Текст выступления:

Электртерістілік және байланыстың полюстілігі
1. Электртерістілік және байланыстың полюстілігі: Тақырыптық шолу

Химиялық байланыстағы электртерістіліктің мәні мен полюстіліктің маңыздылығын қарастырамыз. Бұл тақырып химия ғылымының негізгі қағидаларын ашып, молекулалардың құрылымы мен олардың реакцияға түсетін қасиеттерін терең түсінуге мүмкіндік береді. Электртерістілік пен полюстілік ұғымдары элементтердің аралығында пайда болатын күштердің сипатын анықтап, құбылыстарды сипаттауда шешуші рөл атқарады.

2. Электртерістіліктің пайда болуы және оның химиядағы орны

XIX ғасырда химиялық элементтердің өзіндік қасиеттері мен байланыстары туралы ілімнің дамуы барысында «электртерістілік» ұғымы пайда болды. Алайда, бұл түсінік нақты ғылыми негізге Лайнус Полингтің 1932 жылғы еңбегінде қойылды. Ол электртерістілікті элементтердің электрондарды тарту қабілетін өлшеу тәсілі ретінде дамытып, химиялық реакциялардың механизмін түсінуде маңызды құралға айналдырды. Бұның арқасында химия саласында молекулалардың түзілетін құрылымын болжау және реакция сапасын бағалау мүмкін болды. Бұл ұғым заманауи химияның функционалдық негіздерін құрайды.

3. Электртерістіліктің негіздері

Электртерістілік дегеніміз — атомның химиялық байланыстың электрондарын тарту күші, бұл шама элементтердің қасиеттерін салыстыруға мүмкіндік береді. Осы шама негізінде химиялық элементтердің электронды қабаттарының арасындағы өзара әрекеттесуді анықталады. Осы бағытта Полинг шкаласы және басқа да өлшеу әдістері пайда болды, олар химиялық реакциялардың табиғатын толық ашуға көмектеседі. Электртерістіліктің молекулалық деңгейде маңыздылығы — оның құрылымды, байланыс түрін, сондай-ақ полюстілікті анықтауда тікелей әсер етуінде көрінеді. Бұл қасиет реакция механизмдерін болжауда, қосылыстарды синтездеуде, сондай-ақ материалдардың физико-химиялық қасиеттерін зерттеуде маңызды.

4. Электртерістіліктің периодтық жүйедегі қалыптасуы

Электртерістілік периодтық жүйеде атомдардың электрон тарту қабілетінің өзгерісімен тығыз байланысты. Алғашында бұл құбылыс белгілі бір дәрежеде түсініксіз болғанымен, жүйенің зерттелуінің нәтижесінде элементтердің период бойымен оңнан солға қарай электртерістілікті жоғарылататыны анықталды. Бұл өзгеріс атомдық радиустың өзгерісімен және ядроның ауырлық деңгейімен байланысты. Электртерістіліктің жоғары деңгейі әсіресе оң жақ жоғарғы бұрыштағы, соның ішінде фтор мен оттегі сияқты элементтерде байқалады. Бұл процесс химиялық элементтердің реакцияға қабілеттілігі мен байланыс ерекшеліктерін түсінуге жаңа көзқарастар әкелді.

5. Электртерістілік мәндерінің диаграммасы (Паулинг шкаласы)

Диаграмма негізгі химиялық элементтердің электртерістілік деңгейлерін салыстырады, бұл оларды реакция қабілеті мен молекулалық байланыстарда электронды тарту қасиеті бойынша орналастыруға мүмкіндік береді. Мысалы, фтор ең жоғары деңгейде екенін көрсетеді, бұл оның өте реактивті екенін және полюстік байланыстардың қалыптасуында ерекше рөл атқаратынын дәлелдейді. Осы мәліметтер химиялық реакциялар мен қосылыстардың қасиеттерін болжауда маңызды ақпарат болып табылады. Полинг шкаласына негізделген дәл осындай деректер химия саласындағы ғылыми зерттеулер мен практикалық қосымшаларға негіз болады.

6. Электртерістілік пен атом радиусының өзара байланысы

Атом радиусы азайған сайын ядроның электрондарды тарту күші артып, электртерістілік деңгейі жоғарылайды. Бұл тенденция периодтық жүйеде оңға қарай қозғалған сайын байқалады, себебі электрон қабаттарының саны тұрақты, ал ядроның заряды ұлғаяды. Алайда, топ бойымен жоғарыдан төменге төмендегенде керісінше — радиус ұлғайып, электртерістілік төмендейді. Бұл заңдылықтар химиялық элементтердің реактивтілігі мен байланыс қасиеттерін түсіндіруге мүмкіндік береді, және периодтық жүйеде орналасуына тәуелді ретінде олардың мінез-құлқын көрсетеді.

