.
Сондай-ақ 1857ж Ганч физикалық теорияға қарама-қайшы қышқылдардың
химиялық теориясын ұсынды. Мұнда қышқылдардың иондануы - ерітіндімен
химиялық әрекеттесу процесі ретінде қарастырылды. Бұл теория бойынша қышқыл
дегеніміз құрамындағы сутек металға немесе металтектес радикалға алмаса
алатын сутекті қосылыс. Қышқылдың негізгі белгісі–тұз түзу деп танылды
11,12.
И.А.Каблуков электролиттердің диссоциациялануының негізгі себебі – судың
полюсті молекулаларымен электролиттердің әрекеттесуі деп тұжырымдады.
Осындай түзетуден кейін иондық теория заттардың суда еру процесі мен
ерітіндінің қасиетін біршама түсіндіре алатын дәрежеге жетті. Бірақ бұл
теория тек сулы жүйелер үшін ғана шынайы 3,13. Жер бетінде су аса маңызды
еріткіш болғанымен, ғылыми және өндірістік маңызы бар басқа қаншама
еріткіштер бар. Ал оларға келгенде иондық теория ештеңе түсіндіре алмады.
Осылайша сулы ортамен шектелген иондық теорияның өзге орталардағы заттардың
қасиетін болжауға шамасы келмейтіні анық болды.
Судан өзге орталардағы қышқылдар мен негіздер мәселесімен айналысқан
Е.Франклин электролиттердің судағы және сұйық аммиактағы әрекеттесулері
ұқсас екендігін анықтады 15. Судың диссоциациялануына сай аквахимия
негізі қаланып, заңдары белгіленсе, дәл осыған ұқсатып сұйық аммиактың
диссоциациялануын жазып:
2Н2О = H3O++OH-
2NH3= NH+4 +NH-2
Аммонохимия негіздерін салуға болатындығын дәлелдеді.
Оның сольвожүйелер теориясы бойынша қышқылдар деп диссоциацияланған
кезде еріткіштің өзі түзетін оң ионға ұқсас катион - лионий беретін
заттарды, диссоциацияланғанда еріткіштің өзі түзетін теріс ионға ұқсайтын
анион – лиат бөлетін заттарды негіздер деп атайды 5,16.
Сольвожүйелер теориясында да қышқылдық-негіздік әрекеттесулерде сол
процеске қатысатын еріткіштердің өздері шешуші роль атқаратынын көреміз.
Оған дәлел ретінде аквахимия тұрғысынан ешбір логикаға симайтын мынадай
мысал келтірейік. Еріткіш ретінде балқытылған сұйық KCl алдық дейік. Бұл
еріткіште КОН ерітсек, ионданғанда бөлінетін катионы К+ болғандықтан, ол
қышқылдық қасиет көрсетеді. Сол сияқты газ күйіндегі HCl ерітсек, ол
еріткішпен бірдей Cl- анионын бөлетіндіктен негіздік қабілетке ие болады.
Ал осы екеуінің әрекеттесуі нәтижесінде тұз Н2О шығып, еріткіш KCl қайта
бөлінеді:
KOH + HCl KCl H2O + KCl
қышқыл негіз тұз еріткіш
Сольвожүйелер теориясы бейсулы еріткіштің қатысуымен өтетін көптеген
реакциялардың басын біріктіріп, бір жүйеге келтірді. Оның шығу тегі иондық
теориямен сабақтас болған соң, иондық теорияға тән жетімсіздіктер
сольвожүйелер теориясында да сақталады 17. Сөзсіз, бұл теория да қышқыл-
негіздік әрекеттесулердің бәрін түгел қамти алмайды. Акважүйелер мен
сольвожүйелерге арналған теориялардың кемшіліктері одан кейінгі протондық
және электрондық теориялардың өмірге келуіне түрткі болды.
1923 жылы Бренстед қышқылдар мен негіздердің протондық теориясын ұсынды.
Бұл теорияда ерекше бір бөлшекке аса жоғары мән беріледі. Ол бөлшегіміз -
протон, сыртында электрон қауызы жоқ жалғыз бөлшек. Оның мөлшері
басқалардан 10 000 есе кіші, осыған орай ол тым қозғалғыш, өте активті
бөлшек, басқа иондар мен молекулалардың электрон бұлтына еркін еніп кете
алады, ерекше химиялық байланыс түзеді (сутекті байланыс).
Протондық теорияда өзінен протон бөле алатын бөлшек (молекула не ион)
қышқыл деп, ал протон қосып ала алатын бөлшек неіз деп саналады. Сәйкесінше
сутек катионы Н+ қатысқан реакциялар протолитті реакциялар деп
қарастырылады. Протондық теория қышқылдар мен негіздердің өрісін кеңейтті,
оның арқасында қышқыл мен негізге жатқызылатын заттар саны арта түсті
18.
Протолиттік реакциялардың бір ерекшелігі - қышқылдық-негіздік
әрекеттесудің нәтижесінде жаңа қышқыл мен жаңа негіз шығады, олардың өзара
бейтараптанып тұз түзетіндігіне ешбір мән берілмейді. Протолиттік
реакцияның жалпы түрі мынадай:
НА + В ВН+ + А-
қышқыл I негіз II қышқыл II негіз I
Алғашқы қышқыл НА (қышқыл I) негіз В-мен әрекеттесіп жаңа қышқыл ВН+
(қышқылII) береді.Қышқыл I-ден шығатын А- негізді негіз I деп атап, бұрынғы
негіз В-ны негіз II деп белгілейді. Олай болатын себебі қышқыл I мен негіз
I өзара іліктес жұп құрайды, дәл осылай қышқыл II мен негіз II де іліктес
жұп береді: НА ( А- және ВН+( В.
Әдетте , күшті қышқыл мен әлсіз негіз іліктес болып келеді, мысалы HCl
мен Cl-. HCl күшті қышқыл десек, оның протонды бөлу қабілетінің
жоғарылығын айтамыз, ал одан шығатын негіздің Cl- протонды қосып алу
қабілеті төмен болатындығы даусыз, өйткені екеуі бір процестің нәтижесінде
туып тұрған іліктес жұптар ғой:
HCl ( H+ + Cl-
Протолиттік реакцияның мысалы ретінде хлорсутектің суда еруін алайық:
HCl + H2O ( H3O+ + Cl-
HCl өзінен протон бөліп қышқылдық қасиет көрсетсе, Н2О оны қосып алып
негіз рөлін атқарады. Бұл реакция негізінен бір бағытта солдан оңға қарай
жүретіні мәлім. Кері процестің нашар жүруі, тіпті жүрмеуі, суға қарағанда
Cl- ионының әлдеқайда әлсіз негіз екендігін танытады.
Егер негіз күшті болып келсе, онымен іліктес қышқыл әлсіз болады:
NH3 + H+ = NH4+
Бұдан аммиактың бейтараптануының бір бағытта жүретінін түсіну қиынға
түспейді 19.
Протонды теорияда еріткіштің өзінің диссоциациялануына үлкен мән
беріледі, оны арнайы автопротолиз константасымен өрнектейді. Түсінікті болу
үшін судың автопротолиз константасын - иондық көбейтіндісін жазсақ:
(Н3О+( (ОН- ( = Kw.
Басқа еріткіштер үшін жалпылама алғанда
(лионий( (лиат(= Кs деп белгілейді.
Әр еріткіштің автопротолиз константасының мәні белгілі бір температурада
анықталып, тұрақты түрде беріледі 20.
Кесте 1.
250С-тағы кейбір еріткіштердің рКs мәндері
Зат формуласы рКs Зат формуласы рКs
H2O 14,0 CH3OH 16,7
NH3 (-33,40 C-та) 32,3 C2H5OH 19,5
CH3COOH 12,6 HF 11,7
H2SO4 3,1 HCOOH 6,2
(Кесте 1.) берілген рКs мәндерін пайдалана отырып, әрбір еріткіштің
бейтарап нүктесінде (лионий( = (лиат( ескеріп, олардың сан шамаларын табу
қиынға түспейді. Мысалы: сірке қышқылы үшін (CH3COOH+2( = (CH3COO-( =10-
12,6 = 10-6,3, этил спирті үшін (C2H5OH+2( = (C2H5O-( =10-19,5 =10-9,75 ,
сұйық аммиак үшін (NH+4( = (NH-2( =10-32,3 = 10-16,15. Әр еріткіштің өзіне
тән бейтарап нүктесі болып шықты. Судан басқа еріткіштерде қышқылдық
көрсеткіш ретінде pS = - lg(S+( (pH ұқсас шама) мәні қабылданған.
Қышқылдық көрсеткіші pS=12 етіп екі ерітіндіні - этил спиртін және сұйық
аммиакты алайық та ортаның мәндерін анықтайық. Этил спиртінің бейтарап
нүктесі pS=9,75, демек, біз қарастырып отырған орта сілтілік болып шықты,
үйткені онда лиат иондары лионий иондарынан басым. Аммиактың бейтараптық
нүктесі pS=16,15 болғандықтан оның алынған ерітіндісі қышқылдық орта
көрсетеді.
Еріткіштердің өзінде еритін протолиттерге әсерін дұрыс түсінуге
көмектесетін тағы да бір маңызды шама бар, ол - протонтартқыштық. Берілген
еріткішке протон қосылғанда бөлінетін энергия мөлшерімен өлшенетін бұл шама
сол еріткіштің қышқылдық-негіздік қасиетін сипаттайды
(электронтартқыштықты, тотығу-тотықсыздану қасиетін еске түсіріңдер).
Протонтартқыштық шамасы молайған сайын еріткіштің негіздік қасиеті арта
түседі. Су мен аммиак үшін протонның қосылу энергиясы мынадай:
Н2О (г) + Н+ (г) = Н3О+ (г) ∆ G = 680,7 кДж
NH3 (г) + H+ (г) = NH4+ (г) ∆ G =791,2 кДж
Бұдан аммиактың молекуласының суға қарағанда әлдеқайда күшті негіз
екендігін байқаймыз.
Еріткіштердің протонды қосып алғандағы сольваттану энергиясы бойынша
протонтартқыштық қатары дәл анықталған. Төменде осындай белгілі
еріткіштердің протонтартқыштығының кемуіне сай орналасқанда шығатын қатары
берілген:
NH3, N2H4, H2O, C2H5OH, HCN, H2S, CH3COOH, HCOOH, HF, H2SO4, HNO3,
HClO4.
Протонды өзіне оңай қосып алатын заттар протофильді (NH3, N2H4),
керісінше оңай бөлетіндер протогенді (HClO4, HNO3 т.б. қышқылдар), ал екі
жақты қасиет көрсететіндер - амфипротонды (Н2О, С2Н5ОН) деп аталады 6.
Протонды теория қазіргі кезде ең кең таралған теориялардың қатарына
жатады. Ол протон доноры (қышқыл) мен акцепторы (негіз) қатысатын барлық
қышқылдық-негіздік әрекеттесулерді бір жүйеге келтіріп қарайды. Протонды
теорияның басты артықшылығы - аса маңызды шамаларды есептеп шығаруға
болатын сандық теңдеулердің болуы. Ол протолиттік реакциялардың жүру
тереңдігін процеске қатысатын қышқылдар мен негіздердің диссоциациялану
константасымен байланыстырады, оған еріткіштің әсерін ескереді 5,20.
Өткен ғасырдың жиырмасыншы жылдары қышқылдық - негіздік әрекеттесулерді
түсіндіретін теорияларды екіге бөліп саралауға болатындай еді. Бір топ
теориялар қышқылдық - негіздік әрекеттесуді протонның ауысуымен, яғни
қатысуымен байланыстыра қараса, енді біразы оны еске алмай жаңа ұстанымдар
ұсынды. Солардың қатарына коваленттік байланыс теориясының авторы,
америкалық ғалым Дж. Льюис ұсынған қышқылдық-негіздік әрекеттесудің
электрондық теориясы жатады 7,11.
Электрондық теория бойынша негіз деп химиялық байланыс түзуге электрон
қосағын беретін донор атомы бар затты, ал қышқыл деп сол электрон жұбын
қабылдайтын акцептор атомы бар затты айтады. Қышқылдық - негіздік
әрекеттесу, түптеп келгенде, электрон қосағының донордан акцепторға ауысып,
ортақ ковалентті байланыс түзуімен түсіндіріледі. Олай болса, электрондық
теория бойынша қышқылдық-негіздік реакцияларға донорлы-акцепторлы байланыс
түзетін әрекеттесулердің бәрі де жатады. Мысалы:
: NH3 + (BF3 NH3 : BF3
донор - негіз аммиакты акцептор - қышқыл бор фториді бейтараптайды. Бұл
реакция протонды теория негізінде түсіндіріле алмайды. Шындығында аммиакты
бор фторидімен индикатор қатысуында бейтараптауға болады.
