Газдардың сұйықтықтардағы ерітінділері
Ә. Қ. ҚОҚАНБАЕВ
Ф И З И К А Л Ы Қ
және
К О Л Л О И Д Т Ы Қ
Х И М И Я
Оқу құралы
АЛМАТЫ 2010
ББК 24.6
Қ 61
Баспаға әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
химия факультетінің Ғылыми кеңесі ұсынған
Пікір жазғандар:
химия ғылымдарының докторы, профессор Қ.Б. Ержанов;
химия ғылымдарының докторы, профессор Д.Х. Қамысбаев;
химия ғылымдарының докторы, профессор Ж.Ә Әбілов.
Қоқанбаев Ә.Қ.
Қ 61 Физикалық және коллоидтық химия: оқу құралы. – Алматы: Ғибрат
баспа үйі, 2010. – 324 б.
ISBN
Оқу құралы екі бөлімнен – физикалық химия және коллоидтық химия -
тұрады. Бірінші бөлімде заттардың агрегаттық күйлері, химиялық
термодинамика, химиялық және фазалық тепе-теңдіктер; ерітінділер мен
электролиттердің қасиеттері; сулы ерітінділердегі иондық тепе-теңдіктер;
электродтық процестер; химиялық кинетика мен катализ сияқты физикалық
химияның негізгі тараулары қарастырылған.
Екінші бөлімде коллоидтық жүйелердің алыну және тазарту әдістері,
коллоидтық жүйелердің жалпы қасиеттері, беттік құбылыстар және адсорбция;
коллоидтық жүйелердің тұрақтылығы мен коагуляциясы, макро- және
микрогетерогендік жүйелер және лиофильдік коллоидтық жүйелер туралы
жазылған.
Оқу құралы мемлекеттік университеттердің химия мен химиялық
технологиядан басқа мамандықтарының студенттері мен оқытушыларына арналған.
Қ ББК 24.6
© Ә.Қ.
Қоқанбаев, 2010
ISBN
© Ғибрат баспа үйі, 2010
Бұл еңбегімді Қазақ Мемлекеттік
университетінің
химия факультетінде алғаш рет (1958 ж.) қазақ бөлімін ашуға
ат салысқан, оның студенттеріне қазақ тілінде дәріс беріп,
оларға арнап оқулықтар, оқу құралдары мен сөздіктер жазған
ұстаздарым: Бірімжанов Батырбек Ахметұлы,
Молдағалиев Хайрулла Досжанұлы,
Омаров Сәтбек Тоғанбекұлының
рухтарына бағыштаймын.
Автор
Алғы сөз
1996 жылы Білім баспасынан Қазақстан Республикасы Білім Министірлігі
жоғары оқу орындарының студенттеріне арналған оқу құралы ретінде бекіткен
Физикалық химияның қысқаша курсы атты оқу құралын шығарған едік. Бүгінде
ол библиографиялық тапшылыққа айналды. Оның үстіне еліміздің көпшілік ЖОО-
да физикалық және коллоидтық химия бір пән ретінде оқытылады. Осыларды
ескеріп, бұрынғы оқу құралын толықтырып, оған коллоидтық химияның
қарастыратын материалдарды қосып, осы оқу құралын ЖОО-ның 050710-
Материалтану және жаңа материалдардың технологиясы мамандығының
студенттеріне арнап, олардың оқу жоспарына сәйкес етіп жазып отырмыз.
Кітапты жазу кезінде дәріс беру кезінде қарастырылған орыс тіліндегі
оқулықтар мен оқу құралдары пайдаланылды (пайдаланған әдебиеттерді
қараңыз). Кітаптың шығуына бұрын өзіміз шығарған Коллоидтық химия
терминдерінің орысша-қазақша, қазақша-орысша сөздіктері, Коллоидтық химия
терминдері мен сөз тіркестерінің түсіндірме сөздігі, Коллоидтық
жүйелердің жалпы қасиеттері, Сорбциялық құбылыстар, Коллоидтық
жүйелердің тұрақтылығы және құрылым түзуі, Коллоидтық беттік-активтік
заттар сияқты сөздіктер мен оқу құралдарымыздың да үлкен көмегі тиді.
Бұл кітап ұлттық университеттің физика факультетінің050710-
Материалтану және жаңа материалдардың технологиясы мамандығының
студенттеріне арналғанына қарамастан, оны педогогикалық, медициналық,
технологиялық, ауыл-шарушылық ЖОО-ның студенттері де пайдалана алу мақсатын
көздеп жаздық. Оқу құралы туралы ой-пікірлеріңіз бен ұсыныстарыңызды автор
ризашылығымен қабылдап, оларды алдағы уақытта осы пән бойынша шығатын
оқулығында ескеретін болады. Ұсыныстарыңызды автордың атына мына мекен-
жайға жіберулеріңізге болады: Алматы қаласы Қарасай батыр көшесі 95а үй, әл-
Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің химия факультетінің деканаты.
автор: Ә. Қоқанбаев – әл-Фараби атындағы
ҚазҰУ профессоры
БІРІНШІ БӨЛІМ
ФИЗИКАЛЫҚ ХИМИЯ
БІРІНШІ БӨЛІМГЕ КІРІСПЕ
Физикалық химия - химия мен физиканың арасындағы аралық ғылым. Ол
химиялық реакциялардың, олармен қоса жүретін физикалық құбылыстардың
заңдылықтарын зерттейді. Соңғы кездерде физикалық химия, биохимия,
биофизика, геохимия, геофизика т.б. сияқты аралық ғылымдар тез дамып,
көптеген қызықты ғылыми және іс-тәжірибелік мәліметтер жинақталуда.
Физикалық химия заттың құрылысын, химиялық процестердің жүйедегі тепе-
теңдік жағдайы мен олардың бір күйден екінші күйге ауысу мүмкіндігін,
химиялық реакция жылдамдығының уақытқа байланысты өзгеруін, электрлік және
химиялық энергиялардың өзара ауысу заңдылықтары сияқты мәселелерді
қарастырады.
Физикалық химия тұжырымдаған заңдылықтар мен оның әдістері ғылымның
барлық салаларында дерлік қолданылады. Ол физикалық химияның жалпы ғылымдық
мәнін көрсетеді.
Физикалық химия заттардың құрамы мен қасиеттерінің арасындағы
байланыстарды зерттей отырып, әр түрлі физикалық-химиялық талдау әдістерін
жасады. Олар болса әдеттегі химиялық талдауды жылдан жылға ығыстыруда.
Физикалық химияда теориялық та, тәжірибелік те әдістер қолданылады.
Тәжірибе мәліметтерін талдауда және химиялық реакциялар мәліметтерін
жинақтап қорытуда теориялық физиканың үш түрлі: термодинамикалық,
статистикалық және кванттық-механикалық тәсілдері қолданылады.
Термодинамикалық тәсіл әр түрлі энергияның өзара байланысы мен
түрленулерін тұжырымдайтын термодинамикалық заңдарға негізделген. Бұл тәсіл
заттардың түрленуі кезіндегі энергияларды есептеуде, химиялық тепе-теңдікті
есептеуде қолданылады.
Статистикалық тәсіл заттардың макроскопиялық қасиеттерін
молекулалардың микроскопиялық қасиеттерімен байланыстыратын заттардың
молекулалық табиғаты туралы ілімге негізделген. Бұл мақсатпен көбінде
ықтималдылық теориясы қолданылады.
Кванттық-механикалық тәсіл энергияның ауысуы тек белгілі бір мөлшерде
(квант күйінде) болады деген тұжырымға негізделеді. Бұл тәсіл
жылусыйымдылығын зерттеуде, атом құрылысының сандық теориясын жасауда,
спектр туралы ілімде, фотоэлектрлік құбылыстарды түсіндіруде және т. б. өте
тиімді.
Қазіргі кезде физикалық-химияның заңдылықтары мен әдістері
қолданылмайтын ғылым мен тәжірибе алмасудың бірде-бір саласы жоқ десе де
болады.
Енді кітаптың бірінші бөлімінің мазмұнына қысқаша тоқталайық. Ол
физикалық химияның дамуына қысқаша шолудан және 8 тараудан тұрады.
Бірінші тарауда – заттардың агрегаттық күйлері (газ, сұйық, қатты
денелер), олардың қасиеттері мен жалпы сипаттамалары жазылған.
Екінші тарау – химиялық термодинамика деп аталады. Онда энергия
түрленуі туралы, химиялық процестердің жылу эффектісі жөнінде жазылған.
Мұнда көптеген оқулықтардағы сияқты тек термодинамиканың бірінші, екінші
заңдары ғана емес, оған қоса термодинамиканьң нөлінші, үшінші заңдары да
көрсетілген.
Үшінші тарау – химиялық және фазалық тепе-теңдіктер. Мұнда
термодинамиканың, көмегімен химиялық және фазалық тепе-теңдіктер
түсіндіріліп, химиялық тепе-теңдіктің заңдылығы, әр түрлі факторлардың тепе-
теңдікке тигізер әсерлері жазылған, Гибсс жасаған фазалар ережесі мен
термиялық талдау көрсетілген.
Төртінші тарауда – ертінділерге жалпы сипаттама беріліп, сұйытылған
ерітінділердің, қасиеттерін көрсететін заңдылықтар, газдың, қатты дененің,
сұйықтықтың сұйықтықта еру жағдайы, ерітінділердің, коллигативтік
қасиеттері жазылған.
Бесінші тарауда (Ионика) электролит ерітінділерінің ерекшеліктері
мен электролиттік диссоциация теориясы, әлсіз және күшті электролиттер
қасиеттері мен электрөткізгіштіктері, алтыншы тарауда – сулы ерітіндінің
иондық тепе-теңдіктері, сутектік және буферлік қоспалар қарастырылған.
Жетінші тарау – (Электродика) электрод пен ерітінді жанасу бетіндегі
электрохимиялық реакциялардың механизмі мен кинетикасын және электр
қозғаушы күштің пайда болуы мен оны анықтау тәсілдерін, электродтардың
түрлерін қарастырады.
Сегізінші тарау – Химиялық кинетика және катализ деп аталады. Онда
химиялық реакциялардың жылдамдықтарының әр түрлі факторларға тәуелділігі
түсіндірілген. Реакция түрлері мен олардың молекулалығы және реттілігі,
оларды анықтау жолдары, катализдің түрлері, оның ішінде ферменттілік
катализ де осы тарауда қарастырылды.
Кітаптағы сурет пен кестелердің реттік нөмірі екі цифрмен берілген,
алғашқысы – тараудың, ал екіншісі сол тараудың ішіндегі сурет пен кестенің
реттік нөмірін көрсетеді. Түсінікке оңай болу үшін формулалар тек бір
цифрмен ғана нөмірленді.
ФИЗИКАЛЫҚ ХИМИЯНЫҢ ДАМУЫНА ҚЫСҚАША ШОЛУ
Физикалық химия ғылыми пән ретінде алғаш рет XVIII ғасырдың орта
шенінде пайда болды. Оның негізін орыстың атақты ғалымы М. В. Ломоносов
(1711 -1765) қалады. Ол физикалық химияньң бағдарламасын жасап, одан
студенттерге аптасына 4 сағаттан дәріс берді (1751 ж.) және әр түрлі
тәжірибелер көрсетті. Оның “Нақтылы физикалық химияға кіріспе” деген
еңбегінде физикалық химияға мынадай анықтама берілген еді: “Физикалық химия-
физиканың тұжырымдары мен тәжірибелерінің негізінде аралас денелерде
химиялық түрлену кезінде болатын нәрселерді түсіндіретін ғылым”.
М. В. Ломоносовтан кейін 1860 ж. орыстың атақты ғалымдарының бірі Н.
Н. Бекетов (1825-1911) Харьков университетінде “Физикалық және химиялық
құбылыстардың өзара қарым-қатынастары” курсын оқып, оны 1865 жылы
“Физикалық химия” деп атады.
Н. Н. Бекетов алғаш рет металдардың тотықсыздандырғыштық қасиеттерін
тексеріп, алюминий мен магнийдің тотықсыздандырғыш қасиеттерінің жоғары
екенін көрсетті. Ол металдардьң химиялық активтілік қатарын анықтап, оны
“ығыстыру қатары” деп атады.
Кейінірек Ресейдің басқа да университеттерінде физикалық химия оқытыла
бастады: Казанда Ф. М. Флавицкий (1874 ж.), Юрьевте (қазіргі Тарту қаласы)
В. Оствальд (1880 ж.), Мәскеуде Н. А. Каблуков (1886 ж.) осы пәннен дәріс
берді. Ресейде физикалық химиядан алғашқы оқулықты 1876 ж. Н. Н. Любавин
(1845-1918) жазды, оған физикалық, химиядан сол кезде жинақталған
материалдар енді. Кейінірек (1904-1914) ол толықтырылып, “Техникалық химия”
деген атпен 6 томдық еңбек болып басылып шықты.
1887 ж. тұңғыш рет Лейпциг университетінің физикалық химия кафедрасы
ашылып, физикалық химиядан ғылыми журнал шыға бастады. Оларды ұйымдастырған
В. Оствальд болатын. Осы уақыттан бастан физикалық химия дербес ғылым және
оқу пәні ретінде қалыптасты.
Физикалық химияның әр түрлі тараулары дамып, көптеген мағлұматтар
жинақталды. Мысалы, газдардың адсорбциясы (1774 ж. Швецияда К. Шееле, 1774
ж. Францияда Ф. Фонтан), ертінділердің адсорбциясы (1785 ж. Ресейде Т. Е.
Ловиц), катализ туралы түсініктердің қалыптасуы және каталитикалық
реакциялардың ашылуы (XIX ғасырдың басында Англияда Г. Дэви және Л. Тенар,
Швецияда И. Берцелиус), гальваникалық элементтің ашылуы, электролиздің
ашылуы (XVIII ғасырдың аяғы XIX ғасырдың басы Италияда Л. Гальвани, А.
Вольта, Ресейде В, В. Гротгус, Англияда Г, Дэви, М. Фарадей), химиялық
реакциялардың жылуларын зерттеу (1779-1784 ж. Францияда А. Лавуазье, П.
Лаплас, 1836-1840 ж. Ресейде Г. Гесс), термодинамиканың бірінші, екінші
заңдарының ашылуы (XIX ғасырдың орта шенінде Германияда Р. Майер, Г.
Гельмгольц, Р. Клаузиус, Францияда С. Карно, Англияда Дж. Джоуль, В.