7. Электртерістілік және атом құрылысының ықпалы

Ядроның жарық зарядтарының саны артқан сайын электрондарды тарту күші жоғарылайды, осылайша химиялық элементтердің электртерістілік сипаттамалары өзгереді. Электрондық қабаттардың санының азаюы немесе көбейуі де осы тарту күшіне әсер етеді, өйткені электрондар арасындағы өзара әсерлердің балансы сәйкес өзгереді. Бұл факторлар молекулалардың байланыс полюстілігін анықтап, реакция механизмі мен энергиясын алдын ала бағалауға мүмкіндік береді.

8. Байланыстың полюстілігі дегеніміз не?

Полюстік байланыс — электртерістіліктің айырмашылығынан туындаған электрондық бұлттың бір атомға көбірек шоғырлануынан пайда болатын байланыс. Электрондардың тең бөлінбеуінен молекуланың ішінде зарядтардың арасында асимметрия пайда болады, бұл молекуланың физикалық және химиялық қасиеттеріне тікелей әсер етеді. Полюстілік молекулалардың реакцияға қабілеттілігін арттырып, олардың ерігіштігі мен өзара әрекеттесуін өзгертеді. Мұндай молекулаларда электрлік зарядтардың бөлінуі әсерінен ерекше қасиеттер дамитынын атап өткен жөн.

9. Полюстік және полюстік емес байланыстардың ерекшеліктері

Полюстік байланыстарда электрондар атомдар арасында тең бөлінбейді және айқын заряд ығысуы байқалады. Мысалы, судың (H2O) молекуласында оттегі атомы сутегіден әлдеқайда жоғары электртерістілікке ие және электрондық бұлттың көп бөлігі оттегінің жанында шоғырланады. Бұл полюстік байланыстың болуын дәлелдейді және оның химиялық мінезін анықтайды. Керісінше, полюстік емес байланыстарда, мысалы, оттегі (O2) және азот (N2) молекулаларында, электрондар екі атом арасында тең бөлініп, заряд бөлінуі болмайды, осыған сәйкес олардың физикалық қасиеттері өзгереді, және олар салыстырмалы түрде химиялық тұрғыдан тұрақты болады.

10. Электртерістілік айырмашылығына сәйкес байланыс түрлері

Байланыс түрлерін анықтауда электртерістіліктің айырмашылығы – шешуші фактор. Төмен айырмашылыққа ие элементтер арасында ковалентті полюстік емес байланыс қалыптасады. Орташа айырмашылық кезінде ковалентті полюстік байланыс пайда болады, ал үлкен айырмашылық иондық байланыстың негізін құрайды. Бұл айырмашылықтар кестеде нақты көрініс тауып, молекулалардың құрылымында, физикалық және химиялық қасиеттерінде әртүрлі байланыстардың қалыптасу заңдылықтарын түсінуге мүмкіндік береді. Осылайша электртерістілік – химиялық байланыстың табиғатын бағалауда маңызды көрсеткіш.

11. Электртерістілікке қарай байланыс классификациясы

Электртерістілік шкаласының көмегімен байланыстарды үш негізгі категорияға бөлуге болады: полюстік емес ковалентті, полюстік ковалентті және иондық байланыс. Алдымен, элементтер арасындағы электртерістілік айырмашылығы анықталады. Егер айырмашылық аз болса, онда байланыс полюстік емес болып табылады. Орташа айырмашылық болса, полюстік байланыс пайда болады, ал үлкен айырмашылық иондық байланысқа нұсқайды. Бұл классификация химиялық қосылыстардың құрылымын, тұрақтылығын және реакцияға бейімділігін түсінуде маңызды болып табылады.

12. Судың молекуласындағы полюстік байланыс мысалы

Су молекуласын қарастырғанда, оттегінің электртерістілігі сутегіге қарағанда едәуір жоғары екені анықталады. Бұл электрондық бұлттың өзге атомнан оттегіге қарай ығысуына әкеледі, нәтижесінде молекула ішінде оң және теріс зарядтардың орталықтары пайда болады. Осы полюстік байланыс судың ерекше химиялық және физикалық қасиеттерін, оның жоғары ерігіштігін, жоғары қайнау және балқу температураларын түсіндіреді. Су молекуласы күшті диполь ретінде көптеген биологиялық және химиялық процестердің негізін құрайды.