Өкінішке орай, электрондық теорияның жетімсіздіктері де, кемшіліктері де
көп-ақ. Ол бұрыннан қалыптасқан HCl, H2SO4 тәрізді қышқылдардың қышқылдық
қасиетін дәлелдей алмайды, өйткені олардың құрамында электрон жұбы жетпей
тұрған атомдар жоқ, сондықтан олар өзіне электрон қосағын қосып ала
алмайды. Электрондық теория сутекті қышқылдардың ішінен тек электрон жұбы
жетімсіз аз ғана заттарды (Н3ВО3, Al(OH)3) қышқылдар қатарына жатқызады.
Теория қышқыл мен негіздің күшін өлшейтін жолды да ұсынбайды, көптеген
заттардың қышқылдық - негіздік табиғатын дәл болжай алмайды. Мәселен, SnСІ4
қышқылдық қасиет көрсетеді, ал құрылысы бойынша алсақ, қалайы атомының
сыртында 8 электронды октет қабаты болғандықтан ешбір қышқылдық қасиет
көрсететін жөні жоқ сияқты 5.
Бұл электрондық теорияның қышқылдар мен негіздер туралы ілімге қосары аз
көрінгенімен одан туындайтын ғылыми көпшілікке кеңінен таныс жұмсақ және
қатты қышқылдар мен негіздердің әрекеттесу теориясын қалаған канадалық
ғалым Пирсон проблемалардың шешімін табуға көмектесіп отыр.
Жоғарыда көрсетілген танымал теориялармен қатар Пирсонның " Қатты және
жұмсақ қышқылдар мен негіздер ұстанымы" әлемдік химиялық әдебиеттерде
жазылып жүр. Бұл Льюис, Усанович теориялары сияқты сандық жағынан жетімсіз
сапалық теория болса да оған үлкен мән беріледі.
Ұстаным бойынша қышқыл-негіздік әрекеттесу сәйкесінше қатты қышқылдар
мен қатты негіздер байланысуы арқылы, ал жұмсақ қышқылдар жұмсақ
негіздермен байланысуы арқылы жүреді. Қышқылдар мен негіздердің қаттылығы
мен жұмсақтығын анықтағанда олардың химиялық құрамы мен электрондық
құрылысы, сондай-ақ олардың түзетін қышқыл-негіздік комплекстерінің
салыстырмалы тұрақтылығы ескеріледі 21.
"Қатты" қышқылдар - нашар полюстенетін акцепторлар, электр терістігі
жоғары, қиын тотықсызданады, олардың толмаған сыртқы орбитальдарының
энергиясы аз болады.
"Жұмсақ" қышқылдар - оңай полюстенетін акцепторлар, электртерістігі
төмен, оңай тотықсызданады, олардың бос сыртқы орбитальдарының энергиясы
мол болады. "Қатты" негіздер- нашар полюстенетін донорлар, электртерістігі
жоғары, қиын тотығады, олардың толған сыртқы орбитальдарының энергиясы аз
болады. "Жұмсақ" негіздер - оңай полюстенетін донорлар, электр терістігі
төмен, оңай тотығады, олардың толған сыртқы орбитальдарының энергиясы мол
болады.
Қатты және жұмсақ қышқылдар мен негіздер концепциясын қолдану арқылы
бейорганикалық химияда көп нәрсені түсінуге болады. Мысалы, синтез
жағдайларын таңдауға ыңғайлы және реакцияның өту бағытын болжауға
көмектеседі. Оған сүйеніп алмасу реакциясының нәтижесін түсіндіруге болады
5.
Молекулалар мен иондарды қатты және жұмсақ қышқылдар мен негіздерге
жіктеу Жер қыртысында элементтердің таралуын түсіндіруге көмектеседі.
Жұмсақ қышқылдардың жұмсақ негіздермен, ал қатты қышқылдардың қатты
негіздермен байланысуға ұмтылысы Гольдшмидт бойынша элементтерді 4 типке
жіктеудің кейбір аспектілерін түсіндіреді. Бұл жіктеу геохимияда кеңінен
қолданылады. Екі класс литофилді және халькофильді элементтер түзеді.
Литофильді элементтерге жердің литосфера қабатында, силикатты минералдар
түрінде шоғырланған элементтер жатады. Бұл катиондар қатты, құрамында О2-
қатты негіз бар қосылыстар күйінде кездестіреміз. Халькофильді элементтер
сульфидті минералдар құрамында жиі кездеседі. Оларға кадмий, қорғасын,
мышьяк және висмут жатады. Бұл элементтер (катион түрінде) – жұмсақ, олар
құрамында жұмсақ негізі S2-(немесе Se2- және Те2-) бар қосылыстарда
кездеседі 22.
Сондай-ақ LiI + CsF → LiF+CsI ∆Н=-33 ккалмоль
химиялық реакциясының жүруін оңай түсіндіруге болады. Жұмсақ негіз І-
сәйкесінше жұмсақ қышқыл Cs+ -мен, ал қатты негіз F- қатты қышқыл
Li+ -мен қосылады.
Пирсон бұл принципті көптеген басқа да химиялық проблемаларға: катализге
(жұмсақ қышқыл болатын металл атомдары жұмсақ негіздерді адсорбциялайды),
ерігіштікке (қатты негіз болатын еріткіштер қатты қышқылдарды ерітеді және
керісінше), электрофильді және нуклеофильді орынбасуға қолданды.
Қазақстанның әйгілі физик - химигі М.И. Усанович 1939 жылы қышқылдық-
негіздік әрекеттесудің жаңа теориясын ұсынды. Бұл теория қышқылдық-негіздік
қасиеттерді жоғарыда келтірілген теориялардың бәрінен кеңірек қамтиды. Оның
ең басты сипаттамасы - қышқылдық-негіздік әрекеттесудің нәтижесінде тұз
түзілуі тиіс деп санайды. Тұз - қышқыл мен негіздің өзара бейтараптануынан
шығатын өнім 5.
Бұл теория бойынша қышқыл дегеніміз өзінен катиондар (оған протон да
кіреді) бөле алатын немесе аниондар (оған электрон да кіреді) қосып ала
алатын бөлшек. Бұл анықтамаға бұрынғы теорияларға сай келетін сутекті,
сутексіз қышқылдардың бәрі де бағынады. Негіздер - керісінше аниондар
(электрондар) беруге немесе катиондар (протондар) қосып алуға бейім
бөлшектер. Салыстыра қарасақ, бұрынғы теорияларға сай шыққан анықтамалардың
дербестігі Усанович көзқарастары бойынша да сақталатынын көреміз. Сондықтан
бұл теорияны қышқылдар мен негіздердің жалпылама теориясы деп те атайды
6.
Теория тұз түзе жүретін барлық реакцияларды бейтараптау процесі ретінде
қарайды. Тұздың өзі қышқыл - катион мен негіз - анионнан тұрады. Тұз
ретінде кез - келген электролит (тіпті әлсіздері де) қабылданады. Бұл
күрделі теорияға бағынатын қышқылдық - негіздік әрекеттесулерге бірнеше
мысалдар келтірейік.
Су мен күкірт (VI) оксиді әрекеттескенде:
2H2O + SO3 = H3O+ + SO
су өзінен анион О2- бөліп негіздік қасиет көрсетсе, күкірт (VI) оксиді
осы анионды қосып алып қышқылдық қабілетін танытады. Егер судың орнына
натрий оксиді алынса да тұз түзіледі:
Na2O + SO3 = 2Na+ + SO42-
Мұндағы натрий сульфаты басқа тұздар сияқты қышқыл (Na+) мен негізден
(SO42-) құралғанымен бұл реакция бейтараптану реакциясына жатады, өйткені
бастапқы күшті негіз Na2O мен күшті қышқыл SO3 әрекеттескенде әлсіз
негіз SO42- және әлсіз қышқыл Na+ шығады. Бұл талқылаудың Бренстед
теориясындағы талқылауға ұқсап тұрғанын бірден көреміз. Демек, онда шыққан
қорытындылар Усанович теориясында да сақталатынын байқаймыз.
Хлоридтердің өзара әрекеттесулерін алайық:
2KCl + SnCl4 = K2(SnCl6(
PCl5 + AlCl3 = PCl4(AlCl4(
Негіздер KCl мен PCl5 өздерінің Cl- аниондарын қышқылдарға SnCl4 пен
AlCl3-ке беріп тұр.
Жоғарыда келтірілген қышқыл мен негіздің анықтамасы қышқылдық-негіздік
әрекеттесулердің қатарына тотығу - тотықсыздану реакцияларын да жатқызуға
мүмкіндік береді. Егер мырышты броммен тотықтыруды қарастырсақ:
Zn + Br2 = ZnBr2
тұздың түзілуі - бір бөлшектен екінші бөлшекке электронның ауысуы, бұл
процестің Усанович теориясына орай қышқыл (Br2) мен негіздің (Zn)
реакциясына жататынын көрсетеді. Ал сутек бромидін мырыштың
бейтараптайтынын ескерсек:
Zn + 2HBr = ZnBr2 + H2
жоғарыдағы әрекеттесуді қышқылдық - негіздік әрекеттесулердің қатарына
жатқызудың өте орынды екендігін байқаймыз.
Теория бейорганикалық заттардың органикалық табиғаты бар заттармен
әрекеттесуін қышқылдық - негіздік тұрғыдан қарауға мүмкіндік береді.
Айталық, органикалық негіз пиридиннің броммен бейтараптануы:
C5H5N + Br2 = C5H5Br+ + Br -
әрі тотығу - тотықсыздану реакциясына, әрі қышқылдық-негіздік
әрекеттесуге жатады 1,3,10.
Усанович теориясынан туатын аса маңызды қорытындылар бар. Солардың
бастысы - заттардың бойында қышқылдық-негіздік қасиеттердің болуы олардың
қандай бөлшектермен әрекеттесуіне тәуелді болып келетіндігі. Бір ғана зат
қышқыл да, негіз де, бейтарап да қасиет көрсете алады . Мұндай пікір химия
ғылымында ертеден-ақ қалыптасқан. Усанович көзқарасы бойынша екідайлылық
көптеген заттарға (бөлшектерге) тән қасиет болып табылады.
Жалпы алғанда қышқыл мен негіз заттардың кластары емес, олардың
функциялық қасиеттері екен. Шындығында заттардың барлығына дерлік белгілі
бір дәрежеде қышқылдық та, негіздік те қасиет тән.
Ғасырлар бойы қалыптасқан қышқылдар мен негіздерді заттардың жеке
кластары дейтін көзқарас қате дедік. Оны түсіндіру үшін органикалық
химиядағы заттардың кластарға бөліну ұстанымдарын еске алайық: кластар
заттардың молекуласының құрамына және құрылысына сай туады. Мысалы
карбон қышқылдарына жататын қосылыстардың құрамында функциялық карбоксил
тобы – СООН бар, сол сияқты спирттерде радикалдармен байланысқан - ОН тобы
бар. Бұл кластардың өкілдеріне тән қасиеттер осы функциялық топтарға
тікелей тәуелді болып келеді. Усанович теориясы бойынша бір ғана тұздар
класы бар, өйткені олардың құрамына катиондар - қышқылдар және аниондар -
негіздер кіреді. Тұздарға тән барлық қасиет осы екі бөлшектің ғана қасиеті
болып саналады 5.
Аррениус теориясындағы заттардың кластарына, анық айтсақ қышқылдар мен
негіздер класына қайта оралайық. Сонда оларды дербес кластар ретінде
қарауға бола ма? Сөзсіз болады, өйткені олардың бәрі мәселен иондық
теорияда сумен салыстырылып алынған және сулы ортада ғана орындалатын
шарттарға сай келетін аз ғана заттардың тобы. Аррениус теориясына бағынатын
қышқылдардың бәрінің құрамында сутек катионы бар, негіздерде гидроксид
анионы бар және осы екі бөлшек олардың барлық қасиеттеріне жауап береді
(органикалық заттардың жоғарыда айтылған кластарымен салыстыр). Егер
сутекті қышқылдар мен гидроксидті негіздерді судан басқа ортада қарайтын
болсақ, оларды бұрынғысынша кластарға жатқызуға ешбір қақымыз жоқ 2.