Томсон), химиялық тепе-теңдіктердің термодинамикасы (Норвегияда К. Гульберг
пен П. Вааге, АҚШ-та Гиббс) т.б. зерттелді.
Міне осылай XIX ғасырдың аяғына таман физикалық химияның негізгі үш
бөлімі: химиялық термодинамика, химиялық кинетика және электрхимия
қалыптасты.
Бүкіл химияның, оның ішінде физикалық химияның дамуында 1869 ж. Д. И.
Менделеевтің периодтық заңды ашуы ерекше маңызға ие болды. Ол
ерітінділердің “Сольваттық теориясын” жасап, сұйықтықтың қайнау кезіндегі
дағдарыс температурасын (1867) анықтады.
А. М. Бутлеров жасаған химиялық құрылыс теориясы да химиялық
байланыстар мен заттардың химиялық құрылысын түсіндіруде үлкен әсерін
тигізді.
Ресейде Д. В. Коновалов (1856-1929 ж.) “Ерітінділер буының
серпімділігі туралы” деген диссертациясында (1884 ж.) жасалған тұжырымдар
қазіргі кезде “Коновалов заңдары” деген атпен белгілі.
Ерітінділерді зерттеуде И.А.Каблуков (1857 - 1942 ж.) пен В.Ф.
Алексеевтің (1852 - 1918 ж.) еңбектерінің маңызы зор.
В.Ф. Лугинин (1834 - 19.11) Мәскеудегі университетте термохимиялық
лабораторияның негізін салса, Н.А. Шилов (1872 - 1930) тізбекті
реакциялардың кинетикасын зерттеді, ал Л.В.Писаржевский (1874 - 1934)
тотығу-тотықсыздану реакцияларының алғашқы қалаушылардың бірі болды.
ХIХ ғасырдың аяғы мен XX ғасырдың басындағы жалпы жаратылыстануда,
оның ішінде физикадағы табыстар физикалық химияның дамуына үлкен әсерін
тигізді.
Химиялық реакцияларды жүйелі түрде зерттеудің арқасында Я.Вант - Гофф
кинетикалық заңдылықтардың математикалық өрнегін жасады.
Н.А.Меншуткин химиялық реакциялардың кинетикасын зерттей отырып,
еріткіш табиғатының маңызын көрсетті. С.Аррениус химиялық реакция
жылдамдығының температураға байланыстылығын анықтап берді.
Сол кездерде сұйық ерітінділердің сандық теориясы жасала бастады.
1887ж. С. Аррениус электролиттердің ерітіндісін зерттей отырып,
“Электролиттік диссоциация теориясын” жасады, ал П.Дебай мен Э.Гюккельдің
еңбектерінде одан әрі дамытылып, күшті электролит ерітінділерінің теориясы
жасалды.
XIX ғасырда физикалық химия өте жылдам дамыды, яғни атомның құрылысын
ашу, кванттық теория, электроника мен электрондық есептеу машиналарын
пайдалану, жаңа тәсілдер ашу және бұрынғы белгілі тәжірибелік
тәсілдерді (рентгендік талдау, спектралдық, масс - спектрометрия,
электронография, магниттік және т. б.) жетілдіру себеп болды. Бұл
жаңалықтар нәтижесінде химиялық реакциялардың кинетикасы одан әрі дамып,
физикалық химияның жаңа салалары (заттың құрылыс туралы ілім, фотохимия,
радиациялық химия және т.б.) пайда бола бастады. XX ғасырдың орта шенінде
қайтымсыз процестердің термодинамикасы күшті дамыды.
Физикалық химияның, дамуына үлкен үлес қосқан атақты орыс ғалымдары
В.А. Кистяковский, Н.А. Изгарышев, А.Н. Фрумкин, Н.Н. Семенов, П.А.
Ребиндер және т.б. еңбектерін атап айтқан жөн.
Физикалық химияның Қазақстанда дамуына Қазақ мемлекеттік
университетінің, Қазақстан Республикасының Ұлттық Ғылым академиясының (ҚР
ҰҒА) ашылуы зор әсер етті.
Қазақ мемлекеттік университетіндегі химия факультетінде және ҚР ҰҒА
химия, катализ және электрохимия, металлургия және кен байыту
институттарында көптеген ғалымдар физикалық химия саласында үлкен
табыстарға жетті.
Академик М.И. Усанович ерітінділердің сандық теориясын қорыта келе
анамольды электр өткізгіштік кездейсоқ құбылыс емес, заңдылық екенін
анықтады. Оствальдтың сұйылту заңын кез келген ерітінділерге қолдану қате
екенін дәлелдеді. Қышқылдар мен негіздердің жалпы теориясын ұсынып,
химиялық реакция құрамы жағынан тепе-теңдік концентрациясына тәуелді болған
жағдайда ғана идеал ерітінділер заңына бағынатынын анықтады.
Академик Д.В.Сокольский катализаторлар активтігін, энергия мөлшерін,
реагент молекулаларының катализатор бетінде байланысу сипатын,
электрохимиялық потенциалды өлшеу арқылы катализатор бетіндегі барлық
өзгерістерді анықтау әдістерін тапты, гидрогендеу катализаторының
тиімділігін арттыру теориясын ұсынды.
Академик З.М. Молдахметов – конденсацияланған жүйелердің физика-
химиялық қасиеттерін тербелмелі спектроскопия, ядромагниттік резонанс,
молекулалық люминесценция әдістерімен зерттеп, түрлі сыртқы әсерлерге
байланысты молекулалардың ішкі магниттік әрекеттесуінің өзгерістерін
түсіндірді.
Академик М.Т. Козловский металдардың сынап фазасында өзара
әрекеттесуін электрохимиялық әдістермен зерттеу теориясын негіздеді, жаңа
ғылыми бағыт – амальгамалар химиясының практикалық және теориялық негізін
ұсынды.
Академик Е.А. Букетов халькогендер мен халькогенидтердің
термодинамикасын және кинетикасын зерттеу арқылы олардың химиялық және
технологиялық мәнін түсіндірді.
ҚР ҰҒА мүше-корреспонденті Б.А. Бірімжанов Қазақстан жеріндегі
сулардың тұз құрамын зерттеп, табиғи суларда тұздар түзілуінің физика-
химиялық негіздерін ашты.
ҚР ҰҒА мүше-корреспонденті Е.А. Мамбетказиев электродтық процестердің
кинетикасына орта әсерінің заңдылықтарын ашты.
Профессор Х.Қ. Оспанов жаңа термодинамикалық функцияны енгізудің
арқасында (орталық атомдық Гиббс энергиясы) алғашқы гетерогенді процестерде
(қатты заттар мен ерітінділердің арасында) термодинамика мен кинетика
заңдарының арасындағы байланысты тәжірибе арқылы дәлелдеді.
1992 ж. Жану процестерінің химиялық негіздерін іргелі зерттеу атты
ғылыми жұмыстарынң циклі үшін Қазақстан Республикасының Ғылым және техника
саласы бойынша Мемлекеттік сыйлықтың иегерлері болған, профессорлар Г.И.
Ксандопуло, Б.Я. Колесников, З.А. Мансуров, А.Ә. Сағындықовтар кәдімгі
жалындарда төменгі температуралық жалыналдындағы аймақтар болатынын
анықтады.
Олардың жасаған теориялық түсініктері жану процесін пайдаланатын
көмірсутектік шикізаттардың пиролизін иницирлеу, жалындарда мақсатты
өнімдерді синтездеу, газ және конденсирленген жүйелердегі жануды тежеу,
іштен жанатын двигательдердің жұмысын оңтайландыру, жер қойнауқабатындағы
жануды реттеу сияқты бірқатар жаңа технологияларды ұсынуға мүмкіндік берді.
Профессор Д.Қ. Қамысбаев комплекстүзілу процесінің термодинамикасын
жүйелі зерттеудің нәтижесінде ауыспалы металдардың комплекстерәінің
термодинамикалық сипаттамаларын анықтап, оларды талдау арқылы бірқатар
термодинамикалық шамаларды (реакция энтропиясының стандарттық өзгеруі
, тепе-теңдік константалары) есептеу әдістемелерінің дұрыс емес екенін
көрсетіп, оларды дұрыс есептеу әдістемесін берді.
Профессор А.С. Малалилов материя құрылысын зерттеу арқылы кванттық
теорияны одан әрі дамытты.
І-тарау
ЗАТТАРДЫҢ АГРЕГАТТЫҚ КҮЙЛЕРІ
1 Заттардың агрегаттық күйлерінің сипаттамасы
Заттар сыртқы ортаға байланысты (температура және қысым) төрт түрлі:
газ, сұйық, қатты және плазма агрегаттық күйде бола алады.
Физикалық және коллоидтық химия плазмалық күйді қарастырмайды. өйткені
плазмалық күйде зат молекулалары температурасы 5000 °С жоғары зарядталған
иондар және электрондар түзіп, диссоциацияланады. Бұл күйдегі заттардың
электрөткізгіштігі және соған байланысты басқа да қасиеттері өзгеше болады.
Заттың бір агрегаттық күйден екінші күйге ауысуы агрегаттық түрлену деп
аталады. Көптеген заттар белгілі бір температура мен қысымда бірден үш
күйде бола алады. Мысалы суды алып қарасақ, ол бу, сұйық және мұз күйінде
болады. 1.1-суретте су күйінің диаграммасы көрсетілген. Диаграммадағы
қисықтардан екі агрегаттық аймақтың шекарасын көреміз. ОА қисығы – мұз
бетіндегі қаныққан будың өзгеруін, ОВ қисығы сұйық су бетіндегі қаныққан
будың өзгеруін, ал ОС қисығы қысымға байланысты мұздың балқу (еру)
температурасының өзгеруін көрсетеді. Диаграммадағы О нүктесі үштік нүкте
деп аталады. Осы нүктеге сәйкес келетін жүйеде белгілі температура мен
қысымда бір уақытта әрі бу, әрі сұйық су, әрі мұз күйде болады.
Кейбір заттар тек бір, екі ғана күйге ұшырайды. Мысалы, нафталин, йод,
кшәндер қатты күйден бірден буға айналады. Мәселен, кальций карбонаты сұйық
күйінде де, газ күйінде де алынбайды. Өйткені ол қыздырғанда кальций оксиді
мен көміртек (IV) оксидіне ыдырайды. Крахмал, белокты да газ күйінде алуға
болмайды.
Заттардың осы үш күйі – олардың айырмашылығы, молекулаларының өзара
арақашықтығы мен әрекеттесу дәрежесіне байланысты болады. Газ күйіндегі
заттардың атомдары мен молекулалары бір-бірінен өте алшақта болатындықтан,
олардың молекулааралық күштері өте әлсіз. Газ күйіндегі заттар кез келген
көлемде бола алады. Сондықтан, оларды жоғары қысыммен қыса отырып, сұйық
немесе қатты күйге айналдыруға болады. Кейбір заттардың газ күйінде жеке
молекула емес, екі, үш бөлшектен тұратын жиынтық түрінде де болуы мүмкін.
Сұйық күйіндегі заттар молекулаларының әрекеттесу күші (газдарға
қарағанда) көбірек болады. Сондықтан, сұйықтық молекулалары бір-бірінен
тәуелсіз қозғалу қабілетін жоғалтып, бірінен-бірі өте қашықтықта болмайды.
Сұйық күйіндегі дене көлемі аз, тек өзінің пішінін ғана өзгертетін болады.
Сұйықтықтардың осындай қасиеті техникада көтергіш, тежегіш қондырғыларда
т.б. мақсаттар үшін жиі қолданылады.
Қатты денелерде атомдар, молекулалар немесе иондар арасы өте жақын және
олардың тебілу күштері тартылу күштерімен шамалас болады. Осы атомдар
(молекулар мен иондар) белгілі бір тәртіппен араласып кристалдық тор
түзеді.
Заттардың бір агрегаттық күйден екінші бір агрегаттық күйге ауысуы жүйе
энергиясының өзгеруімен жүреді. Мысалы, балқу, булану кездерінде жылу
сіңіріліп, ал конденсациялану және кристалдану кездерінде жылу бөлініп
шығатын болады. Қатты және сұйық жүйелерді заттардың конденсацияланған
күйлері дейді. Зат қатты күйден сұйық күйге ауысқанда, сұйық күйден газ
күйіне ауысуына қарағанда, энергия аз жұмсалады. Ендеше балқу жылуы оның
булану жылуынан әрқашанда аз болады.
2 ГАЗДАР
2.1 Газдардың заңдары
Газдар молекулаларының аралықтары тым алшақ орналасады да, тығыздығы
мен тұтқырлығы және молекулааралық күштері өте аз болады. Егер газ өте
сиретілсе, оның молекулааралық күші газ молекулаларының алатын көлемі сол
газдың алып тұрған келемінің үлесіне де жетпейді. Газдың осылай шексіз
сиретілген күйін идеал жағдай деп атайды. Идеал газ да газдардың заңдарына
бағынады. Ол заңдарды тәжірибе нәтижесінде Бойль-Мариотт, Гей-Люссак-Шарль
және Авогадро тұжырымдап берді. Енді осы заңдарды қарастырайық. Бойль-
Мариотт заңы бойынша тұрақты температурада берілген газ мөлшерінің көлемі
оның қысымына кері пропорционал болады. Егер берілген газдың Р1 және Р2
қысымындағы көлемдерін V1 және V2 деп белгілесек, онда:
Р1V1=Р2V2=К
(1)
мұндағы К-тұрақты шама.
Берілген газ мөлшерінің көлемі мен қысымының көбейтіндісі берілген
температурада тұрақты шама екені теңдеуден (1) айқын байқалады. Көлемнің
қысымға байланысты тәуелділігін 1.2-суреттен көре аламыз. Бұл қисықтар
идеал газдың изотермалары деп аталады.
Гей-Люссак пен Шарльдің заңы (1802 ж.) тұрақты қысымдағы идеал газдың
көлемі мен температурасы арасындағы байланысты көрсетеді. Егер газды
тұрақты қысымда қыздырса, онда температура бір градусқа артқан сайын газдың
көлемі (Vt) бастапқы 0°С температурасындағы көлемінен (V0)1 273,16-ға)
(≈1273-ке) көбейеді:
Vt = V0 + V0 ∙ t273
немесе
Vt = V0 ( 1 + t 273) = V0 Т
273 (2)
Мұндағы Т-Кельвин бойынша температура (Т = 273,16 + t°), ал t°- Цельсий
бойынша температура. Берілген газ мөлшері үшін V0 273 тұрақты шама, сол
себепті теңдеуді (2) былайша жазуға болады
Vt = КТ
(2а)
немесе
V 1 Т 1 = V 2 Т 2
(2ә)
Бұдан газ көлемінің абсолюттік температураға тура пропорционал
болатынын көреміз.