13. Электртерістіліктің химиялық реакцияларға әсері

Жоғары электртерістілігі бар атомдар электрондарды белсенді тартатындықтан, әдетте олар тотықтырғыш ретінде әрекет етеді және реакцияларда ерекше белсенділік көрсетеді. Электртерістілік айырмашылығы химиялық реакцияның бағытын анықтап, қосылыстардың түзілуі мен үзілуін жеңілдетеді немесе қиындатады. Бұл қасиет химиялық байланыстардың беріктігі мен тұрақтылығын анықтап, реакция механизмдерін болжауда негіз бола алады, осылайша химиялық синтез және материалтанудағы жаңа мүмкіндіктерді ашады.

14. Элементтердің электртерістілік мәндерінің салыстырмалы кестесі

Кесте негізгі химиялық элементтердің электртерістілік мәндерін салыстыруға мүмкіндік береді, оның негізінде молекулалардың құрылымы мен химиялық реакцияларға қатысу ерекшеліктерін болжауға болады. Жоғары электртерістілік мәндері электронондарды күшті өзіне тартады, әсіресе галогендер және кейбір оттегі тобы элементтерінде байқалады. Ал төмен электртерістілік шамалары сілтілік металдарға тән және олар химиялық тұрғыдан белсенділігі жөнінен ерекшеленеді. Бұл салыстыру химиялық элементтердің өзара әрекеттесуінің жалпы заңдылықтарын түсіндіруге көмектеседі.

15. Полюстілік молекула қасиеттеріне қалай әсер етеді?

Полюсті молекулалар суда жақсы ериді, себебі олардың дипольдік әсерлері иондық және басқа полюсті қосылыстармен өзара әрекеттесуді арттырады. Бұған қоса, полюстілік молекулалардың қайнау және балқу температураларының жоғары болуына ықпал етеді, бұл олардың молекулалық деңгейде күшті аралық байланыстар құруымен байланысты. Сондай-ақ, полюстілік электрөткізгіштік қасиеттерге әсер етеді, әсіресе сұйықтықтар мен ерітінділердің өткізгіштігінде көрініс табады. Кері жағынан, полюстік емес молекулалардың көбісі физикалық қасиеттері мен ерігіштігі жағынан ұқсас болып, олар суда нашар ериді, бұл олардың қолданылу аясын шектейді.

16. Дипольдік момент ұғымы және оның есептелуі

Дипольдік момент дегеніміз — молекулалардағы зарядтардың бөліну дәрежесін сандық көрсететін физикалық шама. Бұл шама молекуланың электр полюстілігін дәл анықтауға мүмкіндік береді, яғни оның оң және теріс заряд орталықтарының арасындағы қашықтық пен заряд мөлшерінің өнімін көрсетеді. Қазіргі химия мен физика ғылымында дипольдік момент молекулалардың қасиеттерін зерттеуде маңызды орын алады. Ол молекулалардың полярлығын сипаттай отырып, олардың химиялық реакцияларға қатысу ерекшеліктерін, физикалық қасиеттерін, оның ішінде ерігіштігі мен қайнау нүктесін болжауға мүмкіндік береді.

Енді дипольдік моментті есептеуге тоқталсақ, бұл шама q деп белгіленетін заряд мөлшері мен d деп алынатын зарядтардың орналасу арақашықтығының көбейтіндісі ретінде анықталады. Оның өлшем бірлігі ретінде «дебай» қолданылады, 1 дебай шамамен 3.336 × 10⁻³⁰ кулон·метрге тең. Дипольдік момент мәнінің үлкендігі молекуланың ішіндегі зарядтардың бөлінуінің қаншалықты айқын екенін көрсетеді. Мысалы, су молекуласының дипольдік моменты оның полярлығын және ерекше қасиеттерін дәл сипаттайды, бұл оның еріткіш ретінде кең таралуына себепші болады.

17. Электртерістілікті анықтау әдістері

Химиялық элементтердің электртерістілігін анықтаудың бірнеше тұжырымдамалары мен әдістері бар, олар молекулалардың құрылымы мен қасиеттерін негіздеп, химиялық байланысты зерттеуде маңызды роль атқарады.

Алдымен, Полинг әдісі елеулі танымалдыққа ие. Бұл әдіс химиялық байланыстың энергиялық өзгерістеріне негізделіп, әрбір элементтің электртерістілігін салыстыруға мүмкіндік береді. Полинг шкаласы қазіргі кезде де химиктердің көп қолданатын сенімді әдісі болып саналады.

Малликен әдісі атомдардың ионизация энергиясы мен электрон тарту энергиясының орта мәні арқылы электртерістілікті бағалайды. Бұл тәсіл атомдардың сыртқы электрондық қабатындағы қасиеттерін ескеріп, электртерістілік айырмашылығын талдауға мүмкіндік береді.

Аллард шкаласы химиялық потенциал мен байланысқан атомдардың өзара әсеріне назар аударады және химиялық реакцияларда атомдардың рөлін түсіну үшін маңызды. Бұл әдіс элементтер арасындағы байланыстардың табиғатын терең талдауға бағытталған.

Жалпы, практикалық химияда ең жиі және сенімді әдіс ретінде Полинг шкаласы қолданылады. Ол көптеген қосылыстардың қасиеттерін нақты болжауға мүмкіндік беріп, химиялық өнеркәсіпте және зерттеу жұмыстарында кеңінен танылған.

18. Электртерістілік айырмашылығы мен молекула геометриясы арасындағы байланыс

Электртерістілік айырмашылығы молекуладағы атомдар арасындағы байланыстың асимметриялы орналасуына себепші болады. Бұл, өз кезегінде, молекуланың формасын және оның электр полюстілігін анықтайды. Мысал ретінде су молекуласын алсақ, оның тетраэдрлік құрылымынан айырмашылығы бар — су молекуласы бұрышты формаға ие, бұл электртерістілік айырмашылығының әсерінен туындайды.

Сондай-ақ, кейбір молекулаларда, мысалы, көмірқышқыл газында, жеке байланыстар өте полярлы болса да, молекуланың жалпы полюстілігі нөлге тең болуы мүмкін. Бұл жағдай молекуланың симметриялық құрылымымен байланысты және оның электр зарядтары теңгерілген. Мұндай ерекшелік молекулалардың физикалық қасиеттерін түсінуде ерекше маңызды болып табылады.

19. Электртерістілік пен биологиялық жүйелердегі маңызы

Өкінішке орай, 19-слайдтағы негізгі бөлімнің мәліметтері толық емес болғандықтан, осы тақырыпты жалпы химия және биология ғылымдары тұрғысынан толықтыра кетейік. Электртерістілік биологиялық молекулалардың, мысалы, ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының формасы мен функциясын анықтауда шешуші роль атқарады. Оның арқасында молекулалар арасындағы күштерді, байланысты және биохимиялық реакциялардың механизмдерін түсінуге болады. Полярлы және аполярлы бөліктердің орналасуы мембраналардың өткізгіштігіне әсер етіп, жасуша ішіндегі сигналдардың берілуіне де ықпал етеді. Мұның бәрі биологиялық жүйелердің тұрақтылығы мен жұмыс істеуін қамтамасыз ететін маңызды фактор болып табылады.

20. Электртерістілік пен полюстіліктің ғылыми және практикалық маңызы

Электртерістілік пен молекулалардың полюстілігі химиялық және физикалық процестердің негізі болып табылады. Олар материалдардың қасиеттерін анықтап, жаңа заттарды синтездеуде, фармацевтикада, агрохимияда және басқа да салаларда технологиялық тәжірибені жетілдіруге мүмкіндік береді. Ғылыми зерттеулер молекулалардың полярлығын және электртерістілік айырмашылықтарын тереңірек түсінуге жол ашып, химияның заманауи жетістіктерінің іргетасын қалайды.

Дереккөздер

Pauling L. The Nature of the Chemical Bond. Cornell University Press, 1939.

Jolly W. L. Modern Inorganic Chemistry. McGraw-Hill, 1984.

Petrucci R. H., General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson, 2017.

Housecroft C. E., Sharpe A. G. Inorganic Chemistry. Pearson, 2012.

Shriver D. F., Atkins' Inorganic Chemistry. Oxford University Press, 2010.

Полинг Л. Химическая связь и строение молекул. — М.: Наука, 1974.

Барбер Д., Браун Р. Электрические свойства молекул // Журнал физической химии, 1982.

Павлова Е., Иванов А. Методы определения электроприступленности элементов. — Химия, 1999.

Смирнов В. А., Химия для биологов. — СПб., 2005.