Усанович теориясы қышқылдық және негіздік қабілеттерді заттардың
химиялық функциясы ретінде қарай отырып, олардың күшін санмен өлшеуге
болатындығын көрсетеді. Алайда, бір қышқылдың не бір негіздің бір ғана
санмен өлшенетін күші болуы мүмкін бе? Әрине, мүмкін емес. Бір зат өзінің
әрекеттесетін серіктестерінің табиғатына сай әртүрлі қышқылдық күшке ие
бола алады, тіпті, ол негіздік қасиет те көрсете алады. Рас, барлық
қышқылдарды немесе негіздерді бір ғана серіктеспен салыстырып қарасақ,
олардың өзара күштеріндегі айырмашылықты айқын көрер едік. Міне осы жағдай
Аррениус ұсынған иондық теорияда бүкіл қышқылдар мен негіздерді сумен
салыстыра отырып, олардың күшін бір жүйеге келтіруге мүмкіндік берген.
Аквахимияда жүретін барлық процестер, сол сияқты сольвожүйелер химиясындағы
барлық процестер, бір ғана еріткішпен салыстырыла алынатындықтан олардағы
қышқылдар мен негіздерді өзара күштері бойынша саралап, диссоциациялану
дәрежесінің не константасының сан мәндерін табуға болатыны бұрыннан
белгілі. Бренстед теориясында да бір ғана бөлшек - протонның бөлінуі не
қосылуы санмен өлшенеді. Бұлардың бәрі Усанович теориясына бағынатын дербес
көзқарастар жүйесі болып есептеледі. Сондықтан олардан туатын дұрыс
қорытындылар Усанович теориясында да дербес жүйелер үшін бұлжымастан
сақталады.
Күрделі қышқылдар мен негіздердің күшін бір ғана санмен өрнектеу мүмкін
еместігін айттық. Ал, қарапайым элементтердің қышқылдық - негіздік күшіне
келсек оларды ажыратып алу қиынға түспейді. Металдар өздерінен электрон
бөлетін негіздер болғандықтан олардың күші иондану энергиясымен өлшенеді.
Қышқылдарға жататын бейметалдар электрон қосып алатындықтан олардың күші
электронтартқыштық шамасымен өлшенеді. Металл атомы өзінен электрон беріп
катионға, бейметалл атомы электрон қосып анионға айналатынын ескерсек,
катион - қышқылдардың, анион - негіздердің де күштерін жобалау қиынға
түспейді. Ол үшін Бренстед теориясындағыдай металл - катион, бейметалл -
анион іліктес жұптарын бірге қарау қажет. Егер металл өзінен электронды
оңай бөліп күшті негіздік қасиет көрсетсе, одан шығатын іліктес катионның
электрон қосып алу қасиеті төмен болғандықтан әлсіз қышқылдық қасиетке ие
болады. Дәл осылай, күшті қышқыл - бейметалдарға әлсіз негіз аниондар сай
келеді 4.
Жалпы қышқылдар мен негіздердің күштерін сипаттау үшін Усанович ғылымда
бұрынан белгілі иондық потенциал I шамасы пайдаланылады. Бұл қарапайым шама
зарядты бөлшектің зарядының мәнінің Z оның радиусына r қатынасымен
өрнектеледі:
I= .
Қарапайым қышқылдар мен негіздердің күштерінің өзгеруін олардың иондану
потенциалының мәндеріне сай шығаруға болады. Мысалы, катион - қышқылдардың
күші ион заряды артқан сайын күшейе түседі: Na+, Mg2+, Al3+. Сол сияқты
анион - негіздердің күші де заряд шамасы ұлғайған сайын артады: F-, S2-, N3-
. Күрделі аниондар үшін де осы ұстаным сақталады, айталық NО, СО32-,
РО43- бағытында негіздердің күші молая түседі. Егер катион мен аниондардың
зарядтары бірдей болып келсе, онда олардың радиустарының өзгеру бағытына
сай күштерінің артып не кемитіндігін табамыз. Жоғарыдағы формулаға сәйкес
ионның радиусы кішірейген сайын қышқылдың да, негіздің де күші арта
бастайды: K+, Na+, Li+ және I-, Br-, Cl-, F-. Усанович теориясының химия
ғылымында жүретін процестің көбісін бір жүйеден қарауға мүмкіндік беретінін
айттық. Ал солардың барлығы дерлік иондар қатысуымен жүретіндіктен катион -
қышқылдардың және анион - негіздердің күшін болжай білудің үлкен маңызы
бар. Сөзімізге дәлел болу үшін гидролиз процесін осы теорияның тұрғысынан
қарап көрелік. Гидролиз, жалпы алғанда сольволиз процесі тұздардың
еріткішпен әрекеттесуімен түсіндіріледі. Ал тұздың өзі қышқыл - катионнан
және негіз - анионнан тұрады дедік. Олай болса, тұздардың құрамындағы
күштірек қышқыл мен күштірек негіз еріткішпен оңай әрекеттесіп, бұрынырақ
гидролизденуге тиіс. Шынында да натрий карбонатының гидролизденетін себебі
оның әлсіз қышқыл Na+ мен күшті негіз СО құралатындығымен
түсіндіріледі. Анық айтқанда гидролизге күшті негіз ғана қатысады, өйткені
СО +2 НОН = Н2СО3+ 2ОН-.
Аррениус теориясы бойынша бұл тұз күшті негіз бен әлсіз қышқылдың тұзы
болып саналатын да, гидролизге әлсіз қышқылдың бөлігі СОқатысатын.
Екінші серіктес күшті негіз процестен тыс қалатын. Әрбір гидролиз процесі
қышқылдық - негіздік әрекеттесу болып саналатындықтан оған күшті негіз
қатыспай әлсіз қышқылдың қатысатынын түсіндіру де оңай емес. Усанович
теориясы бұл сәтсіздікті оп-оңай шешіп берді. Мәселен, Fе3+, Аl3+ түзетін
ерімтал тұздардың жақсы гидролизденетін себебі олар күшті қышқылдардың
қатарына жатады. Әсіресе, темір (III), алюминий сульфидтері мықты
гидролизденеді, өйткені олардың құрамында күшті қышқылдармен қатар күшті
негіздер S2- бар 4.
Усанович теориясы заттардың қышқылдық - негіздік қабілетінің тууын
сенімді жолмен түсіндіреді. Қарапайым шамалар - бөлшектердің зарядтары
(көбіне тотығу дәрежелері), радиустары, координация санын пайдалана отырып
реакцияның жүруін, ондағы қышқылдық және негіздік қасиет көрсететін
заттардың өзгеруін күні бұрын болжай алады. Теория заттың гетерополюсті
моделін жиі қолданады. Мұны түсіну үшін бірнеше мысалдар келтірейік.
Танымал зат алюминий оксидінің негіздік қасиетінен қышқылдығы басымдау,
өйткені оның молекуласындағы қышқылдың заряды Al3+ негіздің зарядынан О2-
жоғары. Натрий оксиді сөзсіз негіздік қасиет көрсетеді: ондағы негіз О2-
қышқылдан Na+ басымдау. Егер оны алюминий оксидімен әрекеттестірсек
қышқылдық - негіздік процестің нәтижесінде натрий алюминаты шығуға тиісті.
Ал алюминий оксидінен қышқылдығы басымдау күкірт триоксидін SO3 немесе
кремний диоксидін SiO2 алсақ, олар өзара әрекеттесіп алюминий сульфатын не
силикатын беретіні даусыз:
Na2O + Al2O3 = 2NaAlO2
Na2O + SO3 = Na2SO4
Na2O + SiO2 = Na2SiO3
Алюминий оксидінің қышқылдық қасиеті оның галогенді қосылыстарына
ауысқанда күшейе түседі, себебі оларда қышқылды бейтараптайтын негіздің
күші бұрынғымен салыстырғанда (О2- мен Г-) төмендеу келеді. Сондықтан
алюминий хлориді оксидтен де күштірек қышқыл болып саналады. Екі зарядты
катиондардың қосылыстарында да қышқылдық қабілет жоғары болады. Оны CuCl2
тәрізді қышқылдың одан әрі бейтараптанып CuCl-3, CuCl42- комплексті иондар
түзуінен көреміз. Алюминий галогенидтері одан да күштірек бейтараптанып
AlГ63- иондарын береді 5.
Сутекті қышқылдарға келетін болсақ олардағы қышқылдық қасиет көрсететін
сутек катионының Н+ заряды +1-ге тең болғанымен радиусы тым кіші болып
келетіндіктен оның иондық потенциалы жанындағы анион - негіздің иондық
потенциалынан жоғары болып шығады да, бүкіл молекула қышқылдық қабілетке ие
болады. Сондықтан сутекті қышқылдар көптеген әрекеттесулерде өзінің
қышқылдық қасиетін көрсетеді.
Кез-келген процестің химиялық мағынасы олардың атомдар, молекулалар,
катиондар, аниондар, электрондар түріндегі бөлшектік немесе олардан
түзілетін топтардың химиялық әрекеттесуі тұрғысынан қарағанда ашылады.
Усановичтің қышқылдық – негіздік әрекеттесу теориясы қазіргі заманғы орта
және жоғары білім беруде кеңінен қамтылатын гидролиз (сольволиз),
гидратация, ыдырау сияқты процестердің химизмін жаңаша ғылыми негіздеуге
мүмкіндік береді 5. Усанович теориясының тағы бір ерекшелігі кез-келген
бөлшектердің құрамына, құрылысына және зарядына қарап олардың химиялық
қасиеттерін алдын-ала болжауға мүмкіндік береді. Теорияның болжау
мүмкіндігін пайдалана отырып барлық дерлік бейорганикалық заттардың
қасиетін оқытудың негізгі әдісіне көшуге болады.
Усанович теориясынан туған аса маңызды қорытындылардың қатарына оның
бұрынғы иондық теорияны, химиялық теорияны, сольвожүйелер теориясын,
протондық теорияны қамтитындығы, олардың бәрін бір тұрғыдан қарайтындығы,
қышқылдар мен негіздер кластарын жойып, оларды әрбір бөлшекке тән
функциялық қасиеттер деп қарастыруы, екідайлылықты көптеген заттарға тән
универсал қасиет деп санауы, қышқылдық - негіздік әрекеттесудің шеңберін
ұлғайтуы, мәселен, оған тотығу - тотықсыздану реакцияларын жатқызуы,
қышқылдық - негіздік әрекеттесудің нәтижесінде туатын басты өнім - тұз деп
шешуі жатады. Осыншама ұтымды жақтарына қарамастан бұл теорияны оқу
процесінде толық қанды қолданылған емес. Теорияның барлық мүмкіндіктерін
пайдаланып химияны оқыту ұтымды болатынына сенімдіміз. Усанович теориясының
көмегімен химиялық қосылыстардың табиғатын тану жеңілірек, түсінікті, әрі
сенімді. Қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін оқытудың оқу-әдістемелік
кешенін құрастыру осы магистерлік диссертацияда қарастырылатын маңызды
ғылыми-әдістемелік проблема болып табылады.
2 Негізгі бөлім
2.1 Қышқылдар мен негіздер туралы жалпылама теория
Химия ғылымындағы аса маңызды ұғымдардың қатарына қышқылдар мен
негіздер және олардың әрекеттесуінен туатын тұздар жатады. Олардың
табиғатын зерттеу, өзіне тән ерекшеліктерін анықтау жұмыстары өте ертеде
басталған. Соған қарамастан қышқылдар мен негіздер жөніндегі көзқарас күні
бүгінге дейін түгелдей шешімін тауып, анықталып болды дей алмаймыз. Қайта
жылдан жыл өткен сайын химия ғылымында жинақталатын жаңа мәліметтердің
басын біріктіріп, жаңадан алынатын заттардың табиғатын дәл тану үшін оларды
қамтитын қышқылдық-негіздік теориялардың әрі қарай дамып, тереңдей түсуі
қажет болып отыр.
Қышқылдар мен негіздердің жалпылама теориясы ұсынылғанға дейін атақты
ғалымдар қышқылдар мен негіздердің иондық теориясын, сольвожүйелер
теориясын, протондық теорияны, электрондық теорияны ұсынып, осы
теориялардың көмегімен заттардың табиғатын тануға тырысты. Уақыт өте келе
әр теорияның кемшіліктері анықталып, олар қышқыл-негіздік әрекеттесудің
бәрін түгелдей қамти алмайтындығы белгілі болды.
Қазақстанның әйгілі физик - химигі М.И. Усанович 1939 жылы қышқылдық-
негіздік әрекеттесудің жаңа теориясын ұсынды. Бұл теория қышқылдық-негіздік
қасиеттерді жоғарыда келтірілген теориялардың бәрінен кеңірек қамтиды. Оның
ең басты сипаттамасы - қышқылдық-негіздік әрекеттесудің нәтижесінде тұз
түзілуі тиіс деп санайды. Тұз - қышқыл мен негіздің өзара бейтараптануынан
шығатын өнім 5,24.