Тұрақты көлемде газдың қысымы температура бір градусқа көбейгенде 1273-
ке артқандықтан, мынадай теңдеу жазуға болады:
Р = Р0 (1 + t 273) =
Р0Т273 (3)
Сонымен Гей-Люссак және Шарль заңын былай тұжырымдай аламыз: тұрақты
қысымда температураны 1°-қа өзгертсе, берілген мөлшердегі газдың 0° С
температурасындағы көлемі 1273-ке өзгереді немесе тұрақты көлемде
температураны 1°-қа өзгертсе, берілген мөлшердегі газдың 0°С
температурасындағы қысымы 1273-ке өзгереді.
1.2-сурет. Идеал газдың 1.3-сурет. Идеал газдың
изобаралары. изотермалары.
Газ көлемі тұрақты болса, қысым да, көлем де абсолюттік температураға
тура пропорционал болады:
Р = КТ
(За)
Р1 Т = Р2 Т2 = К
(Зә)
Теңдеуді (2) 1.3-суреттегідей түзулер арқылы көрсететін болсақ, бұл
қисықтардың әрқайсысы тұрақты қысымға сәйкес келеді. Бұл қисықтар идеал
газдың изобаралары деп аталады. Газдардың үшінші заңын Авогадро ашқандықтан
(1811 ж.) Авогадро заңы деп аталады. Оны былай тұжырымдауға болады: бірдей
қысым мен бірдей температурадағы әр түрлі газдардың бірдей көлемдерінің
молекулалар саны да бірдей болады. 1 моль газдың көлемі 0°С температура
және 760 мм сынап бағанасындағы ғысымда - 1,01325· 105Нм2, V0=22,415 л, ал
газ құрамындағы молекулалардың саны Авогадро тұрақтысы деп аталады.
Авогадро заңы химияны дамытуда үлкен рөл атқарды. Сондай-ақ XVIII ғасырдың
ортасында М. В. Ломоносов тұжырымдаған атом-молекулалық ілімді мойындау
және атом мен молекуланың массаларының шамаларын есептеуде де Авогадро
санының маңызы зор.
2.2 Идеал газдар, олардың физикалық күйінің теңдеуі
Газдарға арналған идеал жағдай жоғарыда (2.1) баяндалды. Идеал
жағдайдағы газдарды идеал газдар деп атайды. Газдардың физикалық күйі үш
шамамен: температура (Т), қысым (Р) және көлеммен (V) сипатталады, ал
олардың арасындағы байланысты сол жоғарыда айтылған газдардың үш заңын
біріктіріп табуға болады. 0°С температурадағы және Р0 қысымдағы берілген
газ көлемін V0 деп белгілейік. Егер температура Т болса, онда газдың көлемі
- Vt ал қысымы Рt-ға дейін өзгереді. Газды бір күйден екінші күйге екі
түрлі жолмен ауыстыруға болады. Ең алдымен температурасын тұрақты етіп
(Т0), қысымды Р0-дан Рt-ға дейін өзгертсек, газдың көлемі V0 -ден V1 -ге
дейін өзгереді. Бойль-Мариотт заңы бойынша: Р0 V0 = Р1 V1.
Егер температураны Т0-ден Т-ға дейін өзгертіп, қысым тұрақты және
Р1болса, газдың көлемі V0-ден V1-ге дейін езгереді.
Гей-Люссак заңы бойынша: V0 Т0= V1 Т1. Осы теңдіктің оң жағы мен
сол жағын Р1-ге көбейтсек:
Р0 V0 Т0= Р1 V1 Т1; Р1 V1 = Р0 V0
екенін ескерсек, онда:
Р0 V0 Т0= Р1 V1 Т1.
Бұдан газдың кез келген күйі былай өрнектеледі:
Р V Т=r , Р V =r∙Т
(4)
Мұндағы r – газдың табиғаты мен мөлшеріне тәуелді тұрақты шама. Бұл
теңдеуді (4) Б. Э. Клайпеpoн 1834 ж. қорытып шығарады. Кейінірек Д. И.
Менделеев Клайперон теңдеуіндегі r-ді 1 моль газға сәйкес тұрақтысымен
ауыстырды: r = п R мұндағы п - газ мольдерінің саны. Сонда:
Р V = п RТ
(5)
Бұл теңдеуді (5) идeал газ күйінің mеңдеуі немесе Клайпeрон-Менделеев
теңдеуі деп аталады. Теңдеудегі (5) R-газдың табиғаты мен мөлшеріне
байланыссыз тұрақты шама. Ол газдың универсал тұрақтысы деп аталады. R-дің
сандық мәні қысым мен көлемнің өлшем бірліктеріне байланысты болады. Егер
қысым атмосферамен, ал көлем литрмен өлшенсе, онда:
R=рV Т=1∙22,414 273,16≈0,082 л. атмград∙моль
Егер қысым динсм, ал көлем см3 болса, онда.
R= Р V Т=76 ∙ 13,6 ∙ 0,81 ∙ 22,414273,16=8,313 ∙ 107эрг
град ∙ моль; 1 калорияның 4,18 ∙ 107 эрг екенін ескерсек:
R =8,313 ∙ 1074,18 ∙ 107=1,987 (немесе ≈ 2) кал (град∙моль) РVТ
өрнегі жұмыстың өлшемімен өлшенеді.
Олай болса, R деп отырғанымыз тұрақты қысымда температураны бір
градусқа арттырғандағы 1 моль идеал газдың ұлғаю жұмысы болып табылады, ол
өлшемдердің халықаралық жүйесінде (СИ) джоуль бойынша өрнектеледі:
R=8,313∙10 дж (град∙кмоль)
Менделеев-Клайперон теңдеуі газдарға байланысты әр түрлі есептеулерде
(мысалы, газдың массасы немесе газдың көлемін қалыпты жағдайға келтіру)
қолданылады.
Газдың массасын табу үшін теңдеудегі (5) п мынадай етіп жазылады:
п = mМ
мұнда т - газдың мөлшері, М-газдың бір молінің массасы.
Сонда РV = mRТМ, бұдан:
М = тRТРV
(6)
Теңдеу (6) бойынша берілген газдың массасын есептеп табуға болады.
Алайда массасын анықтайтын зат газ күйіне ауысқанда диссоциацияланбауын
(ыдырамауын) ескеру керек. Мысалы, фосфор (V) хлоридін қыздырғанда, ол
фосфор (Ш) хлориді мен хлорға ыдырайды.
Сондықтан формула (6) бойынша фосфор (V) хлоридінің массасы
анықталмайды.
Ал газдардың көлемін қалыпты жағдайға келтіруде мынадай формулалар
пайдаланылады:
Р0 V0 273=Р1 V1 Т1
Бұдан V0 = Р1 V1 ∙ 273 Т1 Р0
(7)
Идеал газ күйінің теңдеуін тек жеке газ емес, газдардың қоспасына да
қолдануға болады. Әрине ондағы газдар өзара әрекеттеспеуі керек.
Дальтонның заңы (1807) бойынша газдар қоспасының жалпы қысымы олардың
әрқайсысының үлестік қысымдарының қосындысына тең:
Р= Р1+ Р2+
Р3+...+ Рi (8)
Мұндағы Р-газ қоспасының жалпы қысымы, ал Р1; Р2; Р3 ;... Рi – қоспадағы
құрамдас бөліктердің үлестік қысымдары. Егер газ қоспасы әр түрлі құрамдас
бөліктердің п1,п2,п3... пі молінен тұратын болса, онда молдердің жалпы саны
(п) мынаған тең: п = п1 + п2 + п3 + пі. Газ қоспасының жалпы көлемі V, ал
температурасы Т болса, ол қоспадағы құрамдас бөліктердің үлестік қысымдарын
былай жазуға болады:
Р1= п1 RТ V; Р2= п2 RТ V;...
Рi = пі RТ V (8а)
(8а) өрнектерді (8) теңдеуге қойсақ:
Р=(пі+п2+п3 + ... пі) ∙RТ
V=п∙RТ V (8б)
(8а) өрнектерінің бірін (8б) теңдеуіне бөліп, газ қоспасының жалпы
қысымы мен оның бір құрамдас бөлігінің (і) үлестік қысымдарының арасындағы
қатынасты білуге болады:
Рi=пI п∙Р немесе
Рi=NI Р, (9)
Мұндағы Ni газ қоспасындағы берілген і құрамдас бөліктің мольдік үлесі.
2.3 Газдардың кинетикалық теориясы
Газ заңдарының негізі болған молекулалық-кинетикалық теория (ілім)
ХVІІІ ғасырдың ортасында тұжырымдалды. Оның негізгі қағидалары мыналар:
1. Кез келген газ бірдей шар тәрізді серпімді молекулалардан тұрады. Ол
молекулалардың шамасы молекулааралық қашықтықтан өте аз болғандықтан,
оларды материалдық нүкте ретінде қарастыруға болады.
2. Молекулалар үздіксіз ретсіз қозғалыста болады. Бір молекула әр түрлі
уақытта әр түрлі жылдамдық көрсетіп, оның жылжу бағыты да өзгеріп отырады.
3. Молекулалардың бір-біріне деген әсері өте әлсіз, оны ескермесе де
болады, олар өзара қақтығысқанда ғана бір-біріне әсер етеді:
4. Қақтығысқан молекулалардың жалпы энергиясы өзгермейді, өйткені
ол серпімді шарлардың соқтығысу заңына бағынады.
Газдардың кинетикалық ілімінің негізгі теңдеуі таздар молекулаларының
қозғалысын зерттеудің нәтижесінде қорытылды:
РV=13∙Nа∙m ˉu2 (10)
Теңдеудегі (10) шамалар бізге бұрыннан белгілі. Ал ˉu - молекулалардың
орташа квадраттық жылдамдығы. Ол әрбір молекулалар жылдамдықтарының
квадраттарының орташа мәнінің түбіріне тең:
Теңдеуден (10) идеал газ заңдарын қорытуға болады және бұл теңдеуден әр
түрлі салдар шығады. Теңдеудегі (10) РV өрнегін оған тең RТ-ге ауыстырып
және ти 22 өрнегін оң жаққа шығарып жазсақ:
RТ=2 3N0 ∙ти 22
(12) болады.
Теңдеудегі (12) ти 22 өрнегін деп белгілейік, ол-молекулалардың
ілгерілемелі қозғалысының орташа квадраттық энергиясы. Олай болса, теңдеуді
(12) былай жазуға болады:
=32 ·R ·TNА= 32
·RТ (13)
Мұндағы К=RN0, ол Больцман тұрақтысы деп аталады. Больцман
тұрақтысының сандық мәні мынаған тең:
К=RN0=8,3146,02·1023=10-23 (джоульград) Теңдеу (13) газ молекулалары
кинетикалық энергиясының абсолюттік энергияға тура пропорционал екенін
көрсетеді. Олай болса, бірдей температурадағы газдардың орташа
кинетикалық энергиясы бірдей болады.
Молекулалық-кинетикалық ілім бойынша абсолюттік нөл температурасы (Т0)
дегеніміз молекулалардың орташа кинетикалық энергиясының нөлге тең болатын
температурасы болып шығады.
Егер газдың мөлшері 1 моль болса, онда оның кинетикалық энергиясы
·NА болады. Оны Е деп белгілесек ·NА=Е
Е=32 ·RТ
(14)
Молекулалардың қозғалу жылдамдықтары олардың массаларына, температураға
байланысты.
Егер екі түрлі газдың бірдей температура және қысымдағы бірдей көлемін
алып қарастырсақ, онда:
немесе
(15)
теңдеуден (15) немесе
(16)
Сонымен екі түрлі газдың қозғалу жылдамдықтарының қатынасы олардың
массалар қатынастарының түбіріне кері продорционал болады.
Тұрақты қысымда екі түрлі температура (Т1 және Т2) үшін теңдеуді (10)
былай жазуға болады:
Т1 үшін: 13 ∙N ∙ mu12 =RТ1
(17)
Т2 үшін: 13 ∙N ∙ mu22=RТ2
(18)
теңдеуді (17) теңдеуге (18) бөліп жазсақ:
немесе
(19)
Теңдеуден (19) газдардың қозғалуының орташа жылдамдықтары абсолюттік
температураның түбіріне тура пропорционал екенін көруге болады.
Теңдеуді (10) пайдаланып әр түрлі температурадағы газ молекулаларының
орташа жылдамдығын есептеп, газдың молекулалық массасын табуға болады:
немесе
(20)
0°С температурасында молекулалардың орташа квадраттық жылдамдығы сутек
үшін 1840, азот үшін 493, ал оттек үшін 461 мсек болады. Бұдан газ
молекулалары жылдамдықтарының үлкен шама екенін көреміз. Алайда газдардағы
диффузияны зерттеу газдардың таралу жылдамдықтарының аз екенін көрсетті.
Оның себебі газ молекулалары бір бағытта емес, бейберекет қозғалатын
болғандықтан олар өзара соқтығысып, өздерінің бастапқы жағдайынан онша
қашықтамайды.
Молекулалар бейберекет қозғалатындықтан, ондағы жеке молекуланың
жылдамдығы мен энергиясын табу мүмкін емес. Сондықтан молекулалардың орташа
жылдамдығы, орташа энергиясы деген ұғымдар пайдаланылады. Соның нәтижесінде
ықтималдылық теорияны қолданып, молекулалардың жылдамдығы мен энергиясы
бойынша таралу заңдылықтарын қарастыруға мүмкіндік туады. Газдардың
жылдамдықтары бойынша таралу заңын Д.К. Максвелл 1860 жылы ашқан болатын.
Мына кестедеде оттек молекулаларының қозғалу жылдамдықтары бойынша
таралуы көрсетілген.
1.1-кесте 0°С температурасында оттек молекулаларының жылдамдықтары бойынша
таралуы
жылдамдық берілген жылдамдық шектері,берілген
шектері, мс жылдамдықтары мс жылдамдықтары
бар молекулалар бар молекулалар
үлесі, % үлесі, %
100-ден кем 1,4 400 -ден 500-ге 20,3
100-200 8,1 500-600 15,1
200-300 16,7 600-700 9,2
300-400 21,5 700-800 7,7
Кесте мәліметтері бойынша барлық молекулалардың жартысына жуығы белгілі
бір орташа жылдамдық (300 – 500 мсек) көрсетеді екен.
