Қазақстан республикасы білім жəне ғылым министрлігі
жүктеу/скачать 1,02 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Дəріс-3 Металдар жəне олардың қосылыстарына жалпы шолу
- Негізгі əдебиеттер
- Дəріс-4 Атом құрылысын оқып үйренуде Д.И.Менделеевтің пероидтық жүйесі мен Период заңының алатын орны.
Незгізгі əдебиеттер 1 [128-131, 136-139] Бақылау сұрактары: 1. Жер беті қабаттарының құрылысын сипаттаңыз ? 2. Жер қыртысының зерттелген бөлігі немен көрсетілген ? 21 3. Континентталді шельф деген ұғым нені білдіреді ? 4. Элементтің кларкы дегеніміз не ? 5. Жер қыртысы мен литосферада кеңінен таралған металдар тобын атаңыз ? 6. Гидросферада кеңінен таралған металдар тобын атаңыз ? 7. Адам организіміндегі, жануарлардағы жəне өсімдіктердегі биологиялық маңызды металдарды атап өтіңіз ?
3.1 Металдар мен құймалар балқыма құрылысы Барлық металдар бөлек микротүйіршіктерден –кристалдардан тұрады Кристалл-өз араларында ішкі күштер ілінісуімен қатты байланысқан жəне бір-біріне тығыз жабысқан болады. Сондықтан металдар кристалдық денеге жатады. Кристалға коваленттік байланыспен механикалық əрірек етуі атомдардың бөлек қабаттарының араласуына əкеп соғады. Нəтижесінде байланыстар бұзылып, кристалл бүлінеді. Тура сондай кристалға металдық байланыспен əсер ету адамдар қабатының араласуына əкеп соғады, бірақ кристал бойында электрондардың бұлғаулауы арқасында байланыстар бұзылуы болмайды. Кейбір металдар: темір, кобальт, қалайы жəне т.б. бірдей есес температурада қатты күйді екі немесе оданда көп кристалдық торларға ие бола алады. Бір металдың əртүрлі кристалдық формада бола алуы аллотропия деп аталады, ал бір атом түріндегі кристалдық тордың басқаға қайтадан құрылу процесі аллотропиялық өзгеру деп аталады. Металдар кристалданатын аллотропиялық пішіндер əріптермен беріледі: d b
, жəне т.б. Сонымен, 1539 0 С температурада темір сұйык күйден қаттыға айналып, S- көлемді орталықтандырылған кубтік торлы темір пайда болады; 1390 жəне 910 0 С температурада аралығында c - магнитсіз қырыорталықтандырылған кубтік торлы шыдамды темір болады, ол одан əрі суытылғанда қайтадан тізбектелмейді. 768 0 С температурада темір b - магнитсіз темірден
a - магнитті темірге айналады (сурет 3.1) . Мұндай өзгерулер металдарды термикалық əдіспен өңдеу жағдайында қажетті тəжірибелік мəні бар. Кристалдардың жасалуы немесе металдардың кристалдануы əдетте сұйық балқыған металдардың салқындауы кезінде болады.Бұл процесс келесі түрде өтеді; сұық металдың салқындауы барысында оның қатаюы орталық кристаллизацияның жасалуынан басталады. Бұл кезде геометриялық фигуралардың-куб, призма т.б. дұрыс пішіні бар металдың атомдардың кристалл жасап нақты тəртіппен орналасады. Сурет 3.1 Өлшемнің, пішіннің, кристалдың орындарының өзгеруінен металдың механикалық қасиеті де өзгереді. Олар қаттырақ, морт, серпімді, пластикалығы мен тұтқырлығы жоғала 22 бастайды. Таза металл дегенді қарапайым химиялық зат деп ойлауға болады, мысалы темір, қалайы, күміс, мыс жəне т.б. бірақ мүлден таза металл алу өте қиын. Мысалы, əлі күнге шейін күкірт пен көміртек қоспасынсыз таза темірді алу мүмкін емес болып отыр. Тіпті, ең таза деген мыстың өзінде висмуттың, сурьманың, темірдің жəне басқа да заттардың қоспалары болады, олардан тазарту өте қиын. Металдар бір-бірімен немесе бейметалдармен (металлоидтармен) араласуы арқылы құйма жасайды.