Бұл теория бойынша қышқыл дегеніміз өзінен катиондар (оған протон да
кіреді) бөле алатын немесе аниондар (оған электрон да кіреді) қосып ала
алатын бөлшек. Бұл анықтамаға бұрынғы теорияларға сай келетін сутекті,
сутексіз қышқылдардың бәрі де бағынады. Негіздер - керісінше аниондар
(электрондар) беруге немесе катиондар (протондар) қосып алуға бейім
бөлшектер. Салыстыра қарасақ, бұрынғы теорияларға сай шыққан анықтамалардың
дербестігі Усанович көзқарастары бойынша да сақталатынын көреміз. Сондықтан
бұл теорияны қышқылдар мен негіздердің жалпылама теориясы деп те атайды.
Теория тұз түзе жүретін барлық реакцияларды бейтараптау процесі ретінде
қарайды. Тұздың өзі қышқыл - катион мен негіз - анионнан тұрады. Тұз
ретінде кез - келген электролит (тіпті әлсіздері де) қабылданады. Бұл
күрделі теорияға бағынатын қышқылдық - негіздік әрекеттесулерге бірнеше
мысалдар келтірейік.
Су мен күкірт (VI) оксиді әрекеттескенде:
2H2O + SO3 = H3O+ + SO
су өзінен анион О2- бөліп негіздік қасиет көрсетсе, күкірт (VI) оксиді осы
анионды қосып алып қышқылдық қабілетін танытады. Егер судың орнына натрий
оксиді алынса да тұз түзіледі:
Na2O + SO3 = 2Na+ + SO42-
Мұндағы натрий сульфаты басқа тұздар сияқты қышқыл (Na+) мен негізден
(SO42-) құралғанымен бұл реакция бейтараптану реакциясына жатады, үйткені
бастапқы күшті негіз Na2O мен күшті қышқыл SO3 әрекеттескенде әлсіз
негіз SO42- және әлсіз қышқыл Na+ шығады. Бұл талқылаудың Бренстед
теориясындағы талқылауға ұқсап тұрғанын бірден көреміз. Демек, онда шыққан
қорытындылар Усанович теориясында да сақталатынын байқаймыз.
Хлоридтердің өзара әрекеттесулерін алайық:
2KCl + SnCl4 = K2(SnCl6(
PCl5 + AlCl3 = PCl4(AlCl4(
Негіздер KCl мен PCl5 өздерінің Cl- аниондарын қышқылдарға SnCl4 пен
AlCl3-ке беріп тұр.
Жоғарыда келтірілген қышқыл мен негіздің анықтамасы қышқылдық-негіздік
әрекеттесулердің қатарына тотығу - тотықсыздану реакцияларын да жатқызуға
мүмкіндік береді. Егер мырышты броммен тотықтыруды қарастырсақ:
Zn + Br2 = ZnBr2
тұздың түзілуі, бір бөлшектен екінші бөлшекке электронның ауысуы бұл
процестің Усанович теориясына орай қышқыл (Br2) мен негіздің (Zn)
реакциясына жататынын көрсетеді. Ал сутек бромидін мырыштың
бейтараптайтынын ескерсек:
Zn + 2HBr = ZnBr2 + H2
жоғарыдағы әрекеттесуді қышқылдық - негіздік әрекеттесулердің қатарына
жатқызудың өте орынды екендігін байқаймыз.
Теория бейорганикалық заттардың органикалық табиғаты бар заттармен
әрекеттесуін қышқылдық - негіздік тұрғыдан қарауға мүмкіндік береді.
Айталық, органикалық негіз пиридиннің броммен бейтараптануы:
C5H5N + Br2 = C5H5Br+ + Br -
әрі тотығу - тотықсыздану реакциясына, әрі қышқылдық - негіздік
әрекеттесуге жатады.
Усанович теориясынан туатын аса маңызды қорытындылар бар. Солардың
бастысы- заттардың бойында қышқылдық-негіздік қасиеттердің болуы олардың
қандай бөлшектермен әрекеттесуіне тәуелді болып келетіндігі. Бір ғана зат
қышқыл да, негіз де, бейтарап да қасиет көрсете алады. Мұндай пікір химия
ғылымында ертеден-ақ қалыптасқан. Усанович көзқарасы бойынша екідайлық
көптеген заттарға (бөлшектерге) тән қасиет болып табылады.
Усанович теориясы қышқылдық және негіздік қабілеттерді заттардың
химиялық функциясы ретінде қарай отырып, олардың күшін санмен өлшеуге
болатындығын көрсетеді. Алайда, бір қышқылдың не бір негіздің бір ғана
санмен өлшенетін күші болуы мүмкін бе? Әрине, мүмкін емес. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жұмыстың өзектілігі: Қазіргі әлем дүниесі әрбір дербес елге, бәрінен де
бұрын, оның білімдегі жетістіктері тұрғысынан көз салады. ХХІ ғасырда адам
факторы елдердің дамуы мен байлығының негізгі көзі болып танылады. Әлемдік
қоғамдастықта елдің рейтингісі мемлекеттердің өркениеттілігі мен қуат көзі
шикізат байлықтарымен, көне тарихи – мәдени мұраларымен ғана емес, сол ел
тұрғындарының ақпараттандырылу деңгейімен және білімділігі мен
интеллектуалдық әлеуметтілігімен көрінеді. Бұл жағдайда білім қауіпсіздік
элементі ретінде рөл атқарып, елдің тұрақты дамуы мен бәсекелік
қабілеттілігінің шешуші факторы болады.
Білім сапалығы, қазіргі өркениеттегі адамның байлыққа және ресурстарға
қол жеткізуін кеңейте түсетін әлемдік ауқымдағы маманның бәсекеге
қабілеттілігін қамтамасыз етуші әлеуметтік әділеттік құралы санатында
қарастырыла бастады.
Қазақстандағы жоғары білім беру соңғы жылдар аясында үздіксіз жетілдіру
мен модернизациялану жағдайын бастан өткеріп келеді. Экономикалық және
қоғамдық жаңару қажеттіліктеріне сай келетін осы заманғы білім жүйесін
қалыптастыру мақсатында жұмыстар істелініп жатыр. Білім - интеллектуалды
капиталдың стратегиялық факторы болғандықтан, оны игерудің сапалы әрі
тиімді жолдарын іздестіруіміз өте дұрыс.
Еліміздің білім беру ұйымдары алдында тұрған негізгі міндет - мазмұны
мол жаңа білім беру технологияларын көбейте түсу. Оларды жасай отырып,
барлық кезеңде мамандарды даярлаудың ұлттық негіздегі білім беру доктринасы
жасалынады. Онда жүйедегі бұрынан бар, көптен сақталып келе жатқан озық
тәжірибе мен әдіс-тәсілдер де орын тапқаны дұрыс: іргелі білім сапасы, оқу
бағдарламаларының үйлесімділігі және тағы басқалар. Осыған қарамастан
бірізділік, жүйелілік, академиялық еркіндік және оқу жоспарларының көп
нұсқалылығы (варианттылығы) әлемдік деңгейдегі өзгерістерде көрініс табады.
Тұтастай алғанда жоғары мектеп жақсы қалыптасқан қабілеттілікті және
білгірлікті, жоғары деңгейдегі іргелі білімге ие болатын, саясатта,
экономикада, ғылымда, еңбек нарығында және т.б. өзгергіш конъюнктураға
қарсы тұра білетін мамандарды даярлап шығаруы тиіс.
Оқытудың қазіргі заманғы тенденциялары жоғары білікті маман даярлаудың
жаңартылған сапалы өзгерістерін талап етіп отыр. Осы орайда студенттерге
жоғары білімнің сапасын арттыру мақсатында әр түрлі бағытта және жаңа
әдістерді пайдалана отырып білім беру үлкен маңызға ие. Оқу процесінің
сапасын қамтамасыз етуде оқыту әдістерінің атқарар қызметі зор, себебі ол
оқу процесін ұйымдастырудың тиімділігін көрсететін фактор болып табылады.
Жоғары оқу орнында оқыту процесін дұрыс басқару үшін, оның
заңдылықтарын, оқыту барысында туатын негізгі талаптарын, жалпы ережелерін
біліп, ескеріп отыру керек.
Мамандарды дайындау міндеттерінің жылдам шешілуі үшін әсіресе оқу-
әдістемелік жағына көбірек көңіл бөліп, оқу -тәрбие процесін жан-жақты
етуіміз керек.
Жоғары оқу орнындағы оқу-тәрбие процесін жетілдіру мен мамандарды
дайындау сапасын жақсартуда әдістемелік жұмыстың маңызды екенін ескеру
қажет. Міне, осы мақсаттарды орындау үшін мынадай міндеттер көзделіп отыр:
• Біріншіден, нарықтық экономика жағдайына қарай ғылыми-техникалық
процесс талаптарына сай мамандар дайындаудың қолайлы мазмұнын анықтау.
• Екіншіден, ең тиімді әдістер мен құралдарды жасауды қайта қарастыру.
• Үшіншіден, оқу-тәрбие процесінің ғылыми дәлелденген материалдық
-техникалық базасын жасау және құрау
• Төртіншіден, оқу барысында студенттердің шығармашылық белсенділігін
арттыру және оларға берілген ақпаратты берік игеруін қамтамасыз ету.
• Бесіншіден, студенттер мен оқытушыларды ғылым, техника мен өндірістің
қазіргі жағдайларына және дидактикалық талаптарға жауап беретін
қажетті оқу және әдістемелік әдебиеттермен қамтамасыз ету ж.т.б. Осы
мақсаттар мен міндеттерді жүзеге асыра отырып, әдістемелік жұмыстың
бүкіл кешенін үш бағыт бойынша жүргізу көзделеді:
1. ұйымдастырушы-әдістемелік жұмыс (оқу және әдістемелік
әдебиеттерді жазу және шығару)
2. оқу-әдістемелік жұмыс (студенттердің жеке жұмыс істеуін
жетілдіру міндеттеріне ерекше көңіл бөлу)
3. ғылыми- әдістемелік жұмыс (оқу-тәрбие процесін жетілдіру және
мамандарды дайындау сапасын жақсартумен байланысты жаңа
міндеттерді шешу).
Аталған процестерді жүзеге асыру үшін оқу процесіне жаңа бағыт беріп,
оқу сапасын арттыру, білім берудің жаңа үлгілерін енгізу қажет.
Жалпы білім саласында болып жатқан өзгерістер жоғары мектептерде
оқытылатын жаратылыстану пәндеріне де қатысты. Жаратылыстану саласындағы
мамандарды дайындаудың сапасын арттыру үшін осыған дейінгі педагогикалық
тәжірибелердің жақсы жақтарын сақтап одан әрі жетілдіре түскеніміз дұрыс.
Шет елдік педагогика жетістіктерін зерттеп, олардың бізге қолайлы тұстарын
немесе үздік тәжірибелерін игеруіміз қажет. Жоғары оқу орындарындағы
оқытылатын жартылыстану пәндердің білім мазмұнына да біраз өзгерістер еніп,
олар заман талабына сай біршама ақпараттық жағынан икемді болуы керек. Оқу-
әдістемелік кешендері жаңартылып, жаңа талаптарға сәйкестендірілуі тиіс.
Осы орайда жасалынған магистерлік диссертация жұмысының көздеген мақсаты -
қазіргі заманғы бейорганикалық химияда оқытылатын негізгі проблемалардың
бірі қышқылдар мен негіздер теориясын оқыту процесін заман талабына икемдеу
болып табылады.
Жоғары оқу орындарында жаратылыстану ғылымдарын оқитын әрбір студент
үшін қышқылдар мен негіздер табиғатын және олардың әрекеттесу заңдылықтарын
білу маңызды қажеттілік. Химия пәндерін оқытуда қышқыл-негіздік әрекеттесу
процестері басты орын алады. Мектеп бағдарламасында қышқылдар мен
негіздердің ең алғашқы теориялары ғана оқытылады. Сондықтан жоғары оқу
орнында, әсіресе алғашқы курстарда қышқылдар мен негіздердің кейінгі
танымал теорияларын оқытып үйрету аса маңызды ғылыми-әдістемелік проблемаға
жатады.
Жұмыстың мақсаты: Қышқылдық-негіздік әрекеттесу процестерін жүйелеп
меңгертетін оқу әдістемесін ұсынып, оның өміршеңдігін эксперимент жүзінде
дәлелдеу.
Зерттеу нысанасы: университеттердің химия факультетіндегі оқу процесі.
Зерттеу пәні: химик-студенттердің қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін
игеру әдістемелік жүйесі.