Молекулалардың жылдамдық бойынша таралуы 1.4-суретте график түрінде
көрсетілген. Ордината өсінде молекулалар саны (пайыздық түрде), ал абсцисса
өсінде сол молекулалардың жылдамдықтары мсек бойынша салынған.
Графиктен кез келген температурада молекулалардың белгілі бір бөлігінің
ғана басқа молекулаларға қарағанда жоғарырақ белгілі бір жылдамдығы және
кинетикалық энергиясы болатынын көреміз.
Графиктегі максимумге сәйкес келетін жылдамдық ықтималдылығы көп
жылдамдық деп аталады. Берілген жағдайда ондай жылдамдықты молекулалардың
көп белігінен көре аламыз. Оттек үшін ондай жылдамдық 0°С температурасында
376 мсекқа тең. Температура артқан сайын максимум жылдамдықтың жоғары
жағына (оңға қарай) ығысады және молекулалардың жылдамдық бойынша таралуы
тек температураға байланысты екен. Сонымен Максвелл жасаған молекулалардың
жылдамдық бойынша таралу заңын былайша тұжырымдауға болады: барлық
молекулалар бірдей жылдамдықпен қозғалмайды, температура артқан сайын
ықтималдылығы көп жылдамдық өседі.
Физикалық химияда Л. Больцман көрсеткен молекулалардың энергия бойынша
таралу заңының да маңызы өте зор. Ол заң берілген молекулалар саны және
олардың энергиясының арасындағы байланысты көрсетеді. Бұл заң бойынша тепе-
теңдік жүйедегі энергиясы Е және одан көп молекулалардың үлесі Больцман
факторына тең:
NεN=е-εКт немесе Мε=М · е-εКт
(21)
Мұндағы Nε - энергиясы Е және одан да көп молекулалардың саны, N –
молекулалардың жалпы саны, К-Больцман тұрақтысы.
Теңдеудің (21) алымын да, белімін де Авогадро санына көбейткенде:
М ε =М ∙ е- ε RТ
(22)
Мұндағы Е=Nа∙ε – бір моль газдың кинетикалық энергиясы. R – ол газдың
универсал тұрақтысы.
Реакция кезінде химиялық әрекеттесу кез келген соқтығысқан молекулалар
емес, энергиясы Е және одан да көп молекулалар соұқтығысқанда ғана жүреді.
Ондай молекулаларды активті (белсенді) молекулалар, ал теңдеудегі (22) Е-ні
химиялық реакцияның активтену энергиясы деп атайды.
2.4 Реал газдар
Әр түрлі газдарды тәжірибе арқылы зерттеулерден алынған мәліметтер
идеал газдардың заңдарынан ауытқитынын көрсетті. Мысалы кез келген газ үшін
Бойль-Мариотт заңы бойынша көлем мен қысымның көбейтіндісі берілген
температурада тұрақты болуы керек. (РV = К). Алайда азот үшін Р = 1 атм
болғанда, РV = 100 болса, Р = 430, 86 атм болғанда, Р = 125,96 болады екен,
яғни көлем мен қысымның көбейтіндісі тұрақты емес екен. Реал газдардың
(ауаның) Бойль-Мариотт заңынан ауытқуын Ломоносов та көрсеткен болатын.
Тәжірибе жүзінде бұл мәселені Д. М. Менделеев пен А. В. Реньо да
қарастырды.
Жоғарыда айтылған ауытқулар неғұрлым температура төмен болған
жағдайларда, ал қысым артқан сайын ол соғұрлым күштірек болады. Реал
газдардың идеал газдар заңынан ауытқулары екі түрлі себептермен болады:
реал газдарда молекулалардың арасында тартылу және тебілу күштері жүне реал
газдар молекулаларының меншікті көлемі болады.
Молекулалардың өзара тартылуының нәтижесінде олардың арақашықтықтары
азайып, газдың көлемі кемиді. Сол Ван-дер-Ваальс күшінің әсерінен болатын
қысым ішкі қысым деп аталады. Ол тығыздықтың квадратына тура
пропорционал болады, яғни: Р=аd, мұндағы а – берілген газ үшін тұрақты
шама. Газдың тығыздығы оның меншікті көлеміне кері пропорционал: d=1 υ;
ендеше Р=а υ2. Мұндағы υ – газдың меншікті көлемі. Сөйтіп біз газдың реал
күйінің теңдеуін былай жаза аламыз:
(Р+а υ 2)( υ -в)=пRТ
(23)
Бұл теңдеуді (23) Ван-дер-Ваальс теңдеуі деп атайды, мұндағы в-
молекуланың көлеміне байланысты тұрақты шама, ол молекуланың меншікті
көлемінен шамамен алғанда төрт есе аз, ол қысылмайтын көлем деп аталады.
Төмендегі кестеде кейбір газдар үшін а мен в -ның мәндері берілген:
1.2-кесте. Кейбір газдар үшін а және в коэффициенттерінің мәндері
ГАЗ а м3моль м3моль ГАЗ а м3моль м3моль
Не 25,5 ∙ 10823,9 ∙ О2 1390 ∙ 108 31,9 ∙
10-6 10-6
Н2 248 ∙ 108 26,7 ∙ CO2 3660 ∙ 108 42,8 ∙
10-6 10-6
N2 1368 ∙ 10838,6 ∙ Cl2 6585 ∙ 108 56,210 ∙
10-6 10-6
CO 1480 ∙ 10839,6 ∙ H2O 5521 ∙ 108 30,410 ∙
10-6 10-6
Бұл кестеден а мен в-ның мәндері әр түрлі газдар үшін олардың полярлығы
мен массаларына байланысты көбірек өзгеретіні байқалады.
Газдардың тығыздығы азайған сайын реал газ күйінің теңдеуі идеал газ
күйінің теңдеуіне жуықтай түседі.
Егер қысымды жоғарылатып, температураны төмендетсе, газдар сұйық күйге
көшеді. 1823 жылы М. Фарадей хлор, аммиак сияқты газдарды қысу және
салқындату арқылы сұйыққа айналдырады. Алайда ол кейбір газдарды, атап
айтқанда, сутек, оттек, көміртек (II) оксиді азот сияқты газдарды сұйылта
алмады. Сондықтан ондай газдар (сұйықтыққа айналдырылмайтын
болғандықтан), “тұрақты” газдар деп аталды. 1860 жылы Д. И. Менделеев,
кейінірек 1869 жылы Т. Эндрьюс кез келген газдың шектік температурасы
болатынын, одан кейін қандай бір үлкен қысым болса да оның сұйылмайтынын
айтты. Ол температураны Д. И. Менделеев абсолюттік қайнау температурасы
десе, Т. Эндрьюс кризистік (дағдарыстық) температура деп атады. Дағдарыстық
температурадағы газдың сұйылтатын қысым дағдарыстық қысым, ал оған сәйкес
көлем дағдарыстық көлем деп аталады.
Дағдарыстық температура, дағдарыстық қысым және оларға сәйкес
дағдарыстық көлем жағдайларындағы газды-газдың дағдарыстық жағдайы деп
атайды.
Кейбір газдардың дағдарыстық константалары 1.3-кестеде көрсетілген:
1.3-кесте
зат температура қысым, нм3 Көлем, л
Ш -239,9 12,97∙105 0,064
N2 -127 33,93∙105 0,090
О2 -118,8 50,35∙105 0,078
СО2 -31,3 73,85∙105 0,094
H2O -374,2 0,056∙105 0,056
Не -267,9 2,7∙105 0,057
1.5-суретте тұрақты температурадағы реал газдың көлемі мен қысымының
өзара қисық реал байланысы көрсетілген. Бұл байланысты көрсететін қисықтар
реал газ күйінің изотермалары деп аталады.
0°С температурасы сәйкес келетін изотерма газды қысқан сайын өз көлемін
азаятынын көрсетеді. Көлем мен қысымның мәндері а-ға жеткенде көлемді әрі
азайту в нүктесіне дейін газдың қысымын өзгертпейді. Әрі қарай көлемнің
аздап өзгеруінің өзі-ақ қысымды күрт арттырып жібереді. Басқа изотермада да
осындай заңдылықтар байқалады, тек температура артқан сайын қысымның
горизонтальдік бөлігінің ұзындығы қысқара береді, яғни ав→а'в'→а"в" деп, 31
0С температурасында тек бір нүкте (К) болып, ал одан жоғары
температураларда изотерманыңгоризонтальдік бөлігі болмайды. 1.5-суреттегі
изотермалар С(ІV) оксидінің қысылу кезіндегі тәжірибелік мәліметтер бойынша
салынған.
Осы зерттеулер а, а', а" нүктелеріне сәйкес келетін қысым мен көлeмде
газдың конденсациясының басталатынын көрсетті.
Конденсациялау процесі кезінде көлем азаяды, ал көлемнің нүктелеріне
сәйкес келетін сұйықтық қаныққан сұйықтық деп аталады.
1.5-суреттегі К нүктесін дағдарыстық нүкте деп атайды. Осы нүктеге
сәйкес келетін қысым мен көлемнің де дағдарыстық қысым (РК) және
дағдарыстық көлем (VK) болатыны жоғарыда баяндалды. Газдардың(РК) және (VК)-
сын анықтаудың жанама жолдарының бірі Кальте мен Матиас ұсынған түзу
сызықты диаметр ережесіне негізделген. Ол ереже бойынша сұйықтық пен оның
қаныққан буы бір-біріне байланысты болады:
ˉd =( d с+ dδ) 2 = а-вт
(24)
Мұндағы d – орташа тығыздық: d с мен dδ сұйықтық пен оның қаныққан буының
тығыздығы, а мен в -тұрақты шамалар.
Тәжірибе арқылы әр түрлі температурада d с мен dδ мәндерін анықтап
алып d мен Т арасындағы тәуелділікті график түрінде салады. Температура
артқан сайын сұйықтықтың тығыздығы кемиді де, оның буының тығыздығы артады,
ал Тк температурасында олар өзара теңеседі. Сұйықтық пен будың орташа
тығыздығын сипаттайтын барлық нүктелер Тк температурасына сәйкес келетін ОТ
нүктесі арқылы өтетін түзудің (түзу сызықты диаметр) бойында жатады. Осы
түзу сызықты диаметрдің ордината өсімен түзетін кесіндісі сандық тығыздыққа
сәйкес келеді. Олай болса, дағдарыстық көлемді былайша табуға болады. υК=М
dк, Мұндағы М-газдың молекулалық массасы.
Дағдарыстық температураны білудің маңызы өте зор. Д. И. Менделеев
кейбір газдардың сұйылмауының себебін оларды сұйылту кезіндегі
тәжірибелерде газдардың абсолюттік қайнау температурасынан жоғары
температурада жүргізілуінен деп түсіндірді. Егер тәжірибелер ол
температурадан төменгі температураларда жүрсе, газдарды сұйылтуға болады
деп көрсетті.
Шындығында кейінгі зерттеулер Менделеев пікірінің дұрыстығын дәлелдеді.
Кейін оттек, азот, сутек сияқты тұрақты газдар да сұйық күйінде алынды.
1895 жылы ауаны сұйылтатын алғашқы қондырғы іске қосылды. Соңғы
кездерде сұйылтылған газдар өндірісте кең қолданыла бастады. Сұйық оттек
қопарғыш заттар алу үшін, авиация, металлургия т.б. өндірістерде, ал сұйық
ауа лабораторияларда төменгі (-180°С-қа дейінгі) температуралар алу үшін
қолданылады. Хлор, аммиак сияқты газдарды сұйық күйінде болаттан жасалған
баллондарда сақтап тасымалдайды.
3. Сұйықтықтар
3.1 Сұйық күйіндегі заттардың жалпы сипаттамасы
Сұйықтықтардың кейбір қасиеттері газдардың, ал кейбір қасиеттері қатты
денелердің қасиеттеріне ұқсас. Төменгі температураларда сұйықтық қасиеттері
қатты дене қасиеттеріне жақындаса, жоғары температураларда (әсіресе,
дағдарыстық температураларда) газдардың қасиеттеріне жуықтай түседі.
Дағдарыстық температурада сұйықтықтың газға айналу процесі, сондай-ақ кері
процесс те болады.
Көптеген уақыт бойы сұйықтықты бейберекет орналасып қозғалатын
молекулалардан тұрады деп есептеген. Алайда кейінгі кездегі ізденістер
олардың ішкі құрылымының газ емес, тіпті қатты дененің ішкі құрылымынан да
күрделірек екенін көрсетті.
Газдарға қарағанда сұйықтықтардың тығыздығы көбірек және мольдік
көлемдері азырақ болады. Мысалы, судын көлемін 1%-ға азайту үшін оған 200
атм (203-10 нм' қысым жұмсау керек, ал газдың көлемін 1%-ға азайту үшін
көрсетілген қысымнан 20000 есе аз қысым жеткілікті. Бұдан сұйықтықтың өте
аз сығылатынын байқаймыз. Қысым артқан сайын сұйықтықтың сығылуы бұрынғыдан
да қиындай түседі. Көптеген сұйықтықтардың мольдік көлемі аддитивтік шама,
яғни топтасқан атомдық көлемдердің қосындысына тең. Мысалы, гексанның С6Н14
мольдік көлемі көмірсутектің С алты атомдық және сутектің он төрт атомдық
көлемдерінің қосындысына тең. Сұйықтықтардың мольдік рефракциясы да -
аддитивтік шама:
(25)
Мұндағы М-молекулалық масса: d-сұйықтықтың тығыздығы: VM -мольдік көлем; n-
сыну көрсеткіші; Д индексі п-нің (натрийдің) Д сызығына (сары сызық) сәйкес
келетінін көрсетеді.
Сыну көрсеткіштерін тәжірибе нәтижесі бойынша есептеген мәліметтерден
күрделі органикалық молекулалардың құрылымы туралы біраз мәселелер
түсіндіріледі. Мысалы, сыну көрсеткішін өлшеу арқылы май, сыра, арақ-
шараптардың сапасын білуге, қан, асқазан шырындарын талдауға болады.