тұратын жүйені атайды. Құйманың қасиеті əртүрлі жəне алғашқы компоненттен айрықшылығы өте көп. Мысалы, 40% кадмий қорытпасы (t балқу
=321 0 С) жəне 60% висмут (t балқу
=271 0 С) қорытпасы 144 0 С –тың өзінде балқып кетеді. Салыстырмалы түрде жұмсақ деп саналатын алтын мен күміс қорытпалары өте қаттылығымен сипатталады. Құймалардың
жəне т.б. металға тəн қасиеттер болады. Құйманы екі немесе оданда көп компоненттерді балқыту əдісімен алуға болады. Құйманы алудың жаңа тəсілі ойлап табылады, мысалы, металдар ұнтақтар қоспасын нығыздау жəне күйежентектеу, сондай-ақ электролизбен металл конденациясымен де жасауға болады. Қос балқымалар үшінші жəне төртінші компоненті қосу қорытпа қасиетін көп өзгертеді, əсіресе, егер жаңа компонент химиялық байланыстың жасауын болдыратын жағдайда болса, онда ол кристалдық тордың тез өзгеруіне əкеп соғады. 3.2 Металдар құрылысы мен құймаларды зерттеу əдісі Кез-келген металл тегістеп өнделген жəне жылтырланып өнделген болса тұтас біртекті түрде болады. Бірақ, қиылып алынған металдың кесегін көңіл қойып тексеру барысында, оның тұтас масса еместігін тез-ақ анықтауға болады. Жай көзбен жəне сəл үлкейтіп (10-30 рет) қарау арқылы металл слитка құрылымын көруге болады. Бұл құрылым макроқұрылым деп аталады, оның микроқұрылымнан айырмашылығы ол арнайы əдіс көмегімен зерттеледі. Металл мен құймалар құрылымын зерттеу макро жəне микроталдау, рентгендік, спектрлік, термикалық, сондай-ақ ақаутапқы (рентгендік, магниттік, ультродыбыстың) əдістері арқылы жүзеге асады. Макроанализ əдісімен макроструктура зерттеледі, яғни, жай көзбен немесе лупаның көмегімен ірі ақауларды табуғ а болады, олар; жарықшақ, отырлыған ішкі ойық, газды көпіршіктер жəне т.б., сондай-ақ металдағы қоспалардың таралуының бір қалыпсіз болуы, илекте, поковнада талшықтың орналауы жəне т.б. Міне осындай ақауларды металды қию жəне макрошлифпен анықтайды. Макшлиф (макроыспалау)- металдың жəне құйманың бір беті өнделген үлгісі лупа көмегімен тексеруге болады. Микроталдау –микроыспалаудан өткен металл жəне құйма құрылымын микроскоппен 2000
х -ге дейін үлкетіп, ал электронды микроскопта 25000 х -ге дейін үлкейтіп зерттеу. Мұндай маңызды талдау микротүйіршіктің пішінімен көлемін, оның құрылымын, металл бетінде жатқан микроақауларды, техникалық өңдеу сапасын аңықтайды. Металл қасиетін қанағаттандыра алмау себебін, егер оның құрылымын білсе зерттемей-ақ тауып алуға болады.
Ренгендік талдау арқылы кристалдың құрылымын жəне де тереңде жатқан ақауларды зерттейді. Мұндай талдау металды бұзбай ақауларды табуға өте қолайлы Металл құрылымын зерттеуге кеңінен таралған гамма-сəулесі, ол рентгенге қарағанда бұйымның тереңдігіне көп бара алады. Магниттік əдіспен магниттік металдар (никель, болат жəне т.б. ) ақауларын 2мм тереңдікке шейін (дəнекерлеуші тігістердің толық балқымауы, жарықшақ, т.б.) зерттейді. Ультродыбыстық əдіспен бұйым сапасы мен кез келген металл дайындамасына өте үлкен тереңдікте тиімді бақылау жасауға болады. Ультродыбыс бұйымның бутіндігін сақтау мақсатында сапаларын тексеру үшін қолданылады олар: рельс, ротор, поковок, илек жəне т.б. 3.3 Металдың физикалық қасиеті 23 Металдың физикалық қасиетіне: түсі, тығыздығы, балқу температурасы, жылуөткізгіштік, жылусыйымдылық, жылулық кеңею, электроөткізгіштік, магниттік қасиеттері т.б. жатады. Түс деп металдың бетіне түскен жарық сəулесінің көрсете білу қабілетін айтамыз. Мысалы, мыстың ақшыл қызыл түсі, аюминийдің ақ күміс түсі бар жəне т.б. Металл тығыздығы оның салмағының көлемі бірілгінің қатысымен сипатталады. Металдың қатты күйдеп сұық күйге айналу процесі балқу деп аталады. Темірдің балқу температурасы 1539 0 С,