Зерттеу гипотезасы: химик-студенттер заттардың қышқылдық-негіздік
табиғаты және әрекеттесуі туралы ілімді игеруі тиімдірек болады, егер:
а) жоғары оқу орындарының оқу процесіне қышқылдық-негіздік әрекеттесу
ілімін оқыту әдістемесі құрастырылып, енгізілген болса;
ә) жоғары оқу орындарының оқу процесіне қышқылдық-негіздік әрекеттесу
ілімін оқытудың оқу-әдістемелік кешені дайындалып, қолданылатын болса;
б) оқу процесіне тиімді педагогикалық технологияларды таңдап алып,
қолданса;
в) студенттердің өзіндік жұмыстарын орындауы мен нәтижелерін бақылау
түрлері мен формалары тиімді байланыстырылатын болса;
Мақсат пен гипотеза зерттеудің мынадай міндеттерін анықтап берді:
- қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін игеру проблемаларының қазіргі
жағдайы мен даму тенденцияларын зерттеу;
- жоғары оқу орындарында химик-студенттердің бойында қышқылдық-негіздік
әрекеттесу ілімдері негіздерін қалыптастыруға бағытталған оқу-әдістемелік
кешенді негіздеу және дайындау;
- қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін оқытатын оқу-әдістемелік жүйені
жасау;
- оқу процесінде ұсынылған әдістемелік жүйеге сай химик-студенттердің
қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін игеру деңгейін тексеру;
Зерттеу көздері: қышқылдар мен негіздер теориялары авторларының
еңбектері, ғылыми мақалалар, педагогтар және әдіскерлердің еңбектері;
Зерттеу орны: Қазақ Ұлттық Университеті бейорганикалық химия
кафедрасының Химия-Білім мамандығы бойынша білім алып жатқан 1-ші курс
студенттерінің оқитын сабақтары;
Зерттеу әдістері: анонимді анкеталау, әңгімелесу, тестілеу,
педагогикалық эксперимент;
Теориялық мәні мен ғылыми жаңалығы:
- зерттеу тақырыбына сәйкес практикалық жұмыстар, өзіндік жұмыстар
арқылы теориялық, практикалық іс-әрекетпен байланыстырып білім
қалыптастыру;
- Бір жүйеге келтірілген, мазмұны айқындалған талаптарға сай оқыту
әдістемелік жүйесін жасау.
Практикалық маңыздылығы:
- қышқылдық-негіздік ілім негіздерін қалыптастыруға бағытталған оқу-
әдістемелік кешенді ЖОО қолдануға ұсынылды;
- дәстүрлі және эксперименттік режимдерде оқытылатын студенттердің
қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін игеру деңгейі анықталды;
Нәтижелердің апробациясы мен енгізілуі:
Химия факультетінің бейорганикалық химия кафедрасының 1-курс
студенттерінің оқу процесінде сынақтан өткізілді.
Диссертацияның құрылысы: Диссертациялық жұмыс (... бет) кіріспеден, үш
бөлімнен, қорытындыдан, қолданылған әдебиет көздерінің библиографиялық
тізімінен, ... кестеден, ... .. суреттен тұрады.
Кіріспе бөлімінде жұмыстың өзектілігі, мақсаты, нысанасы, пәні,
гипотезасы, міндеттері, ғылыми жаңалығы, жұмыстың теориялық және
практикалық маңыздылығы қамтылған.
Бірінші бөлімінде – Қышқылдар мен негіздер туралы теориялардың әдеби
шолуы келтірілген.
Екінші бөлімінде - Жоғары оқу орнында оқытудың әдістемелік жүйесін
жобалау. Лекция мазмұнын жүйелеу, СӨЖ, СӨЖП сабақтарының, практикалық
сабақтардың сұлбаларын жасау.
Үшінші бөлімінде – эксперимент өткізу, нәтижелерін қорыту.
Қорытынды бөлімінде – зерттеудің теориялық-эксперименттік бөлімінің
қорытындысы келтірілген және келешектегі маңыздылығы берілген.
1 Әдеби шолу
1.1 Қышқылдар мен негіздер теориялары
Қышқылдар мен негіздер, тұздар түсініктері химия ғылымындағы
фундаменталды түсініктер қатарына жатады. Олардың табиғатын зерттеу, өзіне
тән ерекшеліктерін анықтау жұмыстары өте ертеде басталған. Қышқылдар мен
негіздер, тұздар табиғатын зерттеу және негіздеу саласында Й.Берцеллиус,
Ю.Либих, С.Аррениус, Л.Бренстед, Г.Льюис, М.И.Усанович сияқты ірі химик
ғалымдар еңбек етті.
Қышқылдар мен негіздер туралы ілімнің даму барысында көптеген теориялар
пайда болды. Уақыт өте келе олардың ішінде ғылыми дәйектілері танымал
болып, ал сәйкестік таппағандары ұмытылып жатты. Заттардың табиғатын тану
мақсатында жасалған түрлі зерттеулерге сүйеніп, А.Лавуазье 1778ж заттардың
қышқылдық қасиеттері негізінен олардың құрамында оттектің болуына
байланысты деп түсіндірді 1. Бірақ теория мен практикада қарама-
қайшылықтар анықталып көптеген оттекті заттар (металл оксидтері, тұздар)
қышқылдық қасиет көрсетпейтін болып шықты, ал бірқатар қышқылдардың (тұз,
көгерткіш қышқылдары, галогенсутек қышқылдары) құрамында оттек тіптен жоқ
екенін Г.Дэви мен Гей-Люссак анықтап берді 2. Кейінірек Й.Берцеллиус өзі
ұсынған электрохимиялық теория тұрғысынан заттардың негіздік қасиетін –
электроңдық, қышқылдық қасиетін – электртерістілікпен байланыстырып
қарастырды 3. Ол Лавуазье тәрізді оттектің қасиеттеріне ерекше көңіл
бөліп, қышқылдық қасиет туғызушы элемент – оттек деп тұжырымдады. Біраз
уақыт өткеннен кейін 1814 жылы Г. Дэви қышқылдық қасиет туғызушы элемент
оттек емес, сутек деген болжам айтты. Сөйтіп оттекті теорияның жеңіліске
ұшырауы қышқылдардың жаңа сутекті теориясына жол ашты. Г.Дэвидің болжамын
1833жылы Ю.Либих дәлелдеп шығып, қышқылдық қасиет кез-келген сутек атомына
емес, тек металл атомына алмаса алатын сутекке байланысты екенін көрсетті.
Бұл теория әлі күнге дейін мектеп оқулықтарында қышқылдардың алғашқы
анықтамасы ретінде беріледі 4,5.
19-ғасырдың аяғында, электролиттік диссоциация теориясы пайда болғаннан
кейін қышқылдар мен негіздердің иондық теориясы жарық көрді. Бұл теорияның
авторы С.Аррениус қышқылдар – суда ерігенде протон бөлетін,
HCl = H++Cl- H2SO4 = 2H++SO-4
Ал негіздер-суда ерігенде гидроксид иондарын бөлетін
KOH = K++OH- Ca(OH)2= Ca2++2OH-
Сутекті қосылыстар деп түсіндірді. Қышқылдар мен негіздердің иондық
теориясының арқасында бүтіндей суда жүретін процестердің аквахимиясының
негізі қалыптасты 6. Соған қарамастан бұл теория заттың суда еруін тек
физикалық тұрғыдан қарастырды. Еріткішті инертті орта деп қарастырған
теория авторлары кейбір қышқылдар мен негіздер суда ерігенде неліктен жылу
бөледі немесе суда еріткенде электролит молекулаларын иондарға ажырататын
энергия көзі қайдан пайда болады деген қарапайым сұрақтарға жауап бере
алмады. Өйткені олар еріткіш пен еритін зат химиялық әрекеттесе
алатындығынан хабарсыз еді 7,8.
Бұл жаңалықты алғаш ашқан атақты химик Д.И. Менделеев өзінің көптеген
зерттеулерінен кейін заттың суда еру процесі зат пен су арасындағы химиялық
әрекеттесу арқылы жүреді деген тұжырым жасады. Зат пен еріткіштің химиялық
әрекеттесуінен түзілетін қосылыстарды гидраттар деп, ал теорияны гидраттық
теория деп атады 9,10.
Молекулалардың ионға ажырауын дұрыс түсіну үшін С.Аррениустың
гепотезасын, Д.И.Менделеевтің ерітінділердің химиялық теориясымен ұластыру
керек еді; бұл жұмысты 1891ж И.А.Каблуков тамаша орындап шықты.
Сондай-ақ 1857ж Ганч физикалық теорияға қарама-қайшы қышқылдардың
химиялық теориясын ұсынды. Мұнда қышқылдардың иондануы - ерітіндімен
химиялық әрекеттесу процесі ретінде қарастырылды. Бұл теория бойынша қышқыл
дегеніміз құрамындағы сутек металға немесе металтектес радикалға алмаса
алатын сутекті қосылыс. Қышқылдың негізгі белгісі–тұз түзу деп танылды
11,12.
И.А.Каблуков электролиттердің диссоциациялануының негізгі себебі – судың
полюсті молекулаларымен электролиттердің әрекеттесуі деп тұжырымдады.
Осындай түзетуден кейін иондық теория заттардың суда еру процесі мен
ерітіндінің қасиетін біршама түсіндіре алатын дәрежеге жетті. Бірақ бұл
теория тек сулы жүйелер үшін ғана шынайы 3,13. Жер бетінде су аса маңызды
еріткіш болғанымен, ғылыми және өндірістік маңызы бар басқа қаншама
еріткіштер бар. Ал оларға келгенде иондық теория ештеңе түсіндіре алмады.
Осылайша сулы ортамен шектелген иондық теорияның өзге орталардағы заттардың
қасиетін болжауға шамасы келмейтіні анық болды.
Судан өзге орталардағы қышқылдар мен негіздер мәселесімен айналысқан
Е.Франклин электролиттердің судағы және сұйық аммиактағы әрекеттесулері
ұқсас екендігін анықтады 15. Судың диссоциациялануына сай аквахимия
негізі қаланып, заңдары белгіленсе, дәл осыған ұқсатып сұйық аммиактың
диссоциациялануын жазып:
2Н2О = H3O++OH-
2NH3= NH+4 +NH-2
Аммонохимия негіздерін салуға болатындығын дәлелдеді.
Оның сольвожүйелер теориясы бойынша қышқылдар деп диссоциацияланған
кезде еріткіштің өзі түзетін оң ионға ұқсас катион - лионий беретін
заттарды, диссоциацияланғанда еріткіштің өзі түзетін теріс ионға ұқсайтын
анион – лиат бөлетін заттарды негіздер деп атайды 5,16.
Сольвожүйелер теориясында да қышқылдық-негіздік әрекеттесулерде сол
процеске қатысатын еріткіштердің өздері шешуші роль атқаратынын көреміз.
Оған дәлел ретінде аквахимия тұрғысынан ешбір логикаға симайтын мынадай
мысал келтірейік. Еріткіш ретінде балқытылған сұйық KCl алдық дейік. Бұл
еріткіште КОН ерітсек, ионданғанда бөлінетін катионы К+ болғандықтан, ол
қышқылдық қасиет көрсетеді. Сол сияқты газ күйіндегі HCl ерітсек, ол
еріткішпен бірдей Cl- анионын бөлетіндіктен негіздік қабілетке ие болады.
Ал осы екеуінің әрекеттесуі нәтижесінде тұз Н2О шығып, еріткіш KCl қайта
бөлінеді:
KOH + HCl KCl H2O + KCl
қышқыл негіз тұз еріткіш
Сольвожүйелер теориясы бейсулы еріткіштің қатысуымен өтетін көптеген
реакциялардың басын біріктіріп, бір жүйеге келтірді. Оның шығу тегі иондық
теориямен сабақтас болған соң, иондық теорияға тән жетімсіздіктер
сольвожүйелер теориясында да сақталады 17. Сөзсіз, бұл теория да қышқыл-
негіздік әрекеттесулердің бәрін түгел қамти алмайды. Акважүйелер мен
сольвожүйелерге арналған теориялардың кемшіліктері одан кейінгі протондық
және электрондық теориялардың өмірге келуіне түрткі болды.
1923 жылы Бренстед қышқылдар мен негіздердің протондық теориясын ұсынды.
Бұл теорияда ерекше бір бөлшекке аса жоғары мән беріледі. Ол бөлшегіміз -
протон, сыртында электрон қауызы жоқ жалғыз бөлшек. Оның мөлшері
басқалардан 10 000 есе кіші, осыған орай ол тым қозғалғыш, өте активті
бөлшек, басқа иондар мен молекулалардың электрон бұлтына еркін еніп кете
алады, ерекше химиялық байланыс түзеді (сутекті байланыс).