Сұйықтықтардың сығылуының өте аз болуы олардың ішкі қысымдарының көп
болуына байланысты. Сұйықтықтың ішкі қысымдарын өлшеуге болмайды, оларды
сұйықтықтардың сығылу көрсеткіштерін біле отырып есептеуге болады. Кейбір
сұйықтықтардың ішкі қысымдары мынадай: ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ф И З И К А Л Ы Қ
және
К О Л Л О И Д Т Ы Қ
Х И М И Я
Оқу құралы
АЛМАТЫ 2010
ББК 24.6
Қ 61
Баспаға әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
химия факультетінің Ғылыми кеңесі ұсынған
Пікір жазғандар:
химия ғылымдарының докторы, профессор Қ.Б. Ержанов;
химия ғылымдарының докторы, профессор Д.Х. Қамысбаев;
химия ғылымдарының докторы, профессор Ж.Ә Әбілов.
Қоқанбаев Ә.Қ.
Қ 61 Физикалық және коллоидтық химия: оқу құралы. – Алматы: Ғибрат
баспа үйі, 2010. – 324 б.
ISBN
Оқу құралы екі бөлімнен – физикалық химия және коллоидтық химия -
тұрады. Бірінші бөлімде заттардың агрегаттық күйлері, химиялық
термодинамика, химиялық және фазалық тепе-теңдіктер; ерітінділер мен
электролиттердің қасиеттері; сулы ерітінділердегі иондық тепе-теңдіктер;
электродтық процестер; химиялық кинетика мен катализ сияқты физикалық
химияның негізгі тараулары қарастырылған.
Екінші бөлімде коллоидтық жүйелердің алыну және тазарту әдістері,
коллоидтық жүйелердің жалпы қасиеттері, беттік құбылыстар және адсорбция;
коллоидтық жүйелердің тұрақтылығы мен коагуляциясы, макро- және
микрогетерогендік жүйелер және лиофильдік коллоидтық жүйелер туралы
жазылған.
Оқу құралы мемлекеттік университеттердің химия мен химиялық
технологиядан басқа мамандықтарының студенттері мен оқытушыларына арналған.
Қ ББК 24.6
© Ә.Қ.
Қоқанбаев, 2010
ISBN
© Ғибрат баспа үйі, 2010
Бұл еңбегімді Қазақ Мемлекеттік
университетінің
химия факультетінде алғаш рет (1958 ж.) қазақ бөлімін ашуға
ат салысқан, оның студенттеріне қазақ тілінде дәріс беріп,
оларға арнап оқулықтар, оқу құралдары мен сөздіктер жазған
ұстаздарым: Бірімжанов Батырбек Ахметұлы,
Молдағалиев Хайрулла Досжанұлы,
Омаров Сәтбек Тоғанбекұлының
рухтарына бағыштаймын.
Автор
Алғы сөз
1996 жылы Білім баспасынан Қазақстан Республикасы Білім Министірлігі
жоғары оқу орындарының студенттеріне арналған оқу құралы ретінде бекіткен
Физикалық химияның қысқаша курсы атты оқу құралын шығарған едік. Бүгінде
ол библиографиялық тапшылыққа айналды. Оның үстіне еліміздің көпшілік ЖОО-
да физикалық және коллоидтық химия бір пән ретінде оқытылады. Осыларды
ескеріп, бұрынғы оқу құралын толықтырып, оған коллоидтық химияның
қарастыратын материалдарды қосып, осы оқу құралын ЖОО-ның 050710-
Материалтану және жаңа материалдардың технологиясы мамандығының
студенттеріне арнап, олардың оқу жоспарына сәйкес етіп жазып отырмыз.
Кітапты жазу кезінде дәріс беру кезінде қарастырылған орыс тіліндегі
оқулықтар мен оқу құралдары пайдаланылды (пайдаланған әдебиеттерді
қараңыз). Кітаптың шығуына бұрын өзіміз шығарған Коллоидтық химия
терминдерінің орысша-қазақша, қазақша-орысша сөздіктері, Коллоидтық химия
терминдері мен сөз тіркестерінің түсіндірме сөздігі, Коллоидтық
жүйелердің жалпы қасиеттері, Сорбциялық құбылыстар, Коллоидтық
жүйелердің тұрақтылығы және құрылым түзуі, Коллоидтық беттік-активтік
заттар сияқты сөздіктер мен оқу құралдарымыздың да үлкен көмегі тиді.
Бұл кітап ұлттық университеттің физика факультетінің050710-
Материалтану және жаңа материалдардың технологиясы мамандығының
студенттеріне арналғанына қарамастан, оны педогогикалық, медициналық,
технологиялық, ауыл-шарушылық ЖОО-ның студенттері де пайдалана алу мақсатын
көздеп жаздық. Оқу құралы туралы ой-пікірлеріңіз бен ұсыныстарыңызды автор
ризашылығымен қабылдап, оларды алдағы уақытта осы пән бойынша шығатын
оқулығында ескеретін болады. Ұсыныстарыңызды автордың атына мына мекен-
жайға жіберулеріңізге болады: Алматы қаласы Қарасай батыр көшесі 95а үй, әл-
Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің химия факультетінің деканаты.
автор: Ә. Қоқанбаев – әл-Фараби атындағы
ҚазҰУ профессоры
БІРІНШІ БӨЛІМ
ФИЗИКАЛЫҚ ХИМИЯ
БІРІНШІ БӨЛІМГЕ КІРІСПЕ
Физикалық химия - химия мен физиканың арасындағы аралық ғылым. Ол
химиялық реакциялардың, олармен қоса жүретін физикалық құбылыстардың
заңдылықтарын зерттейді. Соңғы кездерде физикалық химия, биохимия,
биофизика, геохимия, геофизика т.б. сияқты аралық ғылымдар тез дамып,
көптеген қызықты ғылыми және іс-тәжірибелік мәліметтер жинақталуда.
Физикалық химия заттың құрылысын, химиялық процестердің жүйедегі тепе-
теңдік жағдайы мен олардың бір күйден екінші күйге ауысу мүмкіндігін,
химиялық реакция жылдамдығының уақытқа байланысты өзгеруін, электрлік және
химиялық энергиялардың өзара ауысу заңдылықтары сияқты мәселелерді
қарастырады.
Физикалық химия тұжырымдаған заңдылықтар мен оның әдістері ғылымның
барлық салаларында дерлік қолданылады. Ол физикалық химияның жалпы ғылымдық
мәнін көрсетеді.
Физикалық химия заттардың құрамы мен қасиеттерінің арасындағы
байланыстарды зерттей отырып, әр түрлі физикалық-химиялық талдау әдістерін
жасады. Олар болса әдеттегі химиялық талдауды жылдан жылға ығыстыруда.
Физикалық химияда теориялық та, тәжірибелік те әдістер қолданылады.
Тәжірибе мәліметтерін талдауда және химиялық реакциялар мәліметтерін
жинақтап қорытуда теориялық физиканың үш түрлі: термодинамикалық,
статистикалық және кванттық-механикалық тәсілдері қолданылады.
Термодинамикалық тәсіл әр түрлі энергияның өзара байланысы мен
түрленулерін тұжырымдайтын термодинамикалық заңдарға негізделген. Бұл тәсіл
заттардың түрленуі кезіндегі энергияларды есептеуде, химиялық тепе-теңдікті
есептеуде қолданылады.
Статистикалық тәсіл заттардың макроскопиялық қасиеттерін
молекулалардың микроскопиялық қасиеттерімен байланыстыратын заттардың
молекулалық табиғаты туралы ілімге негізделген. Бұл мақсатпен көбінде
ықтималдылық теориясы қолданылады.
Кванттық-механикалық тәсіл энергияның ауысуы тек белгілі бір мөлшерде
(квант күйінде) болады деген тұжырымға негізделеді. Бұл тәсіл
жылусыйымдылығын зерттеуде, атом құрылысының сандық теориясын жасауда,
спектр туралы ілімде, фотоэлектрлік құбылыстарды түсіндіруде және т. б. өте
тиімді.
Қазіргі кезде физикалық-химияның заңдылықтары мен әдістері
қолданылмайтын ғылым мен тәжірибе алмасудың бірде-бір саласы жоқ десе де
болады.
Енді кітаптың бірінші бөлімінің мазмұнына қысқаша тоқталайық. Ол
физикалық химияның дамуына қысқаша шолудан және 8 тараудан тұрады.
Бірінші тарауда – заттардың агрегаттық күйлері (газ, сұйық, қатты
денелер), олардың қасиеттері мен жалпы сипаттамалары жазылған.
Екінші тарау – химиялық термодинамика деп аталады. Онда энергия
түрленуі туралы, химиялық процестердің жылу эффектісі жөнінде жазылған.
Мұнда көптеген оқулықтардағы сияқты тек термодинамиканың бірінші, екінші
заңдары ғана емес, оған қоса термодинамиканьң нөлінші, үшінші заңдары да
көрсетілген.
Үшінші тарау – химиялық және фазалық тепе-теңдіктер. Мұнда
термодинамиканың, көмегімен химиялық және фазалық тепе-теңдіктер
түсіндіріліп, химиялық тепе-теңдіктің заңдылығы, әр түрлі факторлардың тепе-
теңдікке тигізер әсерлері жазылған, Гибсс жасаған фазалар ережесі мен
термиялық талдау көрсетілген.
Төртінші тарауда – ертінділерге жалпы сипаттама беріліп, сұйытылған
ерітінділердің, қасиеттерін көрсететін заңдылықтар, газдың, қатты дененің,
сұйықтықтың сұйықтықта еру жағдайы, ерітінділердің, коллигативтік
қасиеттері жазылған.
Бесінші тарауда (Ионика) электролит ерітінділерінің ерекшеліктері
мен электролиттік диссоциация теориясы, әлсіз және күшті электролиттер
қасиеттері мен электрөткізгіштіктері, алтыншы тарауда – сулы ерітіндінің
иондық тепе-теңдіктері, сутектік және буферлік қоспалар қарастырылған.
Жетінші тарау – (Электродика) электрод пен ерітінді жанасу бетіндегі
электрохимиялық реакциялардың механизмі мен кинетикасын және электр
қозғаушы күштің пайда болуы мен оны анықтау тәсілдерін, электродтардың
түрлерін қарастырады.
Сегізінші тарау – Химиялық кинетика және катализ деп аталады. Онда
химиялық реакциялардың жылдамдықтарының әр түрлі факторларға тәуелділігі
түсіндірілген. Реакция түрлері мен олардың молекулалығы және реттілігі,
оларды анықтау жолдары, катализдің түрлері, оның ішінде ферменттілік
катализ де осы тарауда қарастырылды.
Кітаптағы сурет пен кестелердің реттік нөмірі екі цифрмен берілген,
алғашқысы – тараудың, ал екіншісі сол тараудың ішіндегі сурет пен кестенің
реттік нөмірін көрсетеді. Түсінікке оңай болу үшін формулалар тек бір
цифрмен ғана нөмірленді.
ФИЗИКАЛЫҚ ХИМИЯНЫҢ ДАМУЫНА ҚЫСҚАША ШОЛУ
Физикалық химия ғылыми пән ретінде алғаш рет XVIII ғасырдың орта
шенінде пайда болды. Оның негізін орыстың атақты ғалымы М. В. Ломоносов
(1711 -1765) қалады. Ол физикалық химияньң бағдарламасын жасап, одан
студенттерге аптасына 4 сағаттан дәріс берді (1751 ж.) және әр түрлі
тәжірибелер көрсетті. Оның “Нақтылы физикалық химияға кіріспе” деген
еңбегінде физикалық химияға мынадай анықтама берілген еді: “Физикалық химия-
физиканың тұжырымдары мен тәжірибелерінің негізінде аралас денелерде
химиялық түрлену кезінде болатын нәрселерді түсіндіретін ғылым”.
М. В. Ломоносовтан кейін 1860 ж. орыстың атақты ғалымдарының бірі Н.
Н. Бекетов (1825-1911) Харьков университетінде “Физикалық және химиялық
құбылыстардың өзара қарым-қатынастары” курсын оқып, оны 1865 жылы
“Физикалық химия” деп атады.
Н. Н. Бекетов алғаш рет металдардың тотықсыздандырғыштық қасиеттерін
тексеріп, алюминий мен магнийдің тотықсыздандырғыш қасиеттерінің жоғары
екенін көрсетті. Ол металдардьң химиялық активтілік қатарын анықтап, оны
“ығыстыру қатары” деп атады.
Кейінірек Ресейдің басқа да университеттерінде физикалық химия оқытыла
бастады: Казанда Ф. М. Флавицкий (1874 ж.), Юрьевте (қазіргі Тарту қаласы)
В. Оствальд (1880 ж.), Мәскеуде Н. А. Каблуков (1886 ж.) осы пәннен дәріс
берді. Ресейде физикалық химиядан алғашқы оқулықты 1876 ж. Н. Н. Любавин
(1845-1918) жазды, оған физикалық, химиядан сол кезде жинақталған
материалдар енді. Кейінірек (1904-1914) ол толықтырылып, “Техникалық химия”
деген атпен 6 томдық еңбек болып басылып шықты.
1887 ж. тұңғыш рет Лейпциг университетінің физикалық химия кафедрасы
ашылып, физикалық химиядан ғылыми журнал шыға бастады. Оларды ұйымдастырған
В. Оствальд болатын. Осы уақыттан бастан физикалық химия дербес ғылым және
оқу пәні ретінде қалыптасты.
Физикалық химияның әр түрлі тараулары дамып, көптеген мағлұматтар
жинақталды. Мысалы, газдардың адсорбциясы (1774 ж. Швецияда К. Шееле, 1774
ж. Францияда Ф. Фонтан), ертінділердің адсорбциясы (1785 ж. Ресейде Т. Е.
Ловиц), катализ туралы түсініктердің қалыптасуы және каталитикалық
реакциялардың ашылуы (XIX ғасырдың басында Англияда Г. Дэви және Л. Тенар,
Швецияда И. Берцелиус), гальваникалық элементтің ашылуы, электролиздің
ашылуы (XVIII ғасырдың аяғы XIX ғасырдың басы Италияда Л. Гальвани, А.
Вольта, Ресейде В, В. Гротгус, Англияда Г, Дэви, М. Фарадей), химиялық
реакциялардың жылуларын зерттеу (1779-1784 ж. Францияда А. Лавуазье, П.
Лаплас, 1836-1840 ж. Ресейде Г. Гесс), термодинамиканың бірінші, екінші
заңдарының ашылуы (XIX ғасырдың орта шенінде Германияда Р. Майер, Г.
Гельмгольц, Р. Клаузиус, Францияда С. Карно, Англияда Дж. Джоуль, В.