0 С, қалайыныкі 232 0 С . Жылуөткізгіштік- металдың қыздыру кезінде жылуды өткізуі жəне суытқанда жылуды шығару қабілеті. Ең жақсы жылу өткізгіштік таза металдарда болады: күміс, мыс, алюминий. Жылуөткізгіштік жылу техникалық епептеулерде қолданылады. Жылулық кеңею-қыздыру барысында металдың, кеңею қасиеті. Суытқанда керісінше құбылыс болады. Бұл қасиеттер көпір салу құрылысында, темір жол рельстерін т.б. жасауда қатты ескеріледі. Жылусыйымдылық – металды қыздырғанда белгілі бір жылу деңгейін жинай алу қабілеті. Түрлі металдардың жылусыйымдылығың салыстыру үшін арнайы жылусыйымдылықты пайдаланады. Онда 1кг металға 1 0 С температураны көтеріп отыратын жылу саны өте көп. Металдың электр тоғын өткізе алу қабілетінің бір-біріне қарама-қайшы екі сипаттамасы бар-электрөткізгіштік жəне электркедергі. Жақсы электрөткізгіштік тоқ таситын сымдарға (мыс, алюминий) өте қажет электржылытқыштарды, аспаптар мен пештер жасағанда жоғары электркедергілер қажет (нихром, константан, манганин). Магниттік
кобальт жəне олардың ферромагнит деп аталатын қоспалары ие. Кейбір металдар тоқтың берілуі тоқтағанда өзінің магниттік қасиетін жоғалтады. Магниттік қасиеті бар материалдар электротехникалық аппараттарда қолданылады. Металдың қайнау температурасы мен балқуы əртүрлі. Ең тез балқитын металл-сынап, оның балқу температурасы- минус 38 0 С, цезий мен галий 29 0 С жəне 29,8 0 С балқиды. Вольфрам ең қиын балқитын металл, оның балқу температурасы 3390 0 С. 1000 0 С -тан жоғары температурада балқитын металдар қиын балқитын, ал 1000 0 С- тан төмен балқитындар жеңіл балқығыштар деп аталады. Температураның жоғарлауы атомдардың (иондарының) тербелісін күшейтіп, электрондардың қозғалыс бағытын қиындатады да, электрөткізгіштіктің төмендеуіне əкеледі. Керісінше төменгі температурада қозғалыс тербелісі төмендейді де, электр өткізгіштіктің тез өсуіне əкеледі. Абсолюттік нөлге жуықта металл жоғарғы өткізгіштік қасиетін көрсетеді. Жоғарғы өткізгіштік құбылысын 1911 ж дат физигі Х. Каммерлинг-Оннес ашқан. Əртүрлі заттарда белгілі температурада Т д.т.
кезінде қарама –қайшылықтан металдардың өткізтік үлесі нөлге шейін түсіп кетеді. Мысалы, сынаптың дағдарыс металдардың температурасы –Т д.т. =4,1 К
алюминийде 1,2 К, қалайыда –3,7 К. 1986 ж бір күрделі керамикалық байланысты Т д.т.
=35 К тапқанда, жоғарғы өткізгіштікті зерттеуге көп мүмкіншіліктер болды. 1987 ж дағдырыс температурасы 98 К сұйық азоттың қайнау температурасын арттыратын температура жоғары өткізгіштік күйінен өту құбылын жоғары температурадағы жоғары өткізгіштік деп аталады. 1988 дағдарыс температурасы 125 К тең талий, кальций, барий, мыс жəне оттек элементтері негізінде (Te-Ca-Ba-Cu-O) керамикалық байланыс ойлап табылады.Жоғарғы өткізгіштік металдарда ғана емес, көптеген химиялық байланыстар мен құймаларда да кездеседі. Мысалы, қалайы мен ниобияны байланыстыру (Nb 3 Sn) қарсылық үлесі 18 К –де нөлге тең болғанынан, кейбір заттар төменгі температурада жоғары өткізгіштік күйде болғанымен, кəдімгі температурада өткізгіш болып табылады. Ал мыс жəне күміс сияқты жақсы өткізгіштер төменгі температурада жоғарғы өткізгіш бола алмайды. Жоғары өткізгіштердің өзіне ғана қасиеттері бар. Жоғары өткізгіш тізбекте қозатын электр тоғын ұзақ уақыт (көп жылдар) бойы өшірмей ұстап қалу қабілеті ең маңыздысы болып табылады. Бұл құбылыстың механизмін түсіндіру тек 60 жылдан соң кванттық-механика негізін ашқаннан кейін мүмкін болды.
24 Металдың жоғары өткізгіштік күйде өтуін фазалық өту деп саңауға болады. Жаңа фазалық: күй былай сипатталады: бос электрондар кристалдық тордың иондарына өзара əсер етуін тоқтатады, бірақ өздері арасында өзара əсер етуге көшеді. Күшті магниттік өрісте электр тоғын жіберіп қыздырса, жоғары өткізгіштік қасиеті жоғалып кетеді. Жоғары өткізгіштік күйде өте алу қабілеті бар барлық металдардың ішінде ниобий ең жоғары дағдарыс температурасына өтуге 9,17 К ие металл, ал оның негізінде жасалған құймалар қолданып жүр (соленоидтар, жоғары күшті магниттер, гироскоптың якоры жəне т.б.). Сонымен жеңіл сирек кездесетін металдардан жасалған өндіріс құймалары 65БТ (ГОСТ 10994-74) 22-26% -ін Ti, 63-68% Nb жəне 8,5-11,5 % Zn құрайды. Олардың Т д.т. =9,7К
3.3 Металдардың химиялық қасиеті Химиялық қасиет-металдар мен кұймалардың тотығуға қарсы тұра алу жəне басқа əртүрлі заттармен (ауа оттегісімен, көмірқышқылмен, ылғалмен, сілтімен жəне т.б. байланыса алу қабілеті. Металл неғұрылым басқа элементтермен көбірек байланысса, ол соғұрлым тез бұзылады. Металдардың əдеттегі температурада қоршаған ортаның əсерінен химиялық бұзылуы металл коррозиясы деп аталады.
дегенді білдіреді. Бұл процесс өз табиғаттында өте күрделі жəне əлі толығымен зерттеліп болған жоқ. Коррозияны екі түрде бөледі: химиялық жəне электрлік.
əсерінен металл оксидінің жасалауы мен
тотығудың болуы
нəтижесінде анықталады.Металды қыздырғанда тотығу, күшейеді жəне окалин деп аталатын оксидтен тұратын металлдың бетінде қалың қабат тез пайда болады. Электрохимиялық коррозия химиялық коррозиядан өзгешелігі физика-химиялық біртекті емес электр тоғын өткізе алатын сұйығы бар металдың қатысуымен болады. Электрохимиялық коррозия басталау үшін келесі жағдайды жасау қажет: бір-бірімен байланысқа түсетін əртекті екі металды қатыстыру жəне электролит болуы керек. Металл атомдары валенттік электронды жеңіл береді жəне оң зарядталған ионға ауысады.Сондықтанда барлық металдар қалпына келтіруші болып табылады. Міне? Олардың негізгі жəне ең көп ортақ химиялық қасиеті осыдан тұрады. Металдар қалпына келтіруші əртүлі тотықтырғыштармен реакцияға түседі, олардың ішінде қарапайым заттар да, қышқылдарда жəне металдардан белсенділігі төменірек тұздар да болуы мүмкін. Қатты қыздырғанда тотығуға мықты металдарды ыстыққа төзімді деп атайды. Мұндай металдар жоғары температуралы аймақтарда бөлшектер жасау үшін қолданылады. Қызуға төзімділікті қызуға беріктіктен айыра білу керек, яғни жоғарғы температурада металдың өз құрылымын сақтай алуы, жұмсармау жəне жүктің əсеріне деформациаланбау. Металдың коррозияға тұруы, отқабыршық түзілу жəне еру сыналып отырған үлгінің салмағының өзгеруін анықтайды. Мұнда беттің бірлігі салмақ бірлігіне тең. Бөлшектер мен бұйымдар үшін металдар қосындылардың химиялық қасиетін білу өте қажет. 3.4 Металдардың механикалық қасиеті Металдар мен құймалардың сыртқы күштің əсеріне қарсы тұра алуын механикалық қасиет деп атайды. Сыртқы күш (жүк) статистикалық, динамикалық жəне циклдік (қайталанатын – үзіліспен) болуы мүмкін. Күштің (сыртқы) əсерінен сығылу, майысу, бұралу,
бөлек жүрмейді, бір-бірімен байланыста болады. Бұл жағдайда серпімділік жəне (күрделі) деформация пайда болады. Механикалық қасиетке кіретін ең бастылары: беріктік, қаттылық, пластикалық, серпімділік. Сондай-ақ металдың төзімділігіне, сусымалылығына да сынақтар жүргізіледі. Беріктік - бұзылмай түрлі күшке металдың шыңдау қасиеті. Металдың (құйманың) беріктігін анық тексеру үшін оның үлгісін жасап, арнайы бұзғыш машинамен сынайды. Металл үлгісінің бұзылмай ең ұзақ сақталу кернеуі мықтылық шегі немесе берілген металдың бұзылуға уақытша кедергі болуы деп аталады. 25 Қаттылық металдың сыртқы күштің əсерінен басқа дененің оған кіруіне қарсы тұра білу қасиетті. Қаттылықты анықтау үшін түрлі əдістер бар: Бриннелдің, Роквеллдің, Шордың. Серпімділік - металдың салмақты алғаннан кейін өзінің алғашқы пішіміне келе алу қасиеті өзінің алғашқы ұзындығына келе алудағы металдың ең жоғарғы кернеуі серпімділік шегі деп аталады. Хромникельдік шыныққан болат ең жоғарғы серпімділікке ие. Алюминий мен мыста мүлде серпімділік жоқ. Пластикалық – бұзылудың ешқандай белгілерін (жарықшақ, үзілу) көрсетпей күштің əсерінен өз пішімін бұзып, алған пішімін күшті алғанда сақтап қалатын металл қасиеті. Сыналып отырған металдың пайызбен берілген алғашқы ұзындығының ұзартылған ұзындыққа қатысы оның пластикалығының көрсеткіші болып табылады, оны қатысты ұзарту деп атайды. Au, Ag,Cu, Sn, Pb, Zn, Fe қатарында пластикалық азаяды. Мысалы, алтынның қаплыңдығы 0,003 мм – ге дейін жазуға, жоюға болады. Мыс пен қорғасын жақсы пластикалық металдар. Марганец, висмут, сурьма жəне шойында мүлде пластика жоқ. 3.5. Металдардың технологиялық қасиеттері. Металдың негізгі технологиялық қасиеттеріне сұйықа аққыштық, құймалық отырғыштылық созылғыштық, пісірімділік, күйежентектелушілік жатады. Сұйық аққыштық балқыған металдың пішінін жақсы толтыра алу қасиеті. Сұйық аққыштықтың көлемі атом салмағына, балқыту температурасына, беттік тартылыс деңгейіне жəне басқа металдың физикалық қасиеттеріне байланысты. Жақсы сұйық аққыштық металдар мен құймаларға келесілер жатады: мырыш, оның қосындылары, шойын, қола, қалайы, силумин (алюминий мен кремнийдің қосындысы). Сонымен қоса, сұйық аққыштыққа керісінше қою аққыштық деген түсінік бар. Қою аққыштығы бар металдар мен қосындылар тіпті жоғары темепературада да қою (тұтқыр) болып қалады жəне пішінді құюда нашар толтырады. Оларға таза күміс, қызыл тас жəне болат жатады.
Металдың салқындауы кезінде құйма бұйым көлемін қысқартады, былайша айтқанда пішімнің қабырғасынан алысырақ кетеді. Металдар мен қосындылардың отыру көлемі əртүрлі, ол 3.1. кестеде берілген. 3.1-кесте Кейбір металдар мен құймалардың құймалық отырғыштылығы Отырғыштылығы, % Отырғыштылығы, % Металл жерде шойынқалыпта Металл жерде шойынқалыпта Қалайы 0,2-0,3
0,6-0,7 Магний
1,5 1,7-1,9
қорғасын 0,8
0,9-1,0 Алюминий
1,6 1,8-1,9
мырыш 1,1-1,2
1,6-1,7 Никель
2,0-2,1 1,7-1,8
мыс 1,8-1,9
2,0-2,1 Силумин
1,1-1,2 1,2-1,9
Сұр шойын 1,0
1,2-1,3 Болат
1,8-1,9 2,0
Созылғыштық – металдың соғуы мен қысымның əсерінен бұзылмай өз пішімін өзгерті қасиеті. Металдар: сұйық күйде де созылады, мысалы, мыс, алтын жəне де ыстық күйде де созылатын болат. Көміртегі аз, қызарғанға шейін ысытылған болат пластикалық жəне жұмсақ болады, түрлі жəне күрделі пішімді бұйым жасауға созылғыштығы жақсы болады. Пісірімділік – металдың əдеттегі отта мықты қосылуы жəне пісіріліп отырған бұйым жиегінің балқы қасиеті. Таза металдардың тез пісірілетіндігін, ал қоспаларды қиынырақ екенін айта кету керек. Аз көміртегі болаттан жасалатын бұйым тез пісіріледі. Көмертегі мөлшері жоғары легірленген болатты жəне əсіресе шойынды пісіру өте қиын.
ұнтақталған металдар араластырылады, арнайы пішінге нығыздалады. Жоғары температура мен қысымның əсерінен күйежентектеледі. Күйежентектеу тəсілі ерекше қатты құймалар жасап шығарады, мысалы, победит кесетін құралдар жасауға пайдаланылады. Міне осылай, 26 жоғарыда көрсетілген əдіс тəсілдермен металдарды еш қиындықсыз өндеу қасиетіне сипаттайды.
Бақылау сұрақтары: 1. Қандай физикалық қасиеттер металға сай? 2. Металдың электрөткізгіштігі, жылу өткізгіштігі жəне пластикалығы немен түсіндіріледі? 3. Қандай химиялық қасиеттер металға тəн жəне олар атомдар құрылысымен қандай байланыста? 4. Металдың қышқыл ерітіндісі жəне сілтімен өзара əсер етуіне мысал келтір. Реакция сəйкес келетін теңдікті жаз. 5. Металдарға қандай механикалық қасиет тəн? Олардың мəнін тап. 6. Металдарға қандай технологиялық қасиеттер тəн? Олардың мəнін тап. 7. Қосынды деген не жəне оның қасиеттері бар? 8. Металдың химиялық жəне электрохимиялық коррозиясы деген түсінікті айт. 9. Металдардың негізгі жəне ортақ қасиеттері. 10. Ең жұмсақ жəне қатты металды ата. 11. Қандай физикалық жəне химиялық қасиеттеріне байланысты техникада алюминий кеңінен қолданылады.
4.1. Атом құрылысының кванттық теориясы Атом құрылысының қазіргі заманғы теориясына келесі қағидалар жатады: 1) Электронда қос (корпустық-толқындық) табиғат бар. Ол өзін бөлшек ретінде де,толқын ретінде де ұстай алады: бөлшек тəрізді оның нақты салмағы мен заряды бар; алэлектрондардың қозғалған қасиетін көрсетеді, мысалы, қысым жасау жəне дифракциялық қабілетімен сипатталады. Микробөлшектің қос қасиеті де Бройляның толқын механикасының теңдестірілуінен көрінеді. = l
u мұнда l -толқын ұзындығы, h- тұрақты Планка, m-электрон алмағы, u - микробөлшектің жылдамдығы. Терендіктен (4.1) m салмағындағы бөлшектің қозғалысы мен u жылдамдығы толкын ұзындығының l қозғалысына сəйкес келетіндігін білеміз. Кванттық механиканың ең маңызды ізденісі мынау болып табылады: атомдағы барлық электрондардың күрделі қозғалысының жиынтығы бесінші кванттық санмен суреттелуі: n негізгісі, L қосалқы. m e магниттік, s спинді жəне m s спин проектісі. Негізгі квант саны n сол орбитадағы электронның жалпы энергиясын анықтап, бірліктен бастап (n=1,2,3....), кез-келген толық мазмұнды қабылдай алады. ¥ тең негізгі квант санынан ядродан (атомның ионизациялануы) толығымен бөлек кете алатын энергия мөлшері электронға хабарланғанын айтады. Түрлі деңгейдегі берілген энергетикалыққа теңдікке жататын электронның түрлі энергетикалық күйде болуы, қосалқы (орбиталық) квант санда L көрінеді. Бұл кванттық сандар 0-ден бастап n-1 (L=0,1,….n –1) –ке дейін толық сандық мəні бола береді. L-дің сандық мəнінің əріп таңбалармен көрсетуге болады. L-мəні 0 1 2 3 4 Əріптегі мəні s p d f g Бұл жағдайда s -, p-, d-, f-, g- электрондардың күйін немесе орбитальдығын білдіреді. Орбиталь- атомдағы электрондардың бар болу, мүмкін бар кенісігінің аймағы. Қосалқы (орбитальды) квант саны L берілген деңгейде электронның түрлі энергетикалық түрде болуын сипаттайды, электродтық бұлттың пішінін, сонымен қоса ядроны айналған кездегі электронның импульс сəтін, орбитальдық сəтті (осыдан кванттық санын екінші орбитальды атауы шығып отыр) анықтайды. р = h ) 1 ( +
l (4.2.) 27 Сонымен, бөлшектік жəне толқындық қасиеті бар электрон əртүрлі күйде s -, p-, d-, f-, g- пішіндерінде ядро айналысында электрондық бұлт жасап қозғалып жүреді. Жабық орбитада электрондық зарядтың (электрон) қозғалысы m e – магниттік үшінші кванттық санымен сипатталатын магнитті өрістің пайда болуына əкеледі. m e магнитті кванттық саны кез келген бүтін санды оңын да, терісін де -L – ден + L – ге дейін қабылдай алады. Оған 0- де кіреді, барлығы (2 L + L) мəн: мысалы, L =1, m e =-1,0,+1; L= 3m e болса, онда оның (2 L + 1=7) жеті мəні болады: -3,-2,-1,0,+1,+2,+3,. 1925 жылы электронды спин болатыны туралы гипотеза пайда болды. Спин – ешқандай классикалық баламасы жоқ, электронның нағыз кванттық қасиеті. Нақтырақ айтсақ, спин кеңістіктегі қозғалыспен ешқандай байланысы жоқ, электронның меншікші импульстік сəті. Барлық электронндар үшін спиннің абсалюттік мəні S=1/2- ге тең, ал m e өз алдына шығарылған бағыттағы қозғалыс санын орбитальдық сəт векторының жобасының мөлшерін сипаттайды. m l өрістегі p орбиталы кеңістікте үш түрлі жағдайда бағдарлайды, себебі, l =1 кезінде магнитті кванттың санының үш мəні болады: -1, 0, +1. Сондықтан, электродтық бұлт координаттық осьте х,у,z- те созылады жəне əрқайсысының осьтері қалған екеуіне перпендикуляр болады (сурет 4.1.). Z осіндегі спиннің жобасының (m s магниттік спин саны) тек екі мəні ғана бар: m s = +1/2 немесе m s = -1/2, себебі S электроннның спині тұрақты көлемде болады, оны əдетте атом электрондарының қозғаласын сипаттайтын кванттық сандар жиынтығына қоспайды. Оны төртінші кванттық сан деп атайды: n,l,m l ,m
. Элемент атомның электрондық үйлесіне сол элементтің қасиетін жəне периодтық жүйедегі орнын анықтайды. Берілген элемент атомның энергетикалық деңгейі периодтық номерге тең, ал валентті электрон саны электронға қатысты топтың номеріне тең. Еегер, валенттік электрондар атомның s орбиталында орналасса, онда элементтер s элементті секцияға жатады (IA,IIA – топтары): егер олар s жəне р орбиталында орналассы, онда элементтер р элементі секцияға жатады (IIIA – дан VIIIA –ға дейінгі топтар). Sc (скандий) элементінен бастап деңгейше энергетикалық салдарға байланысты периодтық жүйеде
деңгейшесі толтырады. Мұндай элементтер d - элемент деп аталады, олар əр периодта 10- нан, мысалы, төртінші периодта бұл элементтер Sc – дан Zn – ға дейін (өтпелі элементтер). Толығымен жəне жартылай орналасқан, деңгейше жоғары тұрақтылығы бар екенін ескеру қажет. Сондықтан, мысалы, хромның (Сr) жəне мыстың (Сu) атомдарында энергияның жақындауына байланысты 4s жəне 3d деңгейше бір электронның 4s –тен 3d орбиталына өтуіне болады. Төртінші периодтың d элементінің атомындағы валенттік электрондар тек қана сыртқы 4s деңгейшесі емес, жəне де 3d деңгейшесі де алады. Мысалы, [ 18
5 4s 2 формуласы бар. Марганец (Mn) атомы үшін барлық жеті электронда (d 5 s 2 ) валентті. Мырыш (Zn) атомында - 30 Zn=[
18 Ar,3d
10 ] 4s
2 ,3d- деңгейшесі толығымен орныққандықтан тек екі сыртқы 4s- тен басталған валентті бола алады. (4s 2 ден бастап). Мінай осылай, атом құрылысының теориясы элементтік номірінің физикалық мағына беруі, тіпті Периодтық заңға оның негізгі жайдайлары мен қорытындысын түсіндіруге жағдай жасайды. Периодтық занның қазіргі заманғы тұжырымдамасы элементтің қасиеті реттік номерге периодтық тəуелділікте болады. Химиялық элементтер атомның толық жəне қысқартылған электронды формуласы 4.1 кестенде берілген. Сурет 4.1 Электродтық бұлтық құрылысы
28 4.2 Д.И. Менделеевтің периодтық жүйесіндегі металдардың орналасуы Химияда металдар элементтердің периодтық жүйесінде орналасуына байланысты топтастырылады. 1869ж Д.И. Менделеевтің алғашқы элементтер кестесі ашылғаннан бастап, химиялық элементтер жүйелігінің ондаған нұскасы ұсынылды, бірақ олардың барлығы Периодтық заңға сүйенген болатын. Қазіргі уақытта пайдалануға ыңғайлы, жинақы деп есептелетін ұзын Периодтық пішінді. Периодтық жүйе кеңінен қолданылып жүр. Онда барлық периодтар- үлкеніде,, кішісі де- ұзын қатарларға, сілті металдан бастап асыл газға шейін жазылған, созылып жатыр əрбір тік орналасқан элементтер қатары топ деп аталады да, олар римнің I-ден VIIIге дейінгі сандармен жəне орыстың А жəне Б əріптерімен номерленеді. Мысалы, IА тобы- сілті металдар (яғни қысқа периодтағы 1- топтың негізігі топшасының формасы), ал- I Б- тобы-мыс, күміс, алтын элементтері ( яғни I топтың қосалқы топшасы); əріне VIА-тобы-халькогендер (оттегі, күкірт, селен, теллур, полоний) ал IVБ- тобы-хром, молибден жəне вольфрам элементтері. Сонымен, негізгі топша-ұзын периодтық формадағы-А-тобы, ал қосалқы топшаға –Б-тобы жатады; екі формадағы топ номері Периодтық жүйемен сəйкес келеді. Периодтық жүйедегі химиялық элементтердің көп бөлігі аз мөлшерде болсын металдық қасиетті көрсетеді. Металдық қасиетті бар элементтер Периодтық жүйеде IA- VIA- топтарында орналысқан Б-тобындағы элементтерге металл болып табылады (өтпелі металдар). Қазіргі уақытта Периодтық жүйеде 93 түрлі метал бар. Металл түрдегілерге сілті жəне сілтілі----- (IA- VIA-тобы) жатады. Олардың атомдардың үшін сыртқы беттегі электрондардың аздаған (1-2) саны болған жеткілікті. Алюминий, галий бериллий, германий, қалайы қорғасын жəне сурьма аморфтік қасиет көрсетеді (яғни металдық жəне бейметалдықты бірдей уақытта). Барлық металдар қатты (əдеттегі жағдайда сұйық болатын сынаптан басқасы). Олар бейметалдан өзгеше байланыс түрімен ерекшеленеді (металдық байланыс). Валентті электрондар нақты атоммен əлсіз байланыста болады жəне əр металдың ішінде электронды газ болады. Сыртқы электронсыз қалған атомдар оң заряд жинап, металдық кристал тор құрайды. Теріс зарядталған валентті электронның (электронды газ) жиынтығы металдардың оң иондардың кеңістіктің нақты нұктелерінде –кристалды тордың түбіршегінде ұстайды. Сыртқы электронда еркін жəне хаостық араласа алады, сондықтан металдар жоғарғы электроөткізгіштігімен сипатталады ( əсіресе алтың, күміс, мыс,алюминий). Сондай-ақ металдарға жылуөткізгіштікте жоғары. Металдардың бейметалдардан айырмашылығын көрсететін əдеттегі қасиеттері белгілі. Металдардың жоғарғы электрөткізгіштік пен жылуөткізгіштік, пластикалық деформацияға төзімділігі бар, бірақ олардың