Протондық теорияда өзінен протон бөле алатын бөлшек (молекула не ион)
қышқыл деп, ал протон қосып ала алатын бөлшек неіз деп саналады. Сәйкесінше
сутек катионы Н+ қатысқан реакциялар протолитті реакциялар деп
қарастырылады. Протондық теория қышқылдар мен негіздердің өрісін кеңейтті,
оның арқасында қышқыл мен негізге жатқызылатын заттар саны арта түсті
18.
Протолиттік реакциялардың бір ерекшелігі - қышқылдық-негіздік
әрекеттесудің нәтижесінде жаңа қышқыл мен жаңа негіз шығады, олардың өзара
бейтараптанып тұз түзетіндігіне ешбір мән берілмейді. Протолиттік
реакцияның жалпы түрі мынадай:
НА + В ВН+ + А-
қышқыл I негіз II қышқыл II негіз I
Алғашқы қышқыл НА (қышқыл I) негіз В-мен әрекеттесіп жаңа қышқыл ВН+
(қышқылII) береді.Қышқыл I-ден шығатын А- негізді негіз I деп атап, бұрынғы
негіз В-ны негіз II деп белгілейді. Олай болатын себебі қышқыл I мен негіз
I өзара іліктес жұп құрайды, дәл осылай қышқыл II мен негіз II де іліктес
жұп береді: НА ( А- және ВН+( В.
Әдетте , күшті қышқыл мен әлсіз негіз іліктес болып келеді, мысалы HCl
мен Cl-. HCl күшті қышқыл десек, оның протонды бөлу қабілетінің
жоғарылығын айтамыз, ал одан шығатын негіздің Cl- протонды қосып алу
қабілеті төмен болатындығы даусыз, өйткені екеуі бір процестің нәтижесінде
туып тұрған іліктес жұптар ғой:
HCl ( H+ + Cl-
Протолиттік реакцияның мысалы ретінде хлорсутектің суда еруін алайық:
HCl + H2O ( H3O+ + Cl-
HCl өзінен протон бөліп қышқылдық қасиет көрсетсе, Н2О оны қосып алып
негіз рөлін атқарады. Бұл реакция негізінен бір бағытта солдан оңға қарай
жүретіні мәлім. Кері процестің нашар жүруі, тіпті жүрмеуі, суға қарағанда
Cl- ионының әлдеқайда әлсіз негіз екендігін танытады.
Егер негіз күшті болып келсе, онымен іліктес қышқыл әлсіз болады:
NH3 + H+ = NH4+
Бұдан аммиактың бейтараптануының бір бағытта жүретінін түсіну қиынға
түспейді 19.
Протонды теорияда еріткіштің өзінің диссоциациялануына үлкен мән
беріледі, оны арнайы автопротолиз константасымен өрнектейді. Түсінікті болу
үшін судың автопротолиз константасын - иондық көбейтіндісін жазсақ:
(Н3О+( (ОН- ( = Kw.
Басқа еріткіштер үшін жалпылама алғанда
(лионий( (лиат(= Кs деп белгілейді.
Әр еріткіштің автопротолиз константасының мәні белгілі бір температурада
анықталып, тұрақты түрде беріледі 20.
Кесте 1.
250С-тағы кейбір еріткіштердің рКs мәндері
Зат формуласы рКs Зат формуласы рКs
H2O 14,0 CH3OH 16,7
NH3 (-33,40 C-та) 32,3 C2H5OH 19,5
CH3COOH 12,6 HF 11,7
H2SO4 3,1 HCOOH 6,2
(Кесте 1.) берілген рКs мәндерін пайдалана отырып, әрбір еріткіштің
бейтарап нүктесінде (лионий( = (лиат( ескеріп, олардың сан шамаларын табу
қиынға түспейді. Мысалы: сірке қышқылы үшін (CH3COOH+2( = (CH3COO-( =10-
12,6 = 10-6,3, этил спирті үшін (C2H5OH+2( = (C2H5O-( =10-19,5 =10-9,75 ,
сұйық аммиак үшін (NH+4( = (NH-2( =10-32,3 = 10-16,15. Әр еріткіштің өзіне
тән бейтарап нүктесі болып шықты. Судан басқа еріткіштерде қышқылдық
көрсеткіш ретінде pS = - lg(S+( (pH ұқсас шама) мәні қабылданған.
Қышқылдық көрсеткіші pS=12 етіп екі ерітіндіні - этил спиртін және сұйық
аммиакты алайық та ортаның мәндерін анықтайық. Этил спиртінің бейтарап
нүктесі pS=9,75, демек, біз қарастырып отырған орта сілтілік болып шықты,
үйткені онда лиат иондары лионий иондарынан басым. Аммиактың бейтараптық
нүктесі pS=16,15 болғандықтан оның алынған ерітіндісі қышқылдық орта
көрсетеді.
Еріткіштердің өзінде еритін протолиттерге әсерін дұрыс түсінуге
көмектесетін тағы да бір маңызды шама бар, ол - протонтартқыштық. Берілген
еріткішке протон қосылғанда бөлінетін энергия мөлшерімен өлшенетін бұл шама
сол еріткіштің қышқылдық-негіздік қасиетін сипаттайды
(электронтартқыштықты, тотығу-тотықсыздану қасиетін еске түсіріңдер).
Протонтартқыштық шамасы молайған сайын еріткіштің негіздік қасиеті арта
түседі. Су мен аммиак үшін протонның қосылу энергиясы мынадай:
Н2О (г) + Н+ (г) = Н3О+ (г) ∆ G = 680,7 кДж
NH3 (г) + H+ (г) = NH4+ (г) ∆ G =791,2 кДж
Бұдан аммиактың молекуласының суға қарағанда әлдеқайда күшті негіз
екендігін байқаймыз.
Еріткіштердің протонды қосып алғандағы сольваттану энергиясы бойынша
протонтартқыштық қатары дәл анықталған. Төменде осындай белгілі
еріткіштердің протонтартқыштығының кемуіне сай орналасқанда шығатын қатары
берілген:
NH3, N2H4, H2O, C2H5OH, HCN, H2S, CH3COOH, HCOOH, HF, H2SO4, HNO3,
HClO4.
Протонды өзіне оңай қосып алатын заттар протофильді (NH3, N2H4),
керісінше оңай бөлетіндер протогенді (HClO4, HNO3 т.б. қышқылдар), ал екі
жақты қасиет көрсететіндер - амфипротонды (Н2О, С2Н5ОН) деп аталады 6.
Протонды теория қазіргі кезде ең кең таралған теориялардың қатарына
жатады. Ол протон доноры (қышқыл) мен акцепторы (негіз) қатысатын барлық
қышқылдық-негіздік әрекеттесулерді бір жүйеге келтіріп қарайды. Протонды
теорияның басты артықшылығы - аса маңызды шамаларды есептеп шығаруға
болатын сандық теңдеулердің болуы. Ол протолиттік реакциялардың жүру
тереңдігін процеске қатысатын қышқылдар мен негіздердің диссоциациялану
константасымен байланыстырады, оған еріткіштің әсерін ескереді 5,20.
Өткен ғасырдың жиырмасыншы жылдары қышқылдық - негіздік әрекеттесулерді
түсіндіретін теорияларды екіге бөліп саралауға болатындай еді. Бір топ
теориялар қышқылдық - негіздік әрекеттесуді протонның ауысуымен, яғни
қатысуымен байланыстыра қараса, енді біразы оны еске алмай жаңа ұстанымдар
ұсынды. Солардың қатарына коваленттік байланыс теориясының авторы,
америкалық ғалым Дж. Льюис ұсынған қышқылдық-негіздік әрекеттесудің
электрондық теориясы жатады 7,11.
Электрондық теория бойынша негіз деп химиялық байланыс түзуге электрон
қосағын беретін донор атомы бар затты, ал қышқыл деп сол электрон жұбын
қабылдайтын акцептор атомы бар затты айтады. Қышқылдық - негіздік
әрекеттесу, түптеп келгенде, электрон қосағының донордан акцепторға ауысып,
ортақ ковалентті байланыс түзуімен түсіндіріледі. Олай болса, электрондық
теория бойынша қышқылдық-негіздік реакцияларға донорлы-акцепторлы байланыс
түзетін әрекеттесулердің бәрі де жатады. Мысалы:
: NH3 + (BF3 NH3 : BF3
донор - негіз аммиакты акцептор - қышқыл бор фториді бейтараптайды. Бұл
реакция протонды теория негізінде түсіндіріле алмайды. Шындығында аммиакты
бор фторидімен индикатор қатысуында бейтараптауға болады.
Өкінішке орай, электрондық теорияның жетімсіздіктері де, кемшіліктері де
көп-ақ. Ол бұрыннан қалыптасқан HCl, H2SO4 тәрізді қышқылдардың қышқылдық
қасиетін дәлелдей алмайды, өйткені олардың құрамында электрон жұбы жетпей
тұрған атомдар жоқ, сондықтан олар өзіне электрон қосағын қосып ала
алмайды. Электрондық теория сутекті қышқылдардың ішінен тек электрон жұбы
жетімсіз аз ғана заттарды (Н3ВО3, Al(OH)3) қышқылдар қатарына жатқызады.
Теория қышқыл мен негіздің күшін өлшейтін жолды да ұсынбайды, көптеген
заттардың қышқылдық - негіздік табиғатын дәл болжай алмайды. Мәселен, SnСІ4
қышқылдық қасиет көрсетеді, ал құрылысы бойынша алсақ, қалайы атомының
сыртында 8 электронды октет қабаты болғандықтан ешбір қышқылдық қасиет
көрсететін жөні жоқ сияқты 5.
Бұл электрондық теорияның қышқылдар мен негіздер туралы ілімге қосары аз
көрінгенімен одан туындайтын ғылыми көпшілікке кеңінен таныс жұмсақ және
қатты қышқылдар мен негіздердің әрекеттесу теориясын қалаған канадалық
ғалым Пирсон проблемалардың шешімін табуға көмектесіп отыр.
Жоғарыда көрсетілген танымал теориялармен қатар Пирсонның " Қатты және
жұмсақ қышқылдар мен негіздер ұстанымы" әлемдік химиялық әдебиеттерде
жазылып жүр. Бұл Льюис, Усанович теориялары сияқты сандық жағынан жетімсіз
сапалық теория болса да оған үлкен мән беріледі.
Ұстаным бойынша қышқыл-негіздік әрекеттесу сәйкесінше қатты қышқылдар
мен қатты негіздер байланысуы арқылы, ал жұмсақ қышқылдар жұмсақ
негіздермен байланысуы арқылы жүреді. Қышқылдар мен негіздердің қаттылығы
мен жұмсақтығын анықтағанда олардың химиялық құрамы мен электрондық
құрылысы, сондай-ақ олардың түзетін қышқыл-негіздік комплекстерінің
салыстырмалы тұрақтылығы ескеріледі 21.
"Қатты" қышқылдар - нашар полюстенетін акцепторлар, электр терістігі
жоғары, қиын тотықсызданады, олардың толмаған сыртқы орбитальдарының
энергиясы аз болады.
"Жұмсақ" қышқылдар - оңай полюстенетін акцепторлар, электртерістігі
төмен, оңай тотықсызданады, олардың бос сыртқы орбитальдарының энергиясы
мол болады. "Қатты" негіздер- нашар полюстенетін донорлар, электртерістігі
жоғары, қиын тотығады, олардың толған сыртқы орбитальдарының энергиясы аз
болады. "Жұмсақ" негіздер - оңай полюстенетін донорлар, электр терістігі
төмен, оңай тотығады, олардың толған сыртқы орбитальдарының энергиясы мол
болады.
Қатты және жұмсақ қышқылдар мен негіздер концепциясын қолдану арқылы
бейорганикалық химияда көп нәрсені түсінуге болады. Мысалы, синтез
жағдайларын таңдауға ыңғайлы және реакцияның өту бағытын болжауға
көмектеседі. Оған сүйеніп алмасу реакциясының нәтижесін түсіндіруге болады
5.
Молекулалар мен иондарды қатты және жұмсақ қышқылдар мен негіздерге
жіктеу Жер қыртысында элементтердің таралуын түсіндіруге көмектеседі.
Жұмсақ қышқылдардың жұмсақ негіздермен, ал қатты қышқылдардың қатты
негіздермен байланысуға ұмтылысы Гольдшмидт бойынша элементтерді 4 типке
жіктеудің кейбір аспектілерін түсіндіреді. Бұл жіктеу геохимияда кеңінен
қолданылады. Екі класс литофилді және халькофильді элементтер түзеді.
Литофильді элементтерге жердің литосфера қабатында, силикатты минералдар
түрінде шоғырланған элементтер жатады. Бұл катиондар қатты, құрамында О2-
қатты негіз бар қосылыстар күйінде кездестіреміз. Халькофильді элементтер
сульфидті минералдар құрамында жиі кездеседі. Оларға кадмий, қорғасын,
мышьяк және висмут жатады. Бұл элементтер (катион түрінде) – жұмсақ, олар
құрамында жұмсақ негізі S2-(немесе Se2- және Те2-) бар қосылыстарда
кездеседі 22.