Томсон), химиялық тепе-теңдіктердің термодинамикасы (Норвегияда К. Гульберг
пен П. Вааге, АҚШ-та Гиббс) т.б. зерттелді.
Міне осылай XIX ғасырдың аяғына таман физикалық химияның негізгі үш
бөлімі: химиялық термодинамика, химиялық кинетика және электрхимия
қалыптасты.
Бүкіл химияның, оның ішінде физикалық химияның дамуында 1869 ж. Д. И.
Менделеевтің периодтық заңды ашуы ерекше маңызға ие болды. Ол
ерітінділердің “Сольваттық теориясын” жасап, сұйықтықтың қайнау кезіндегі
дағдарыс температурасын (1867) анықтады.
А. М. Бутлеров жасаған химиялық құрылыс теориясы да химиялық
байланыстар мен заттардың химиялық құрылысын түсіндіруде үлкен әсерін
тигізді.
Ресейде Д. В. Коновалов (1856-1929 ж.) “Ерітінділер буының
серпімділігі туралы” деген диссертациясында (1884 ж.) жасалған тұжырымдар
қазіргі кезде “Коновалов заңдары” деген атпен белгілі.
Ерітінділерді зерттеуде И.А.Каблуков (1857 - 1942 ж.) пен В.Ф.
Алексеевтің (1852 - 1918 ж.) еңбектерінің маңызы зор.
В.Ф. Лугинин (1834 - 19.11) Мәскеудегі университетте термохимиялық
лабораторияның негізін салса, Н.А. Шилов (1872 - 1930) тізбекті
реакциялардың кинетикасын зерттеді, ал Л.В.Писаржевский (1874 - 1934)
тотығу-тотықсыздану реакцияларының алғашқы қалаушылардың бірі болды.
ХIХ ғасырдың аяғы мен XX ғасырдың басындағы жалпы жаратылыстануда,
оның ішінде физикадағы табыстар физикалық химияның дамуына үлкен әсерін
тигізді.
Химиялық реакцияларды жүйелі түрде зерттеудің арқасында Я.Вант - Гофф
кинетикалық заңдылықтардың математикалық өрнегін жасады.
Н.А.Меншуткин химиялық реакциялардың кинетикасын зерттей отырып,
еріткіш табиғатының маңызын көрсетті. С.Аррениус химиялық реакция
жылдамдығының температураға байланыстылығын анықтап берді.
Сол кездерде сұйық ерітінділердің сандық теориясы жасала бастады.
1887ж. С. Аррениус электролиттердің ерітіндісін зерттей отырып,
“Электролиттік диссоциация теориясын” жасады, ал П.Дебай мен Э.Гюккельдің
еңбектерінде одан әрі дамытылып, күшті электролит ерітінділерінің теориясы
жасалды.
XIX ғасырда физикалық химия өте жылдам дамыды, яғни атомның құрылысын
ашу, кванттық теория, электроника мен электрондық есептеу машиналарын
пайдалану, жаңа тәсілдер ашу және бұрынғы белгілі тәжірибелік
тәсілдерді (рентгендік талдау, спектралдық, масс - спектрометрия,
электронография, магниттік және т. б.) жетілдіру себеп болды. Бұл
жаңалықтар нәтижесінде химиялық реакциялардың кинетикасы одан әрі дамып,
физикалық химияның жаңа салалары (заттың құрылыс туралы ілім, фотохимия,
радиациялық химия және т.б.) пайда бола бастады. XX ғасырдың орта шенінде
қайтымсыз процестердің термодинамикасы күшті дамыды.
Физикалық химияның, дамуына үлкен үлес қосқан атақты орыс ғалымдары
В.А. Кистяковский, Н.А. Изгарышев, А.Н. Фрумкин, Н.Н. Семенов, П.А.
Ребиндер және т.б. еңбектерін атап айтқан жөн.
Физикалық химияның Қазақстанда дамуына Қазақ мемлекеттік
университетінің, Қазақстан Республикасының Ұлттық Ғылым академиясының (ҚР
ҰҒА) ашылуы зор әсер етті.
Қазақ мемлекеттік университетіндегі химия факультетінде және ҚР ҰҒА
химия, катализ және электрохимия, металлургия және кен байыту
институттарында көптеген ғалымдар физикалық химия саласында үлкен
табыстарға жетті.
Академик М.И. Усанович ерітінділердің сандық теориясын қорыта келе
анамольды электр өткізгіштік кездейсоқ құбылыс емес, заңдылық екенін
анықтады. Оствальдтың сұйылту заңын кез келген ерітінділерге қолдану қате
екенін дәлелдеді. Қышқылдар мен негіздердің жалпы теориясын ұсынып,
химиялық реакция құрамы жағынан тепе-теңдік концентрациясына тәуелді болған
жағдайда ғана идеал ерітінділер заңына бағынатынын анықтады.
Академик Д.В.Сокольский катализаторлар активтігін, энергия мөлшерін,
реагент молекулаларының катализатор бетінде байланысу сипатын,
электрохимиялық потенциалды өлшеу арқылы катализатор бетіндегі барлық
өзгерістерді анықтау әдістерін тапты, гидрогендеу катализаторының
тиімділігін арттыру теориясын ұсынды.
Академик З.М. Молдахметов – конденсацияланған жүйелердің физика-
химиялық қасиеттерін тербелмелі спектроскопия, ядромагниттік резонанс,
молекулалық люминесценция әдістерімен зерттеп, түрлі сыртқы әсерлерге
байланысты молекулалардың ішкі магниттік әрекеттесуінің өзгерістерін
түсіндірді.
Академик М.Т. Козловский металдардың сынап фазасында өзара
әрекеттесуін электрохимиялық әдістермен зерттеу теориясын негіздеді, жаңа
ғылыми бағыт – амальгамалар химиясының практикалық және теориялық негізін
ұсынды.
Академик Е.А. Букетов халькогендер мен халькогенидтердің
термодинамикасын және кинетикасын зерттеу арқылы олардың химиялық және
технологиялық мәнін түсіндірді.
ҚР ҰҒА мүше-корреспонденті Б.А. Бірімжанов Қазақстан жеріндегі
сулардың тұз құрамын зерттеп, табиғи суларда тұздар түзілуінің физика-
химиялық негіздерін ашты.
ҚР ҰҒА мүше-корреспонденті Е.А. Мамбетказиев электродтық процестердің
кинетикасына орта әсерінің заңдылықтарын ашты.
Профессор Х.Қ. Оспанов жаңа термодинамикалық функцияны енгізудің
арқасында (орталық атомдық Гиббс энергиясы) алғашқы гетерогенді процестерде
(қатты заттар мен ерітінділердің арасында) термодинамика мен кинетика
заңдарының арасындағы байланысты тәжірибе арқылы дәлелдеді.
1992 ж. Жану процестерінің химиялық негіздерін іргелі зерттеу атты
ғылыми жұмыстарынң циклі үшін Қазақстан Республикасының Ғылым және техника
саласы бойынша Мемлекеттік сыйлықтың иегерлері болған, профессорлар Г.И.
Ксандопуло, Б.Я. Колесников, З.А. Мансуров, А.Ә. Сағындықовтар кәдімгі
жалындарда төменгі температуралық жалыналдындағы аймақтар болатынын
анықтады.
Олардың жасаған теориялық түсініктері жану процесін пайдаланатын
көмірсутектік шикізаттардың пиролизін иницирлеу, жалындарда мақсатты
өнімдерді синтездеу, газ және конденсирленген жүйелердегі жануды тежеу,
іштен жанатын двигательдердің жұмысын оңтайландыру, жер қойнауқабатындағы
жануды реттеу сияқты бірқатар жаңа технологияларды ұсынуға мүмкіндік берді.
Профессор Д.Қ. Қамысбаев комплекстүзілу процесінің термодинамикасын
жүйелі зерттеудің нәтижесінде ауыспалы металдардың комплекстерәінің
термодинамикалық сипаттамаларын анықтап, оларды талдау арқылы бірқатар
термодинамикалық шамаларды (реакция энтропиясының стандарттық өзгеруі
, тепе-теңдік константалары) есептеу әдістемелерінің дұрыс емес екенін
көрсетіп, оларды дұрыс есептеу әдістемесін берді.
Профессор А.С. Малалилов материя құрылысын зерттеу арқылы кванттық
теорияны одан әрі дамытты.
І-тарау
ЗАТТАРДЫҢ АГРЕГАТТЫҚ КҮЙЛЕРІ
1 Заттардың агрегаттық күйлерінің сипаттамасы
Заттар сыртқы ортаға байланысты (температура және қысым) төрт түрлі:
газ, сұйық, қатты және плазма агрегаттық күйде бола алады.
Физикалық және коллоидтық химия плазмалық күйді қарастырмайды. өйткені
плазмалық күйде зат молекулалары температурасы 5000 °С жоғары зарядталған
иондар және электрондар түзіп, диссоциацияланады. Бұл күйдегі заттардың
электрөткізгіштігі және соған байланысты басқа да қасиеттері өзгеше болады.
Заттың бір агрегаттық күйден екінші күйге ауысуы агрегаттық түрлену деп
аталады. Көптеген заттар белгілі бір температура мен қысымда бірден үш
күйде бола алады. Мысалы суды алып қарасақ, ол бу, сұйық және мұз күйінде
болады. 1.1-суретте су күйінің диаграммасы көрсетілген. Диаграммадағы
қисықтардан екі агрегаттық аймақтың шекарасын көреміз. ОА қисығы – мұз
бетіндегі қаныққан будың өзгеруін, ОВ қисығы сұйық су бетіндегі қаныққан
будың өзгеруін, ал ОС қисығы қысымға байланысты мұздың балқу (еру)
температурасының өзгеруін көрсетеді. Диаграммадағы О нүктесі үштік нүкте
деп аталады. Осы нүктеге сәйкес келетін жүйеде белгілі температура мен
қысымда бір уақытта әрі бу, әрі сұйық су, әрі мұз күйде болады.
Кейбір заттар тек бір, екі ғана күйге ұшырайды. Мысалы, нафталин, йод,
кшәндер қатты күйден бірден буға айналады. Мәселен, кальций карбонаты сұйық
күйінде де, газ күйінде де алынбайды. Өйткені ол қыздырғанда кальций оксиді
мен көміртек (IV) оксидіне ыдырайды. Крахмал, белокты да газ күйінде алуға
болмайды.
Заттардың осы үш күйі – олардың айырмашылығы, молекулаларының өзара
арақашықтығы мен әрекеттесу дәрежесіне байланысты болады. Газ күйіндегі
заттардың атомдары мен молекулалары бір-бірінен өте алшақта болатындықтан,
олардың молекулааралық күштері өте әлсіз. Газ күйіндегі заттар кез келген
көлемде бола алады. Сондықтан, оларды жоғары қысыммен қыса отырып, сұйық
немесе қатты күйге айналдыруға болады. Кейбір заттардың газ күйінде жеке
молекула емес, екі, үш бөлшектен тұратын жиынтық түрінде де болуы мүмкін.
Сұйық күйіндегі заттар молекулаларының әрекеттесу күші (газдарға
қарағанда) көбірек болады. Сондықтан, сұйықтық молекулалары бір-бірінен
тәуелсіз қозғалу қабілетін жоғалтып, бірінен-бірі өте қашықтықта болмайды.
Сұйық күйіндегі дене көлемі аз, тек өзінің пішінін ғана өзгертетін болады.
Сұйықтықтардың осындай қасиеті техникада көтергіш, тежегіш қондырғыларда
т.б. мақсаттар үшін жиі қолданылады.
Қатты денелерде атомдар, молекулалар немесе иондар арасы өте жақын және
олардың тебілу күштері тартылу күштерімен шамалас болады. Осы атомдар
(молекулар мен иондар) белгілі бір тәртіппен араласып кристалдық тор
түзеді.
Заттардың бір агрегаттық күйден екінші бір агрегаттық күйге ауысуы жүйе
энергиясының өзгеруімен жүреді. Мысалы, балқу, булану кездерінде жылу
сіңіріліп, ал конденсациялану және кристалдану кездерінде жылу бөлініп
шығатын болады. Қатты және сұйық жүйелерді заттардың конденсацияланған
күйлері дейді. Зат қатты күйден сұйық күйге ауысқанда, сұйық күйден газ
күйіне ауысуына қарағанда, энергия аз жұмсалады. Ендеше балқу жылуы оның
булану жылуынан әрқашанда аз болады.
2 ГАЗДАР
2.1 Газдардың заңдары
Газдар молекулаларының аралықтары тым алшақ орналасады да, тығыздығы
мен тұтқырлығы және молекулааралық күштері өте аз болады. Егер газ өте
сиретілсе, оның молекулааралық күші газ молекулаларының алатын көлемі сол
газдың алып тұрған келемінің үлесіне де жетпейді. Газдың осылай шексіз
сиретілген күйін идеал жағдай деп атайды. Идеал газ да газдардың заңдарына
бағынады. Ол заңдарды тәжірибе нәтижесінде Бойль-Мариотт, Гей-Люссак-Шарль
және Авогадро тұжырымдап берді. Енді осы заңдарды қарастырайық. Бойль-
Мариотт заңы бойынша тұрақты температурада берілген газ мөлшерінің көлемі
оның қысымына кері пропорционал болады. Егер берілген газдың Р1 және Р2
қысымындағы көлемдерін V1 және V2 деп белгілесек, онда:
Р1V1=Р2V2=К
(1)
мұндағы К-тұрақты шама.
Берілген газ мөлшерінің көлемі мен қысымының көбейтіндісі берілген
температурада тұрақты шама екені теңдеуден (1) айқын байқалады. Көлемнің
қысымға байланысты тәуелділігін 1.2-суреттен көре аламыз. Бұл қисықтар
идеал газдың изотермалары деп аталады.
Гей-Люссак пен Шарльдің заңы (1802 ж.) тұрақты қысымдағы идеал газдың
көлемі мен температурасы арасындағы байланысты көрсетеді. Егер газды
тұрақты қысымда қыздырса, онда температура бір градусқа артқан сайын газдың
көлемі (Vt) бастапқы 0°С температурасындағы көлемінен (V0)1 273,16-ға)
(≈1273-ке) көбейеді:
Vt = V0 + V0 ∙ t273
немесе
Vt = V0 ( 1 + t 273) = V0 Т
273 (2)
Мұндағы Т-Кельвин бойынша температура (Т = 273,16 + t°), ал t°- Цельсий
бойынша температура. Берілген газ мөлшері үшін V0 273 тұрақты шама, сол
себепті теңдеуді (2) былайша жазуға болады
Vt = КТ
(2а)
немесе
V 1 Т 1 = V 2 Т 2
(2ә)
Бұдан газ көлемінің абсолюттік температураға тура пропорционал
болатынын көреміз.
Тұрақты көлемде газдың қысымы температура бір градусқа көбейгенде 1273-
ке артқандықтан, мынадай теңдеу жазуға болады:
Р = Р0 (1 + t 273) =
Р0Т273 (3)
Сонымен Гей-Люссак және Шарль заңын былай тұжырымдай аламыз: тұрақты
қысымда температураны 1°-қа өзгертсе, берілген мөлшердегі газдың 0° С
температурасындағы көлемі 1273-ке өзгереді немесе тұрақты көлемде
температураны 1°-қа өзгертсе, берілген мөлшердегі газдың 0°С
температурасындағы қысымы 1273-ке өзгереді.
1.2-сурет. Идеал газдың 1.3-сурет. Идеал газдың
изобаралары. изотермалары.
Газ көлемі тұрақты болса, қысым да, көлем де абсолюттік температураға
тура пропорционал болады:
Р = КТ
(За)
Р1 Т = Р2 Т2 = К
(Зә)
Теңдеуді (2) 1.3-суреттегідей түзулер арқылы көрсететін болсақ, бұл
қисықтардың әрқайсысы тұрақты қысымға сәйкес келеді. Бұл қисықтар идеал
газдың изобаралары деп аталады. Газдардың үшінші заңын Авогадро ашқандықтан
(1811 ж.) Авогадро заңы деп аталады. Оны былай тұжырымдауға болады: бірдей
қысым мен бірдей температурадағы әр түрлі газдардың бірдей көлемдерінің
молекулалар саны да бірдей болады. 1 моль газдың көлемі 0°С температура
және 760 мм сынап бағанасындағы ғысымда - 1,01325· 105Нм2, V0=22,415 л, ал
газ құрамындағы молекулалардың саны Авогадро тұрақтысы деп аталады.
Авогадро заңы химияны дамытуда үлкен рөл атқарды. Сондай-ақ XVIII ғасырдың
ортасында М. В. Ломоносов тұжырымдаған атом-молекулалық ілімді мойындау
және атом мен молекуланың массаларының шамаларын есептеуде де Авогадро
санының маңызы зор.
2.2 Идеал газдар, олардың физикалық күйінің теңдеуі
Газдарға арналған идеал жағдай жоғарыда (2.1) баяндалды. Идеал
жағдайдағы газдарды идеал газдар деп атайды. Газдардың физикалық күйі үш
шамамен: температура (Т), қысым (Р) және көлеммен (V) сипатталады, ал
олардың арасындағы байланысты сол жоғарыда айтылған газдардың үш заңын
біріктіріп табуға болады. 0°С температурадағы және Р0 қысымдағы берілген
газ көлемін V0 деп белгілейік. Егер температура Т болса, онда газдың көлемі
- Vt ал қысымы Рt-ға дейін өзгереді. Газды бір күйден екінші күйге екі
түрлі жолмен ауыстыруға болады. Ең алдымен температурасын тұрақты етіп
(Т0), қысымды Р0-дан Рt-ға дейін өзгертсек, газдың көлемі V0 -ден V1 -ге
дейін өзгереді. Бойль-Мариотт заңы бойынша: Р0 V0 = Р1 V1.
Егер температураны Т0-ден Т-ға дейін өзгертіп, қысым тұрақты және
Р1болса, газдың көлемі V0-ден V1-ге дейін езгереді.
Гей-Люссак заңы бойынша: V0 Т0= V1 Т1. Осы теңдіктің оң жағы мен
сол жағын Р1-ге көбейтсек:
Р0 V0 Т0= Р1 V1 Т1; Р1 V1 = Р0 V0
екенін ескерсек, онда:
Р0 V0 Т0= Р1 V1 Т1.
Бұдан газдың кез келген күйі былай өрнектеледі:
Р V Т=r , Р V =r∙Т
(4)
Мұндағы r – газдың табиғаты мен мөлшеріне тәуелді тұрақты шама. Бұл
теңдеуді (4) Б. Э. Клайпеpoн 1834 ж. қорытып шығарады. Кейінірек Д. И.
Менделеев Клайперон теңдеуіндегі r-ді 1 моль газға сәйкес тұрақтысымен
ауыстырды: r = п R мұндағы п - газ мольдерінің саны. Сонда:
Р V = п RТ
(5)
Бұл теңдеуді (5) идeал газ күйінің mеңдеуі немесе Клайпeрон-Менделеев
теңдеуі деп аталады. Теңдеудегі (5) R-газдың табиғаты мен мөлшеріне
байланыссыз тұрақты шама. Ол газдың универсал тұрақтысы деп аталады. R-дің
сандық мәні қысым мен көлемнің өлшем бірліктеріне байланысты болады. Егер
қысым атмосферамен, ал көлем литрмен өлшенсе, онда:
R=рV Т=1∙22,414 273,16≈0,082 л. атмград∙моль
Егер қысым динсм, ал көлем см3 болса, онда.
R= Р V Т=76 ∙ 13,6 ∙ 0,81 ∙ 22,414273,16=8,313 ∙ 107эрг
град ∙ моль; 1 калорияның 4,18 ∙ 107 эрг екенін ескерсек:
R =8,313 ∙ 1074,18 ∙ 107=1,987 (немесе ≈ 2) кал (град∙моль) РVТ
өрнегі жұмыстың өлшемімен өлшенеді.
Олай болса, R деп отырғанымыз тұрақты қысымда температураны бір
градусқа арттырғандағы 1 моль идеал газдың ұлғаю жұмысы болып табылады, ол
өлшемдердің халықаралық жүйесінде (СИ) джоуль бойынша өрнектеледі:
R=8,313∙10 дж (град∙кмоль)
Менделеев-Клайперон теңдеуі газдарға байланысты әр түрлі есептеулерде
(мысалы, газдың массасы немесе газдың көлемін қалыпты жағдайға келтіру)
қолданылады.
Газдың массасын табу үшін теңдеудегі (5) п мынадай етіп жазылады:
п = mМ
мұнда т - газдың мөлшері, М-газдың бір молінің массасы.
Сонда РV = mRТМ, бұдан:
М = тRТРV
(6)
Теңдеу (6) бойынша берілген газдың массасын есептеп табуға болады.
Алайда массасын анықтайтын зат газ күйіне ауысқанда диссоциацияланбауын
(ыдырамауын) ескеру керек. Мысалы, фосфор (V) хлоридін қыздырғанда, ол
фосфор (Ш) хлориді мен хлорға ыдырайды.
Сондықтан формула (6) бойынша фосфор (V) хлоридінің массасы
анықталмайды.
Ал газдардың көлемін қалыпты жағдайға келтіруде мынадай формулалар
пайдаланылады:
Р0 V0 273=Р1 V1 Т1
Бұдан V0 = Р1 V1 ∙ 273 Т1 Р0
(7)
Идеал газ күйінің теңдеуін тек жеке газ емес, газдардың қоспасына да
қолдануға болады. Әрине ондағы газдар өзара әрекеттеспеуі керек.
Дальтонның заңы (1807) бойынша газдар қоспасының жалпы қысымы олардың
әрқайсысының үлестік қысымдарының қосындысына тең:
Р= Р1+ Р2+
Р3+...+ Рi (8)
Мұндағы Р-газ қоспасының жалпы қысымы, ал Р1; Р2; Р3 ;... Рi – қоспадағы
құрамдас бөліктердің үлестік қысымдары. Егер газ қоспасы әр түрлі құрамдас
бөліктердің п1,п2,п3... пі молінен тұратын болса, онда молдердің жалпы саны
(п) мынаған тең: п = п1 + п2 + п3 + пі. Газ қоспасының жалпы көлемі V, ал
температурасы Т болса, ол қоспадағы құрамдас бөліктердің үлестік қысымдарын
былай жазуға болады:
Р1= п1 RТ V; Р2= п2 RТ V;...
Рi = пі RТ V (8а)
(8а) өрнектерді (8) теңдеуге қойсақ:
Р=(пі+п2+п3 + ... пі) ∙RТ
V=п∙RТ V (8б)
(8а) өрнектерінің бірін (8б) теңдеуіне бөліп, газ қоспасының жалпы
қысымы мен оның бір құрамдас бөлігінің (і) үлестік қысымдарының арасындағы
қатынасты білуге болады:
Рi=пI п∙Р немесе
Рi=NI Р, (9)
Мұндағы Ni газ қоспасындағы берілген і құрамдас бөліктің мольдік үлесі.
2.3 Газдардың кинетикалық теориясы
Газ заңдарының негізі болған молекулалық-кинетикалық теория (ілім)
ХVІІІ ғасырдың ортасында тұжырымдалды. Оның негізгі қағидалары мыналар:
1. Кез келген газ бірдей шар тәрізді серпімді молекулалардан тұрады. Ол
молекулалардың шамасы молекулааралық қашықтықтан өте аз болғандықтан,
оларды материалдық нүкте ретінде қарастыруға болады.
2. Молекулалар үздіксіз ретсіз қозғалыста болады. Бір молекула әр түрлі
уақытта әр түрлі жылдамдық көрсетіп, оның жылжу бағыты да өзгеріп отырады.
3. Молекулалардың бір-біріне деген әсері өте әлсіз, оны ескермесе де
болады, олар өзара қақтығысқанда ғана бір-біріне әсер етеді:
4. Қақтығысқан молекулалардың жалпы энергиясы өзгермейді, өйткені
ол серпімді шарлардың соқтығысу заңына бағынады.
Газдардың кинетикалық ілімінің негізгі теңдеуі таздар молекулаларының
қозғалысын зерттеудің нәтижесінде қорытылды:
РV=13∙Nа∙m ˉu2 (10)
Теңдеудегі (10) шамалар бізге бұрыннан белгілі. Ал ˉu - молекулалардың
орташа квадраттық жылдамдығы. Ол әрбір молекулалар жылдамдықтарының
квадраттарының орташа мәнінің түбіріне тең:
Теңдеуден (10) идеал газ заңдарын қорытуға болады және бұл теңдеуден әр
түрлі салдар шығады. Теңдеудегі (10) РV өрнегін оған тең RТ-ге ауыстырып
және ти 22 өрнегін оң жаққа шығарып жазсақ:
RТ=2 3N0 ∙ти 22
(12) болады.
Теңдеудегі (12) ти 22 өрнегін деп белгілейік, ол-молекулалардың
ілгерілемелі қозғалысының орташа квадраттық энергиясы. Олай болса, теңдеуді
(12) былай жазуға болады:
=32 ·R ·TNА= 32
·RТ (13)
Мұндағы К=RN0, ол Больцман тұрақтысы деп аталады. Больцман
тұрақтысының сандық мәні мынаған тең:
К=RN0=8,3146,02·1023=10-23 (джоульград) Теңдеу (13) газ молекулалары
кинетикалық энергиясының абсолюттік энергияға тура пропорционал екенін
көрсетеді. Олай болса, бірдей температурадағы газдардың орташа
кинетикалық энергиясы бірдей болады.
Молекулалық-кинетикалық ілім бойынша абсолюттік нөл температурасы (Т0)
дегеніміз молекулалардың орташа кинетикалық энергиясының нөлге тең болатын
температурасы болып шығады.
Егер газдың мөлшері 1 моль болса, онда оның кинетикалық энергиясы
·NА болады. Оны Е деп белгілесек ·NА=Е
Е=32 ·RТ
(14)
Молекулалардың қозғалу жылдамдықтары олардың массаларына, температураға
байланысты.
Егер екі түрлі газдың бірдей температура және қысымдағы бірдей көлемін
алып қарастырсақ, онда:
немесе
(15)
теңдеуден (15) немесе
(16)
Сонымен екі түрлі газдың қозғалу жылдамдықтарының қатынасы олардың
массалар қатынастарының түбіріне кері продорционал болады.
Тұрақты қысымда екі түрлі температура (Т1 және Т2) үшін теңдеуді (10)
былай жазуға болады:
Т1 үшін: 13 ∙N ∙ mu12 =RТ1
(17)
Т2 үшін: 13 ∙N ∙ mu22=RТ2
(18)
теңдеуді (17) теңдеуге (18) бөліп жазсақ:
немесе
(19)
Теңдеуден (19) газдардың қозғалуының орташа жылдамдықтары абсолюттік
температураның түбіріне тура пропорционал екенін көруге болады.
Теңдеуді (10) пайдаланып әр түрлі температурадағы газ молекулаларының
орташа жылдамдығын есептеп, газдың молекулалық массасын табуға болады:
немесе
(20)
0°С температурасында молекулалардың орташа квадраттық жылдамдығы сутек
үшін 1840, азот үшін 493, ал оттек үшін 461 мсек болады. Бұдан газ
молекулалары жылдамдықтарының үлкен шама екенін көреміз. Алайда газдардағы
диффузияны зерттеу газдардың таралу жылдамдықтарының аз екенін көрсетті.
Оның себебі газ молекулалары бір бағытта емес, бейберекет қозғалатын
болғандықтан олар өзара соқтығысып, өздерінің бастапқы жағдайынан онша
қашықтамайды.
Молекулалар бейберекет қозғалатындықтан, ондағы жеке молекуланың
жылдамдығы мен энергиясын табу мүмкін емес. Сондықтан молекулалардың орташа
жылдамдығы, орташа энергиясы деген ұғымдар пайдаланылады. Соның нәтижесінде
ықтималдылық теорияны қолданып, молекулалардың жылдамдығы мен энергиясы
бойынша таралу заңдылықтарын қарастыруға мүмкіндік туады. Газдардың
жылдамдықтары бойынша таралу заңын Д.К. Максвелл 1860 жылы ашқан болатын.
Мына кестедеде оттек молекулаларының қозғалу жылдамдықтары бойынша
таралуы көрсетілген.
1.1-кесте 0°С температурасында оттек молекулаларының жылдамдықтары бойынша
таралуы
жылдамдық берілген жылдамдық шектері,берілген
шектері, мс жылдамдықтары мс жылдамдықтары
бар молекулалар бар молекулалар
үлесі, % үлесі, %
100-ден кем 1,4 400 -ден 500-ге 20,3
100-200 8,1 500-600 15,1
200-300 16,7 600-700 9,2
300-400 21,5 700-800 7,7
Кесте мәліметтері бойынша барлық молекулалардың жартысына жуығы белгілі
бір орташа жылдамдық (300 – 500 мсек) көрсетеді екен.
Молекулалардың жылдамдық бойынша таралуы 1.4-суретте график түрінде
көрсетілген. Ордината өсінде молекулалар саны (пайыздық түрде), ал абсцисса
өсінде сол молекулалардың жылдамдықтары мсек бойынша салынған.
Графиктен кез келген температурада молекулалардың белгілі бір бөлігінің
ғана басқа молекулаларға қарағанда жоғарырақ белгілі бір жылдамдығы және
кинетикалық энергиясы болатынын көреміз.
Графиктегі максимумге сәйкес келетін жылдамдық ықтималдылығы көп
жылдамдық деп аталады. Берілген жағдайда ондай жылдамдықты молекулалардың
көп белігінен көре аламыз. Оттек үшін ондай жылдамдық 0°С температурасында
376 мсекқа тең. Температура артқан сайын максимум жылдамдықтың жоғары
жағына (оңға қарай) ығысады және молекулалардың жылдамдық бойынша таралуы
тек температураға байланысты екен. Сонымен Максвелл жасаған молекулалардың
жылдамдық бойынша таралу заңын былайша тұжырымдауға болады: барлық
молекулалар бірдей жылдамдықпен қозғалмайды, температура артқан сайын
ықтималдылығы көп жылдамдық өседі.
Физикалық химияда Л. Больцман көрсеткен молекулалардың энергия бойынша
таралу заңының да маңызы өте зор. Ол заң берілген молекулалар саны және
олардың энергиясының арасындағы байланысты көрсетеді. Бұл заң бойынша тепе-
теңдік жүйедегі энергиясы Е және одан көп молекулалардың үлесі Больцман
факторына тең:
NεN=е-εКт немесе Мε=М · е-εКт
(21)
Мұндағы Nε - энергиясы Е және одан да көп молекулалардың саны, N –
молекулалардың жалпы саны, К-Больцман тұрақтысы.
Теңдеудің (21) алымын да, белімін де Авогадро санына көбейткенде:
М ε =М ∙ е- ε RТ
(22)
Мұндағы Е=Nа∙ε – бір моль газдың кинетикалық энергиясы. R – ол газдың
универсал тұрақтысы.
Реакция кезінде химиялық әрекеттесу кез келген соқтығысқан молекулалар
емес, энергиясы Е және одан да көп молекулалар соұқтығысқанда ғана жүреді.
Ондай молекулаларды активті (белсенді) молекулалар, ал теңдеудегі (22) Е-ні
химиялық реакцияның активтену энергиясы деп атайды.
2.4 Реал газдар
Әр түрлі газдарды тәжірибе арқылы зерттеулерден алынған мәліметтер
идеал газдардың заңдарынан ауытқитынын көрсетті. Мысалы кез келген газ үшін
Бойль-Мариотт заңы бойынша көлем мен қысымның көбейтіндісі берілген
температурада тұрақты болуы керек. (РV = К). Алайда азот үшін Р = 1 атм
болғанда, РV = 100 болса, Р = 430, 86 атм болғанда, Р = 125,96 болады екен,
яғни көлем мен қысымның көбейтіндісі тұрақты емес екен. Реал газдардың
(ауаның) Бойль-Мариотт заңынан ауытқуын Ломоносов та көрсеткен болатын.
Тәжірибе жүзінде бұл мәселені Д. М. Менделеев пен А. В. Реньо да
қарастырды.
Жоғарыда айтылған ауытқулар неғұрлым температура төмен болған
жағдайларда, ал қысым артқан сайын ол соғұрлым күштірек болады. Реал
газдардың идеал газдар заңынан ауытқулары екі түрлі себептермен болады:
реал газдарда молекулалардың арасында тартылу және тебілу күштері жүне реал
газдар молекулаларының меншікті көлемі болады.
Молекулалардың өзара тартылуының нәтижесінде олардың арақашықтықтары
азайып, газдың көлемі кемиді. Сол Ван-дер-Ваальс күшінің әсерінен болатын
қысым ішкі қысым деп аталады. Ол тығыздықтың квадратына тура
пропорционал болады, яғни: Р=аd, мұндағы а – берілген газ үшін тұрақты
шама. Газдың тығыздығы оның меншікті көлеміне кері пропорционал: d=1 υ;
ендеше Р=а υ2. Мұндағы υ – газдың меншікті көлемі. Сөйтіп біз газдың реал
күйінің теңдеуін былай жаза аламыз:
(Р+а υ 2)( υ -в)=пRТ
(23)
Бұл теңдеуді (23) Ван-дер-Ваальс теңдеуі деп атайды, мұндағы в-
молекуланың көлеміне байланысты тұрақты шама, ол молекуланың меншікті
көлемінен шамамен алғанда төрт есе аз, ол қысылмайтын көлем деп аталады.
Төмендегі кестеде кейбір газдар үшін а мен в -ның мәндері берілген:
1.2-кесте. Кейбір газдар үшін а және в коэффициенттерінің мәндері
ГАЗ а м3моль м3моль ГАЗ а м3моль м3моль
Не 25,5 ∙ 10823,9 ∙ О2 1390 ∙ 108 31,9 ∙
10-6 10-6
Н2 248 ∙ 108 26,7 ∙ CO2 3660 ∙ 108 42,8 ∙
10-6 10-6
N2 1368 ∙ 10838,6 ∙ Cl2 6585 ∙ 108 56,210 ∙
10-6 10-6
CO 1480 ∙ 10839,6 ∙ H2O 5521 ∙ 108 30,410 ∙
10-6 10-6
Бұл кестеден а мен в-ның мәндері әр түрлі газдар үшін олардың полярлығы
мен массаларына байланысты көбірек өзгеретіні байқалады.
Газдардың тығыздығы азайған сайын реал газ күйінің теңдеуі идеал газ
күйінің теңдеуіне жуықтай түседі.
Егер қысымды жоғарылатып, температураны төмендетсе, газдар сұйық күйге
көшеді. 1823 жылы М. Фарадей хлор, аммиак сияқты газдарды қысу және
салқындату арқылы сұйыққа айналдырады. Алайда ол кейбір газдарды, атап
айтқанда, сутек, оттек, көміртек (II) оксиді азот сияқты газдарды сұйылта
алмады. Сондықтан ондай газдар (сұйықтыққа айналдырылмайтын
болғандықтан), “тұрақты” газдар деп аталды. 1860 жылы Д. И. Менделеев,
кейінірек 1869 жылы Т. Эндрьюс кез келген газдың шектік температурасы
болатынын, одан кейін қандай бір үлкен қысым болса да оның сұйылмайтынын
айтты. Ол температураны Д. И. Менделеев абсолюттік қайнау температурасы
десе, Т. Эндрьюс кризистік (дағдарыстық) температура деп атады. Дағдарыстық
температурадағы газдың сұйылтатын қысым дағдарыстық қысым, ал оған сәйкес
көлем дағдарыстық көлем деп аталады.
Дағдарыстық температура, дағдарыстық қысым және оларға сәйкес
дағдарыстық көлем жағдайларындағы газды-газдың дағдарыстық жағдайы деп
атайды.
Кейбір газдардың дағдарыстық константалары 1.3-кестеде көрсетілген:
1.3-кесте
зат температура қысым, нм3 Көлем, л
Ш -239,9 12,97∙105 0,064
N2 -127 33,93∙105 0,090
О2 -118,8 50,35∙105 0,078
СО2 -31,3 73,85∙105 0,094
H2O -374,2 0,056∙105 0,056
Не -267,9 2,7∙105 0,057
1.5-суретте тұрақты температурадағы реал газдың көлемі мен қысымының
өзара қисық реал байланысы көрсетілген. Бұл байланысты көрсететін қисықтар
реал газ күйінің изотермалары деп аталады.
0°С температурасы сәйкес келетін изотерма газды қысқан сайын өз көлемін
азаятынын көрсетеді. Көлем мен қысымның мәндері а-ға жеткенде көлемді әрі
азайту в нүктесіне дейін газдың қысымын өзгертпейді. Әрі қарай көлемнің
аздап өзгеруінің өзі-ақ қысымды күрт арттырып жібереді. Басқа изотермада да
осындай заңдылықтар байқалады, тек температура артқан сайын қысымның
горизонтальдік бөлігінің ұзындығы қысқара береді, яғни ав→а'в'→а"в" деп, 31
0С температурасында тек бір нүкте (К) болып, ал одан жоғары
температураларда изотерманыңгоризонтальдік бөлігі болмайды. 1.5-суреттегі
изотермалар С(ІV) оксидінің қысылу кезіндегі тәжірибелік мәліметтер бойынша
салынған.
Осы зерттеулер а, а', а" нүктелеріне сәйкес келетін қысым мен көлeмде
газдың конденсациясының басталатынын көрсетті.
Конденсациялау процесі кезінде көлем азаяды, ал көлемнің нүктелеріне
сәйкес келетін сұйықтық қаныққан сұйықтық деп аталады.
1.5-суреттегі К нүктесін дағдарыстық нүкте деп атайды. Осы нүктеге
сәйкес келетін қысым мен көлемнің де дағдарыстық қысым (РК) және
дағдарыстық көлем (VK) болатыны жоғарыда баяндалды. Газдардың(РК) және (VК)-
сын анықтаудың жанама жолдарының бірі Кальте мен Матиас ұсынған түзу
сызықты диаметр ережесіне негізделген. Ол ереже бойынша сұйықтық пен оның
қаныққан буы бір-біріне байланысты болады:
ˉd =( d с+ dδ) 2 = а-вт
(24)
Мұндағы d – орташа тығыздық: d с мен dδ сұйықтық пен оның қаныққан буының
тығыздығы, а мен в -тұрақты шамалар.
Тәжірибе арқылы әр түрлі температурада d с мен dδ мәндерін анықтап
алып d мен Т арасындағы тәуелділікті график түрінде салады. Температура
артқан сайын сұйықтықтың тығыздығы кемиді де, оның буының тығыздығы артады,
ал Тк температурасында олар өзара теңеседі. Сұйықтық пен будың орташа
тығыздығын сипаттайтын барлық нүктелер Тк температурасына сәйкес келетін ОТ
нүктесі арқылы өтетін түзудің (түзу сызықты диаметр) бойында жатады. Осы
түзу сызықты диаметрдің ордината өсімен түзетін кесіндісі сандық тығыздыққа
сәйкес келеді. Олай болса, дағдарыстық көлемді былайша табуға болады. υК=М
dк, Мұндағы М-газдың молекулалық массасы.
Дағдарыстық температураны білудің маңызы өте зор. Д. И. Менделеев
кейбір газдардың сұйылмауының себебін оларды сұйылту кезіндегі
тәжірибелерде газдардың абсолюттік қайнау температурасынан жоғары
температурада жүргізілуінен деп түсіндірді. Егер тәжірибелер ол
температурадан төменгі температураларда жүрсе, газдарды сұйылтуға болады
деп көрсетті.
Шындығында кейінгі зерттеулер Менделеев пікірінің дұрыстығын дәлелдеді.
Кейін оттек, азот, сутек сияқты тұрақты газдар да сұйық күйінде алынды.
1895 жылы ауаны сұйылтатын алғашқы қондырғы іске қосылды. Соңғы
кездерде сұйылтылған газдар өндірісте кең қолданыла бастады. Сұйық оттек
қопарғыш заттар алу үшін, авиация, металлургия т.б. өндірістерде, ал сұйық
ауа лабораторияларда төменгі (-180°С-қа дейінгі) температуралар алу үшін
қолданылады. Хлор, аммиак сияқты газдарды сұйық күйінде болаттан жасалған
баллондарда сақтап тасымалдайды.
3. Сұйықтықтар
3.1 Сұйық күйіндегі заттардың жалпы сипаттамасы
Сұйықтықтардың кейбір қасиеттері газдардың, ал кейбір қасиеттері қатты
денелердің қасиеттеріне ұқсас. Төменгі температураларда сұйықтық қасиеттері
қатты дене қасиеттеріне жақындаса, жоғары температураларда (әсіресе,
дағдарыстық температураларда) газдардың қасиеттеріне жуықтай түседі.
Дағдарыстық температурада сұйықтықтың газға айналу процесі, сондай-ақ кері
процесс те болады.
Көптеген уақыт бойы сұйықтықты бейберекет орналасып қозғалатын
молекулалардан тұрады деп есептеген. Алайда кейінгі кездегі ізденістер
олардың ішкі құрылымының газ емес, тіпті қатты дененің ішкі құрылымынан да
күрделірек екенін көрсетті.
Газдарға қарағанда сұйықтықтардың тығыздығы көбірек және мольдік
көлемдері азырақ болады. Мысалы, судын көлемін 1%-ға азайту үшін оған 200
атм (203-10 нм' қысым жұмсау керек, ал газдың көлемін 1%-ға азайту үшін
көрсетілген қысымнан 20000 есе аз қысым жеткілікті. Бұдан сұйықтықтың өте
аз сығылатынын байқаймыз. Қысым артқан сайын сұйықтықтың сығылуы бұрынғыдан
да қиындай түседі. Көптеген сұйықтықтардың мольдік көлемі аддитивтік шама,
яғни топтасқан атомдық көлемдердің қосындысына тең. Мысалы, гексанның С6Н14
мольдік көлемі көмірсутектің С алты атомдық және сутектің он төрт атомдық
көлемдерінің қосындысына тең. Сұйықтықтардың мольдік рефракциясы да -
аддитивтік шама:
(25)
Мұндағы М-молекулалық масса: d-сұйықтықтың тығыздығы: VM -мольдік көлем; n-
сыну көрсеткіші; Д индексі п-нің (натрийдің) Д сызығына (сары сызық) сәйкес
келетінін көрсетеді.
Сыну көрсеткіштерін тәжірибе нәтижесі бойынша есептеген мәліметтерден
күрделі органикалық молекулалардың құрылымы туралы біраз мәселелер
түсіндіріледі. Мысалы, сыну көрсеткішін өлшеу арқылы май, сыра, арақ-
шараптардың сапасын білуге, қан, асқазан шырындарын талдауға болады.
Сұйықтықтардың сығылуының өте аз болуы олардың ішкі қысымдарының көп
болуына байланысты. Сұйықтықтың ішкі қысымдарын өлшеуге болмайды, оларды
сұйықтықтардың сығылу көрсеткіштерін біле отырып есептеуге болады. Кейбір
сұйықтықтардың ішкі қысымдары мынадай: ... 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