бейметалдардан айырмашылығын бұл сыртқы белгілер сипаттамайды. Элементтерді химиялық белгілері бойынша топтастырса , металдар мен бейметалдар ауа мен суға əсер етеуімен ажыратылады. Бұл элементтердің екі тобында ауамен реацияға түскенде оксид түзеді; металл оксидтер сумен əрекеттескенде гидроксид түзеді; ал бейметал оксидпен əректтесе қышқыл түзеді. Бұлар метал мен бейметалдың ауамен реакциясының бір түрлі, жалпы олардың басқа элементтермен əрекеттесу сипаты атомның электрондық құрылымы мен химиялық реакцияда электрондардың қайта таралуына байланысты. Металдардың атомдары химиялық реакцияларда электрондарын оңай бере салып оң ионга айналады, ал бейметалдар атомдары электрондарды байланыстыруға қабілеті, олар теріс зарядты ионға айналады. Оған мысал ретінде нəтижесінде NaCI молекуласы шығатын, натрий мен хлор арасындағы реакцияны келтіруге болады. NaCI молекуласы натрийдің оң иондары мен хлордың теріс иондарынан тұрады. Элементтердің реакция кезінде электрондарды беру немесе оларды қосу қабілеті атомның сыртқы жəне валенттің электрондарының санынан жəне басқа қасиеттерінен анықталады. Жоғарыда айтып кеткендей атомдардың сыртқы электрондарының саны топ бойынша 1-ден 8-ге дейін өзгереді. Соңғысы сыртқы электронды бұлттың əбден толуына
29 жауап беріп,VIII A тобындағы элементтерге жататын, Менделеев кестесіндегі берілген периодты аяқтайтын элементтің жасалуына əкеледі. Сыртқы орбитада электрондар санының өзгеруі элементтердің периодтық жүйеде металға немесе бейметалға бөлуде зор мəнге ие. Бұл көзқарас бойынша метал мен бейметалдың айырмашылығы мынада металдардағы сыртқы электрондары аз болады да, ал бейметалдарда көп. Бұл айырмашылықты əсіресе біріктіріп, периодтық жүйедегі элемент атомдағы электрондық қабатты ( оның біреуі металл түріне, келесісі бейметалл түріне қатысты) қарағанда көрнекі көрінеді. 4.3 жəне 4.4 кестелерінде негізгі кванттық сан бойынша атомдағы электронның салыстырмалы таралу мəліметі берілген. Сонымен қоса IA жəне VIIA тобының (4.3 кесте) элементтерінің сыртқы электрондары мен IIA жəне VIIA топтағы элементтер берілген (4.4 кесте) 4.3 кесте IA жəне VIIA топ элементтерінің атомдарының электрондық құрылымы Элементтер тобы Негізгі кванттық сан бойынша атомдағы элетронның таралуы IA VIIA n=1 n=2
n=3 n=4
n=5 n=6
n=7 Li - 2 1 - F 2 7 Na - 2 8 1 - CI 2 8 7 K - 2 8 8 1 - Br 2 8 8 7 Rb - 2 8 18 8 1 - J 2 8 18 8 7 Cs - 2 8 18 18 8 1 Fr - 2 8 18 32 18 8 1 Екі топ үшін қарастырылған элементтердің электрондары валенттіге жатады. Жоғарыда айтылғандай, реакция кезінде валентті электроны аз элементтердің электрондарын беруі, сыртқы электрон саны sp үштен беске дейінгі IIIA жəне VA тобының элементтері үшін анық емес. Бұл топтың элементтері басқа элементтермен əрекеттесу жағдайына байланысты электрондарды беруі мүмкін, керісінше, оларды қосуы мүмкін. Бұл топтың элементтері анық білінетін металдық қасиеттер көрсетпейді. Сондықтан кейбір элементтер, əсіресе VА тобындағы күшəла жартылай металл деп аталады. Осы жағдай бір топтағы (IVA-VА) элементтердің бейметалдан металға өту жағдайларын түсіндіреді, мысалы Si ® Ge, As ® Sb, кремний мен күшəла бейметалл болса, германий мен сурьма металға жатады.
жүктеу/скачать 1,02 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|