Сондай-ақ LiI + CsF → LiF+CsI ∆Н=-33 ккалмоль
химиялық реакциясының жүруін оңай түсіндіруге болады. Жұмсақ негіз І-
сәйкесінше жұмсақ қышқыл Cs+ -мен, ал қатты негіз F- қатты қышқыл
Li+ -мен қосылады.
Пирсон бұл принципті көптеген басқа да химиялық проблемаларға: катализге
(жұмсақ қышқыл болатын металл атомдары жұмсақ негіздерді адсорбциялайды),
ерігіштікке (қатты негіз болатын еріткіштер қатты қышқылдарды ерітеді және
керісінше), электрофильді және нуклеофильді орынбасуға қолданды.
Қазақстанның әйгілі физик - химигі М.И. Усанович 1939 жылы қышқылдық-
негіздік әрекеттесудің жаңа теориясын ұсынды. Бұл теория қышқылдық-негіздік
қасиеттерді жоғарыда келтірілген теориялардың бәрінен кеңірек қамтиды. Оның
ең басты сипаттамасы - қышқылдық-негіздік әрекеттесудің нәтижесінде тұз
түзілуі тиіс деп санайды. Тұз - қышқыл мен негіздің өзара бейтараптануынан
шығатын өнім 5.
Бұл теория бойынша қышқыл дегеніміз өзінен катиондар (оған протон да
кіреді) бөле алатын немесе аниондар (оған электрон да кіреді) қосып ала
алатын бөлшек. Бұл анықтамаға бұрынғы теорияларға сай келетін сутекті,
сутексіз қышқылдардың бәрі де бағынады. Негіздер - керісінше аниондар
(электрондар) беруге немесе катиондар (протондар) қосып алуға бейім
бөлшектер. Салыстыра қарасақ, бұрынғы теорияларға сай шыққан анықтамалардың
дербестігі Усанович көзқарастары бойынша да сақталатынын көреміз. Сондықтан
бұл теорияны қышқылдар мен негіздердің жалпылама теориясы деп те атайды
6.
Теория тұз түзе жүретін барлық реакцияларды бейтараптау процесі ретінде
қарайды. Тұздың өзі қышқыл - катион мен негіз - анионнан тұрады. Тұз
ретінде кез - келген электролит (тіпті әлсіздері де) қабылданады. Бұл
күрделі теорияға бағынатын қышқылдық - негіздік әрекеттесулерге бірнеше
мысалдар келтірейік.
Су мен күкірт (VI) оксиді әрекеттескенде:
2H2O + SO3 = H3O+ + SO
су өзінен анион О2- бөліп негіздік қасиет көрсетсе, күкірт (VI) оксиді
осы анионды қосып алып қышқылдық қабілетін танытады. Егер судың орнына
натрий оксиді алынса да тұз түзіледі:
Na2O + SO3 = 2Na+ + SO42-
Мұндағы натрий сульфаты басқа тұздар сияқты қышқыл (Na+) мен негізден
(SO42-) құралғанымен бұл реакция бейтараптану реакциясына жатады, өйткені
бастапқы күшті негіз Na2O мен күшті қышқыл SO3 әрекеттескенде әлсіз
негіз SO42- және әлсіз қышқыл Na+ шығады. Бұл талқылаудың Бренстед
теориясындағы талқылауға ұқсап тұрғанын бірден көреміз. Демек, онда шыққан
қорытындылар Усанович теориясында да сақталатынын байқаймыз.
Хлоридтердің өзара әрекеттесулерін алайық:
2KCl + SnCl4 = K2(SnCl6(
PCl5 + AlCl3 = PCl4(AlCl4(
Негіздер KCl мен PCl5 өздерінің Cl- аниондарын қышқылдарға SnCl4 пен
AlCl3-ке беріп тұр.
Жоғарыда келтірілген қышқыл мен негіздің анықтамасы қышқылдық-негіздік
әрекеттесулердің қатарына тотығу - тотықсыздану реакцияларын да жатқызуға
мүмкіндік береді. Егер мырышты броммен тотықтыруды қарастырсақ:
Zn + Br2 = ZnBr2
тұздың түзілуі - бір бөлшектен екінші бөлшекке электронның ауысуы, бұл
процестің Усанович теориясына орай қышқыл (Br2) мен негіздің (Zn)
реакциясына жататынын көрсетеді. Ал сутек бромидін мырыштың
бейтараптайтынын ескерсек:
Zn + 2HBr = ZnBr2 + H2
жоғарыдағы әрекеттесуді қышқылдық - негіздік әрекеттесулердің қатарына
жатқызудың өте орынды екендігін байқаймыз.
Теория бейорганикалық заттардың органикалық табиғаты бар заттармен
әрекеттесуін қышқылдық - негіздік тұрғыдан қарауға мүмкіндік береді.
Айталық, органикалық негіз пиридиннің броммен бейтараптануы:
C5H5N + Br2 = C5H5Br+ + Br -
әрі тотығу - тотықсыздану реакциясына, әрі қышқылдық-негіздік
әрекеттесуге жатады 1,3,10.
Усанович теориясынан туатын аса маңызды қорытындылар бар. Солардың
бастысы - заттардың бойында қышқылдық-негіздік қасиеттердің болуы олардың
қандай бөлшектермен әрекеттесуіне тәуелді болып келетіндігі. Бір ғана зат
қышқыл да, негіз де, бейтарап да қасиет көрсете алады . Мұндай пікір химия
ғылымында ертеден-ақ қалыптасқан. Усанович көзқарасы бойынша екідайлылық
көптеген заттарға (бөлшектерге) тән қасиет болып табылады.
Жалпы алғанда қышқыл мен негіз заттардың кластары емес, олардың
функциялық қасиеттері екен. Шындығында заттардың барлығына дерлік белгілі
бір дәрежеде қышқылдық та, негіздік те қасиет тән.
Ғасырлар бойы қалыптасқан қышқылдар мен негіздерді заттардың жеке
кластары дейтін көзқарас қате дедік. Оны түсіндіру үшін органикалық
химиядағы заттардың кластарға бөліну ұстанымдарын еске алайық: кластар
заттардың молекуласының құрамына және құрылысына сай туады. Мысалы
карбон қышқылдарына жататын қосылыстардың құрамында функциялық карбоксил
тобы – СООН бар, сол сияқты спирттерде радикалдармен байланысқан - ОН тобы
бар. Бұл кластардың өкілдеріне тән қасиеттер осы функциялық топтарға
тікелей тәуелді болып келеді. Усанович теориясы бойынша бір ғана тұздар
класы бар, өйткені олардың құрамына катиондар - қышқылдар және аниондар -
негіздер кіреді. Тұздарға тән барлық қасиет осы екі бөлшектің ғана қасиеті
болып саналады 5.
Аррениус теориясындағы заттардың кластарына, анық айтсақ қышқылдар мен
негіздер класына қайта оралайық. Сонда оларды дербес кластар ретінде
қарауға бола ма? Сөзсіз болады, өйткені олардың бәрі мәселен иондық
теорияда сумен салыстырылып алынған және сулы ортада ғана орындалатын
шарттарға сай келетін аз ғана заттардың тобы. Аррениус теориясына бағынатын
қышқылдардың бәрінің құрамында сутек катионы бар, негіздерде гидроксид
анионы бар және осы екі бөлшек олардың барлық қасиеттеріне жауап береді
(органикалық заттардың жоғарыда айтылған кластарымен салыстыр). Егер
сутекті қышқылдар мен гидроксидті негіздерді судан басқа ортада қарайтын
болсақ, оларды бұрынғысынша кластарға жатқызуға ешбір қақымыз жоқ 2.
Усанович теориясы қышқылдық және негіздік қабілеттерді заттардың
химиялық функциясы ретінде қарай отырып, олардың күшін санмен өлшеуге
болатындығын көрсетеді. Алайда, бір қышқылдың не бір негіздің бір ғана
санмен өлшенетін күші болуы мүмкін бе? Әрине, мүмкін емес. Бір зат өзінің
әрекеттесетін серіктестерінің табиғатына сай әртүрлі қышқылдық күшке ие
бола алады, тіпті, ол негіздік қасиет те көрсете алады. Рас, барлық
қышқылдарды немесе негіздерді бір ғана серіктеспен салыстырып қарасақ,
олардың өзара күштеріндегі айырмашылықты айқын көрер едік. Міне осы жағдай
Аррениус ұсынған иондық теорияда бүкіл қышқылдар мен негіздерді сумен
салыстыра отырып, олардың күшін бір жүйеге келтіруге мүмкіндік берген.
Аквахимияда жүретін барлық процестер, сол сияқты сольвожүйелер химиясындағы
барлық процестер, бір ғана еріткішпен салыстырыла алынатындықтан олардағы
қышқылдар мен негіздерді өзара күштері бойынша саралап, диссоциациялану
дәрежесінің не константасының сан мәндерін табуға болатыны бұрыннан
белгілі. Бренстед теориясында да бір ғана бөлшек - протонның бөлінуі не
қосылуы санмен өлшенеді. Бұлардың бәрі Усанович теориясына бағынатын дербес
көзқарастар жүйесі болып есептеледі. Сондықтан олардан туатын дұрыс
қорытындылар Усанович теориясында да дербес жүйелер үшін бұлжымастан
сақталады.
Күрделі қышқылдар мен негіздердің күшін бір ғана санмен өрнектеу мүмкін
еместігін айттық. Ал, қарапайым элементтердің қышқылдық - негіздік күшіне
келсек оларды ажыратып алу қиынға түспейді. Металдар өздерінен электрон
бөлетін негіздер болғандықтан олардың күші иондану энергиясымен өлшенеді.
Қышқылдарға жататын бейметалдар электрон қосып алатындықтан олардың күші
электронтартқыштық шамасымен өлшенеді. Металл атомы өзінен электрон беріп
катионға, бейметалл атомы электрон қосып анионға айналатынын ескерсек,
катион - қышқылдардың, анион - негіздердің де күштерін жобалау қиынға
түспейді. Ол үшін Бренстед теориясындағыдай металл - катион, бейметалл -
анион іліктес жұптарын бірге қарау қажет. Егер металл өзінен электронды
оңай бөліп күшті негіздік қасиет көрсетсе, одан шығатын іліктес катионның
электрон қосып алу қасиеті төмен болғандықтан әлсіз қышқылдық қасиетке ие
болады. Дәл осылай, күшті қышқыл - бейметалдарға әлсіз негіз аниондар сай
келеді 4.
Жалпы қышқылдар мен негіздердің күштерін сипаттау үшін Усанович ғылымда
бұрынан белгілі иондық потенциал I шамасы пайдаланылады. Бұл қарапайым шама
зарядты бөлшектің зарядының мәнінің Z оның радиусына r қатынасымен
өрнектеледі:
I= .
Қарапайым қышқылдар мен негіздердің күштерінің өзгеруін олардың иондану
потенциалының мәндеріне сай шығаруға болады. Мысалы, катион - қышқылдардың
күші ион заряды артқан сайын күшейе түседі: Na+, Mg2+, Al3+. Сол сияқты
анион - негіздердің күші де заряд шамасы ұлғайған сайын артады: F-, S2-, N3-
. Күрделі аниондар үшін де осы ұстаным сақталады, айталық NО, СО32-,
РО43- бағытында негіздердің күші молая түседі. Егер катион мен аниондардың
зарядтары бірдей болып келсе, онда олардың радиустарының өзгеру бағытына
сай күштерінің артып не кемитіндігін табамыз. Жоғарыдағы формулаға сәйкес
ионның радиусы кішірейген сайын қышқылдың да, негіздің де күші арта
бастайды: K+, Na+, Li+ және I-, Br-, Cl-, F-. Усанович теориясының химия
ғылымында жүретін процестің көбісін бір жүйеден қарауға мүмкіндік беретінін
айттық. Ал солардың барлығы дерлік иондар қатысуымен жүретіндіктен катион -
қышқылдардың және анион - негіздердің күшін болжай білудің үлкен маңызы
бар. Сөзімізге дәлел болу үшін гидролиз процесін осы теорияның тұрғысынан
қарап көрелік. Гидролиз, жалпы алғанда сольволиз процесі тұздардың
еріткішпен әрекеттесуімен түсіндіріледі. Ал тұздың өзі қышқыл - катионнан
және негіз - анионнан тұрады дедік. Олай болса, тұздардың құрамындағы
күштірек қышқыл мен күштірек негіз еріткішпен оңай әрекеттесіп, бұрынырақ
гидролизденуге тиіс. Шынында да натрий карбонатының гидролизденетін себебі
оның әлсіз қышқыл Na+ мен күшті негіз СО құралатындығымен
түсіндіріледі. Анық айтқанда гидролизге күшті негіз ғана қатысады, өйткені
СО +2 НОН = Н2СО3+ 2ОН-.
Аррениус теориясы бойынша бұл тұз күшті негіз бен әлсіз қышқылдың тұзы
болып саналатын да, гидролизге әлсіз қышқылдың бөлігі СОқатысатын.
Екінші серіктес күшті негіз процестен тыс қалатын. Әрбір гидролиз процесі
қышқылдық - негіздік әрекеттесу болып саналатындықтан оған күшті негіз
қатыспай әлсіз қышқылдың қатысатынын түсіндіру де оңай емес. Усанович
теориясы бұл сәтсіздікті оп-оңай шешіп берді. Мәселен, Fе3+, Аl3+ түзетін
ерімтал тұздардың жақсы гидролизденетін себебі олар күшті қышқылдардың
қатарына жатады. Әсіресе, темір (III), алюминий сульфидтері мықты
гидролизденеді, өйткені олардың құрамында күшті қышқылдармен қатар күшті
негіздер S2- бар 4.
Усанович теориясы заттардың қышқылдық - негіздік қабілетінің тууын
сенімді жолмен түсіндіреді. Қарапайым шамалар - бөлшектердің зарядтары
(көбіне тотығу дәрежелері), радиустары, координация санын пайдалана отырып
реакцияның жүруін, ондағы қышқылдық және негіздік қасиет көрсететін
заттардың өзгеруін күні бұрын болжай алады. Теория заттың гетерополюсті
моделін жиі қолданады. Мұны түсіну үшін бірнеше мысалдар келтірейік.
Танымал зат алюминий оксидінің негіздік қасиетінен қышқылдығы басымдау,
өйткені оның молекуласындағы қышқылдың заряды Al3+ негіздің зарядынан О2-
жоғары. Натрий оксиді сөзсіз негіздік қасиет көрсетеді: ондағы негіз О2-
қышқылдан Na+ басымдау. Егер оны алюминий оксидімен әрекеттестірсек
қышқылдық - негіздік процестің нәтижесінде натрий алюминаты шығуға тиісті.
Ал алюминий оксидінен қышқылдығы басымдау күкірт триоксидін SO3 немесе
кремний диоксидін SiO2 алсақ, олар өзара әрекеттесіп алюминий сульфатын не
силикатын беретіні даусыз:
Na2O + Al2O3 = 2NaAlO2
Na2O + SO3 = Na2SO4
Na2O + SiO2 = Na2SiO3
Алюминий оксидінің қышқылдық қасиеті оның галогенді қосылыстарына
ауысқанда күшейе түседі, себебі оларда қышқылды бейтараптайтын негіздің
күші бұрынғымен салыстырғанда (О2- мен Г-) төмендеу келеді. Сондықтан
алюминий хлориді оксидтен де күштірек қышқыл болып саналады. Екі зарядты
катиондардың қосылыстарында да қышқылдық қабілет жоғары болады. Оны CuCl2
тәрізді қышқылдың одан әрі бейтараптанып CuCl-3, CuCl42- комплексті иондар
түзуінен көреміз. Алюминий галогенидтері одан да күштірек бейтараптанып
AlГ63- иондарын береді 5.
Сутекті қышқылдарға келетін болсақ олардағы қышқылдық қасиет көрсететін
сутек катионының Н+ заряды +1-ге тең болғанымен радиусы тым кіші болып
келетіндіктен оның иондық потенциалы жанындағы анион - негіздің иондық
потенциалынан жоғары болып шығады да, бүкіл молекула қышқылдық қабілетке ие
болады. Сондықтан сутекті қышқылдар көптеген әрекеттесулерде өзінің
қышқылдық қасиетін көрсетеді.
Кез-келген процестің химиялық мағынасы олардың атомдар, молекулалар,
катиондар, аниондар, электрондар түріндегі бөлшектік немесе олардан
түзілетін топтардың химиялық әрекеттесуі тұрғысынан қарағанда ашылады.
Усановичтің қышқылдық – негіздік әрекеттесу теориясы қазіргі заманғы орта
және жоғары білім беруде кеңінен қамтылатын гидролиз (сольволиз),
гидратация, ыдырау сияқты процестердің химизмін жаңаша ғылыми негіздеуге
мүмкіндік береді 5. Усанович теориясының тағы бір ерекшелігі кез-келген
бөлшектердің құрамына, құрылысына және зарядына қарап олардың химиялық
қасиеттерін алдын-ала болжауға мүмкіндік береді. Теорияның болжау
мүмкіндігін пайдалана отырып барлық дерлік бейорганикалық заттардың
қасиетін оқытудың негізгі әдісіне көшуге болады.
Усанович теориясынан туған аса маңызды қорытындылардың қатарына оның
бұрынғы иондық теорияны, химиялық теорияны, сольвожүйелер теориясын,
протондық теорияны қамтитындығы, олардың бәрін бір тұрғыдан қарайтындығы,
қышқылдар мен негіздер кластарын жойып, оларды әрбір бөлшекке тән
функциялық қасиеттер деп қарастыруы, екідайлылықты көптеген заттарға тән
универсал қасиет деп санауы, қышқылдық - негіздік әрекеттесудің шеңберін
ұлғайтуы, мәселен, оған тотығу - тотықсыздану реакцияларын жатқызуы,
қышқылдық - негіздік әрекеттесудің нәтижесінде туатын басты өнім - тұз деп
шешуі жатады. Осыншама ұтымды жақтарына қарамастан бұл теорияны оқу
процесінде толық қанды қолданылған емес. Теорияның барлық мүмкіндіктерін
пайдаланып химияны оқыту ұтымды болатынына сенімдіміз. Усанович теориясының
көмегімен химиялық қосылыстардың табиғатын тану жеңілірек, түсінікті, әрі
сенімді. Қышқылдық-негіздік әрекеттесу ілімін оқытудың оқу-әдістемелік
кешенін құрастыру осы магистерлік диссертацияда қарастырылатын маңызды
ғылыми-әдістемелік проблема болып табылады.
2 Негізгі бөлім
2.1 Қышқылдар мен негіздер туралы жалпылама теория
Химия ғылымындағы аса маңызды ұғымдардың қатарына қышқылдар мен
негіздер және олардың әрекеттесуінен туатын тұздар жатады. Олардың
табиғатын зерттеу, өзіне тән ерекшеліктерін анықтау жұмыстары өте ертеде
басталған. Соған қарамастан қышқылдар мен негіздер жөніндегі көзқарас күні
бүгінге дейін түгелдей шешімін тауып, анықталып болды дей алмаймыз. Қайта
жылдан жыл өткен сайын химия ғылымында жинақталатын жаңа мәліметтердің
басын біріктіріп, жаңадан алынатын заттардың табиғатын дәл тану үшін оларды
қамтитын қышқылдық-негіздік теориялардың әрі қарай дамып, тереңдей түсуі
қажет болып отыр.
Қышқылдар мен негіздердің жалпылама теориясы ұсынылғанға дейін атақты
ғалымдар қышқылдар мен негіздердің иондық теориясын, сольвожүйелер
теориясын, протондық теорияны, электрондық теорияны ұсынып, осы
теориялардың көмегімен заттардың табиғатын тануға тырысты. Уақыт өте келе
әр теорияның кемшіліктері анықталып, олар қышқыл-негіздік әрекеттесудің
бәрін түгелдей қамти алмайтындығы белгілі болды.
Қазақстанның әйгілі физик - химигі М.И. Усанович 1939 жылы қышқылдық-
негіздік әрекеттесудің жаңа теориясын ұсынды. Бұл теория қышқылдық-негіздік
қасиеттерді жоғарыда келтірілген теориялардың бәрінен кеңірек қамтиды. Оның
ең басты сипаттамасы - қышқылдық-негіздік әрекеттесудің нәтижесінде тұз
түзілуі тиіс деп санайды. Тұз - қышқыл мен негіздің өзара бейтараптануынан
шығатын өнім 5,24.
Бұл теория бойынша қышқыл дегеніміз өзінен катиондар (оған протон да
кіреді) бөле алатын немесе аниондар (оған электрон да кіреді) қосып ала
алатын бөлшек. Бұл анықтамаға бұрынғы теорияларға сай келетін сутекті,
сутексіз қышқылдардың бәрі де бағынады. Негіздер - керісінше аниондар
(электрондар) беруге немесе катиондар (протондар) қосып алуға бейім
бөлшектер. Салыстыра қарасақ, бұрынғы теорияларға сай шыққан анықтамалардың
дербестігі Усанович көзқарастары бойынша да сақталатынын көреміз. Сондықтан
бұл теорияны қышқылдар мен негіздердің жалпылама теориясы деп те атайды.
Теория тұз түзе жүретін барлық реакцияларды бейтараптау процесі ретінде
қарайды. Тұздың өзі қышқыл - катион мен негіз - анионнан тұрады. Тұз
ретінде кез - келген электролит (тіпті әлсіздері де) қабылданады. Бұл
күрделі теорияға бағынатын қышқылдық - негіздік әрекеттесулерге бірнеше
мысалдар келтірейік.
Су мен күкірт (VI) оксиді әрекеттескенде:
2H2O + SO3 = H3O+ + SO
су өзінен анион О2- бөліп негіздік қасиет көрсетсе, күкірт (VI) оксиді осы
анионды қосып алып қышқылдық қабілетін танытады. Егер судың орнына натрий
оксиді алынса да тұз түзіледі:
Na2O + SO3 = 2Na+ + SO42-
Мұндағы натрий сульфаты басқа тұздар сияқты қышқыл (Na+) мен негізден
(SO42-) құралғанымен бұл реакция бейтараптану реакциясына жатады, үйткені
бастапқы күшті негіз Na2O мен күшті қышқыл SO3 әрекеттескенде әлсіз
негіз SO42- және әлсіз қышқыл Na+ шығады. Бұл талқылаудың Бренстед
теориясындағы талқылауға ұқсап тұрғанын бірден көреміз. Демек, онда шыққан
қорытындылар Усанович теориясында да сақталатынын байқаймыз.
Хлоридтердің өзара әрекеттесулерін алайық:
2KCl + SnCl4 = K2(SnCl6(
PCl5 + AlCl3 = PCl4(AlCl4(
Негіздер KCl мен PCl5 өздерінің Cl- аниондарын қышқылдарға SnCl4 пен
AlCl3-ке беріп тұр.
Жоғарыда келтірілген қышқыл мен негіздің анықтамасы қышқылдық-негіздік
әрекеттесулердің қатарына тотығу - тотықсыздану реакцияларын да жатқызуға
мүмкіндік береді. Егер мырышты броммен тотықтыруды қарастырсақ:
Zn + Br2 = ZnBr2
тұздың түзілуі, бір бөлшектен екінші бөлшекке электронның ауысуы бұл
процестің Усанович теориясына орай қышқыл (Br2) мен негіздің (Zn)
реакциясына жататынын көрсетеді. Ал сутек бромидін мырыштың
бейтараптайтынын ескерсек:
Zn + 2HBr = ZnBr2 + H2
жоғарыдағы әрекеттесуді қышқылдық - негіздік әрекеттесулердің қатарына
жатқызудың өте орынды екендігін байқаймыз.
Теория бейорганикалық заттардың органикалық табиғаты бар заттармен
әрекеттесуін қышқылдық - негіздік тұрғыдан қарауға мүмкіндік береді.
Айталық, органикалық негіз пиридиннің броммен бейтараптануы:
C5H5N + Br2 = C5H5Br+ + Br -
әрі тотығу - тотықсыздану реакциясына, әрі қышқылдық - негіздік
әрекеттесуге жатады.
Усанович теориясынан туатын аса маңызды қорытындылар бар. Солардың
бастысы- заттардың бойында қышқылдық-негіздік қасиеттердің болуы олардың
қандай бөлшектермен әрекеттесуіне тәуелді болып келетіндігі. Бір ғана зат
қышқыл да, негіз де, бейтарап да қасиет көрсете алады. Мұндай пікір химия
ғылымында ертеден-ақ қалыптасқан. Усанович көзқарасы бойынша екідайлық
көптеген заттарға (бөлшектерге) тән қасиет болып табылады.
Усанович теориясы қышқылдық және негіздік қабілеттерді заттардың
химиялық функциясы ретінде қарай отырып, олардың күшін санмен өлшеуге
болатындығын көрсетеді. Алайда, бір қышқылдың не бір негіздің бір ғана
санмен өлшенетін күші болуы мүмкін бе? Әрине, мүмкін емес. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz