ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені физикалық химияны және электрохимияны оқытудың әдістемелік аспектілері «6М011200 – Химия» мамандығы үшін ОҚУ-Әдістемелік материалдары

1. 
   Термохимиялық тепе-теңдік жағдайындағы күй параметрлерін атаңыздар.
   
2. 
   Фик, Фурье, Ньютон заңдарына анықтама бер.
   

«Химиялық туыстық» термині заттардың бір-бірімен химиялық әрекеттесуге түсу қабілеті. Заттың түріне сәйкес ол әрекеттесуші заттардың табиғатына, концентрацияға немесе қысым (газдарда) және температураға байланысты. Химиялық туыстықтың термодинамикалық потенциалының өлшемі ретінде: Гиббс энергиясының (DG) және Гельмгольц энергиясының (DF) өзгеруі алынады. Температура тұрақты болған жағдайда Вант-Гофф ережесі қолданылады, ол химиялық реакцияның изотерма теңдеуі деп аталады. Газдар үшін ол келесідей өрнектеледі:

DG = RT(ln– lnK_Р), (5)

Ал газ қоспасы мен ерітінділер үшін:

DF = RT(ln– lnK_С), (6)

мұндағы DG және DF –Гиббс және Гельмгольц энергияларының өзгерулері, Дж/моль; P_A, P_B, P_C, P_D және С_А, С_В, С_С, С_D – реакция кеңістігінің ауыспалы қысымы мен температурасы, Па және моль/дм³;

К_Р және К_С – тұрақты қысым мен температурадағы тепе-теңдік константасы.

(5) және (6) теңдеулері идеал газдардың қоспасы мен сұйылтылған ерітінділерге қолданылады. Қалыпты жағдайдарда бұл теңдеулер келесідей болады:

DG⁰ = 2,303RT(Dnlg101325 – lgК_Р) (7)

DF⁰ = -2,303RTlgК_С (8)

(6) – (8) теңдеулер реакция дұрыс бағытта және қажетті дәрежеде жүруін қадағалау үшін қажетті бастапқы реагент қоспасының температурасы мен құрамын анықтауға көмектеседі.

егер DF немесе DG < 0, онда процесс тура бағытта өз бетімен жүреді;

егер DF немесе DG > 0, онда процесс өз бетімен кері бағытта жүреді, ал егер DF немесе DG = 0, бұл жағдайда химиялық тепе-теңдік орнайды.

Бәріне мәлім, тепе-теңдік константасы әрекеттесуші заттардың табиғаты мен температураға тәуелді. Тепе-теңдік константасының температураға тәуелділігін термодинамиканың бірінші, екінші заңдарынан және (7), (8) теңдеулер бойынша анықтауға болады. Химиялық реакцияның изобаралық және изохоралық теңдеулерінің дифференциалдық формасы келесідей (Вант-Гофф, 1884):

Ал интегралдық формасы:

мұндағы DН және DU – тұрақты қысым мен көлемдегі химиялық реакцияның жылу эффектісі. (11) және (12) теңдеулерде көрсетілгендей тепе-теңдік константасы экзотермиялық реакцияларды кемиді, ал эндотермиялық реакцияларда температураның жоғарлауына байланысты артады.

Химиялық реакциялардың изобара және изохора теңдеулері температураның өзгеруіне байланысты тепе-теңдіктің ығысуының сандық мәнін көрсетеді, ал Ле-Шателье принципі тепе-теңдік ығысуының тек сапалық сипатын анықтайды.
Бақылау сұрақтары:

1. 
   Химиялық туыстық терминінің анықтасы
   
2. 
   Вант-Гоффтың изобара және изохора процестерінің формуласы қандай?
   
3. 
   Химиялық реакцияның изотерма теңдеуін өрнекте
   
4. 
   Химиялық реакцияның изобара теңдеуін өрнекте
   
5. 
   Химиялық реакцияның изохора теңдеуін өрнекте
   

1.Қоканбаев Ә. Физикалық және коллоидтық химия: оқулық, Алматы: ЖШСРПБК « Дәуір», 2011.- 488 б.

2.Жақыпбекова Н.О., Қырбаева Н.С., Төребекова Г.З., Шынғыспаева Б.М.

Физикалық және коллоидты химия: оқулык, Алматы: Кітап баспасы, 2006.- 280 б.

3.Жапаргазинова К.Х., Оралтаева А.С. Физикалық және коллоидты химия; Кереку, 2010. - 78 б.
Қосымша

4.Абланова Е.Х., Шабикова Г.Х. Физикалық химия есептеріне арналған: методикалық оқу құралы, Алматы: Кітап, 2003.- 50 б.

5.Жанабаев Б., Өтелбаев Б. Физикалық химия: оқулық, Алматы: Білім, 2003.- 236 б.

6.Қоканбаев Ә. Физикалық химия қысқаша курсы: оқулық, Алматы: Білім, 2005.-223 б.

V топтың негізгі топша элементтеріне азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут жатады. Бұл топша элементтерінің сыртқы электрондық деңгейінде бес электрон ns²np³ болады. Сондықтан олар үш электрон қосып алып үш теріс зарядты ионға айналуға мүмкіндігі бар:

Э⁰+3е^-→Э^3-

Әр элементтің сыртқы қабатында үш дара р-электрондар бар, осыған сәйкес олардың қалыпты (қозбаған) жағдайдағы валенттілігі үшке тең болады. Азоттан басқа элементтердің сыртқы қабатында бос бес d- орбитальдар бар. Сондықтан олардың s – орбиталындағы жұп электрондары қоздырып біреуін d-орбиталына көшіруге болады. Осының нәтижесінде элементтердің сыртқы қабатының орбитальдарында бес дара электрондар пайда болып олар бес валентті күйге көшеді. Азоттың сыртқы қабатында бос d-орбитальдары жоқ болғандықтан оның жұп электрондарын қоздыруға болмайды. Ол тек s-электрондардың біреуін басқа бір элементке беріп жіберіп сыртқы қабатындағы дара электрондар санын төртке жеткізе алады және соның нәтижесінде төрт валентті күйге көшеді, ал өзі бір оң зарядты ионға айналады.

V топтың негізгі топша элементтері қосылыстарда -3тен +5-ке дейін тотығу дәрежесін көрсетеді.

Бесінші негізгі топша элементтерінің қатысуымен түзілген молекулалардың пішіндері үшбұрышты пирамида тәрізді болады.

Топша элементтерінің барлығы сутекпен ЭН₃ типтес қосылыс түзеді. Алтыншы негізгі топша элементтеріне қарағанда бұл топша элементтері сутек атомдарымен өте берік қосылады да олардың сутекті қосылыстарын суға еріткенде сутек иондарын түзбейді. Топша элементтері оттекпен Э₂О₃, Э₂О₅ типтес оксидтер түзеді. Ол оксидтерге қышқылдар сәйкес келеді.

Элементтердің реттік нөмірлерінің өсуіне сәйкес металеместік қасиеттері кемиді де, металдық қасиеттері артады. Сутекті қосылыстарының NH₃-тен ВіН₃-ке қарай тұрақтылығының азаюы, оттекті қосылыстарының беріктігінің артуы осы қасиеттерімен түсіндіріледі.

Алғаш рет азотты ауадан ағылшын химигі Резерфорд 1772 жылы бөліп алды. Азот табиғатта бос күйінде де және қосылыс түрінде де кездеседі.

Таза азот – түссіз, иіссіз, дәмсіз, суда аз еритін (100:2) газ. Ауадан сәл жеңілірек. Азот молекуласы екі атомнан тұрады (N₂). Азот молекуласындағы атомдар өзара үш байланыс арқылы қосылған. Сондықтан ол үш байланысты үзіп молекуланы атомдарға ыдырату үщін өте көп энергия жұмсалады.

Химиялық қасиеті жағынан азот – инертті, қалыпты жағдайда ол реакцияласпайды. Инерттілігі екі атомды молекуласының өте беріктігіне байланысты. Азот қалыпты жағдайда тек қана литиймен, ал қыздырғанда басқа металдармен және кейбір бейметалдармен әрекеттесіп, тотықтырғыштық қасиет қорсетеді, тек фтор мен оттекпен әрекеттескенде ғана тотықсыздандырғыш болады.

Өнеркәсіпте азотты ауаны сұйылту арқылы алады. Азот аз мөлшерде, зертханада керек болған кезде, оны мына әдістердің бірімен алады:

• 
  3CuO+2NH₃→3Cu+N₂+3H₂O
  
• 
  NH₄NO₂→N₂+2H₂O
  
• 
  (NH₄)₂Cr₂O₇→N₂+Cr₂O₃+4H₂O
  

Азоттың сутекпен бірнеше қосылыс бар: аммиак NH₃, гидразин N₂H₄, азидсутек қышқылы HN₃ және бұлардың туындалары. Бұлардың ішіндегі өте маңыздысы аммиак.

Аммиак – түссіз, өткір иісті газ. Судың бір көлемінде 700 көлем аммиак ериді. Аммиак ауадан екі есеге жуық жеңіл. Аммиактың судағы ерітіндісі аммиак суы немесе мүсәтір спирті деп аталады. Аммиактың молекуласы үш бұрышты пирамида тәрізді.

Аммиактың молекуласы қалыпты жағдайда тұрақты, берік, әжептәуір активтігі бар молекулалар қатарына жатады. Аммиактың химиялық қасиеттерін үш түрлі реакцияларға топтастырып көрсетуге болады:

1. 
   қосып алу
   
2. 
   тотығу
   
3. 
   құрамындағы сутегі басқа заттарға ауысу реакциялары.
   

Химиялық реакциялар кезінде аммиак тотықсыздандырғыштық қасиет көрсетеді. Өйткені аммиактағы азот атомы өзінің -3 тең ең төменгі тотығу дәрежесін көрсетеді.

Күшті металеместер аммиакты азотқа дейін тотықтырады. Платина катализаторы қатысында оттек аммиакты азот (ІІ) оксидіне дейін тотықтырады. Қыздырғанда аммиак кейбір металдарды олардың оксидтерінен тотықсыздандырады да, өзі азотқа дейін тотығады.

Аммиак қышқылдармен оңай реакцияласып аммоний тұздарын түзеді. Аммиактың судағы ерітіндісі немесе аммоний гидроксиді басқа негіздер сияқты қышқылдармен, қышқылдық оксидтермен, тұздармен әрекеттеседі.

Зертханада аммиакты аммоний тұздары мен сілтілердің әрекеттесуінен алады. Өнеркәсіпте аммиакты көп мөлшерде азот пен сутекті синтездеу арқылы алады.

Аммоний тұздары ақ түсті кристалды, суда жақсы еритін заттар. Аммоний тұздары судағы ерітінділерінде аммоний катионына және қышқыл қалдығының анионына ыдырайды. Аммоний тұздары қыздырғанда ыдырайды. Құрамындағы қышқылдың ұшқыштығына байланысты аммоний тұздары әр түрлі жолмен ыдырайды. Ұшқыш қышқылдың (тұз қышқылының) тұздары аммиак және хлорсутек түзе айырылады. Ұшпайтын қышқылдың тұздары жартылай ыдырайды.

Азот оттекпен бес түрлі оксидтер түзеді: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅.

Азот қышқылы таза күйінде түссіз, өткір иісті, сұйық зат. Азот қышқылы сумен кез келген қатынаста араласады.

Сусыз азот қышқылы тұрақсыз қосылыс, аздап қыздырғанда немесе жарықтың әсерінен оңай ыдырайды. Азот қышқылы күшті қышқылдардың қатарына жатады. Сұйытылған ерітіндісінде ол толық иондарға ыдырайды. Азот қышқылы басқа да қышқылдар сияқты негіздермен, негіздік оксидтермен, тұздармен әрекеттеседі.

Азот қышқылының ең басты химиялық қасиеті – күшті тотықтырғыш. Сондықтан ол барлық металдармен (алтын, платина, иридий, рутенийден басқаларымен) әрекеттеседі.

Азот қышқылын зертханада натрий нитратына концентрлі күкірт қышқылымен әсер ету арқылы алады. Өнеркәсіпте азот қышқылын аммиакты катализатор қатысында тотықтыру арқылы алады. Бұл әдіспен азот қышқылын алу үш сатыдан тұрады:

• 
  платина катализаторы қатысында аммиакты ауадағы оттек арқылы тотықтырады
  
• 
  түзілген азот (ІІ) оксиді азот (IV) оксидіне оңай тотығады
  
• 
  азот (IV) оксидін оттек қатысында суға сіңіру арқылы азот қышқылын алады.
  

Азот қышқылының тұздары нитраттар деп аталады. Олардың барлығы да суда жақсы ериді. Нитраттар қыздырғанда ыдырайды. Құрамындағы металдардың активтігіне байланысты нитраттар әр түрлі жолмен ыдырайды. Металдардың активтік қатарында магнийге дейін орналасқан металдардың тұздары нитриттер мен оттекке, магний мен мыстың арасындағы металдардың тұздары металл оксидін, азот (IV) оксидін және оттек түзе, ал мыстан кейін орналасқан металдардың тұздары металға, азот (IV) оксидіне және оттекке ыдырайды.

Фосфорды 1669 жылы неміс алхимигі Г.Бранд ашты. Фосфор бірнеше аллотропиялық түр өзгерістер түзеді. Олардың ішіндегі маңыздылары ақ және қызыл фосфор. Ақ фосфор - улы, түссіз, кристалды, суда ерімейтін қатты зат. Ауа қатыстырмай әлсіз қыздырғанда немесе жарықтың әсерінен қызыл фосфорға айналады. Қызыл фосфор – қызыл қоңыр түсті зат. Оның қасиеттері ақ фосфордан өзгеше. Ол усыз, суда ерімейді. Ауада қиын тотығады да, тек 360 ⁰С жанады. Қатты қыздырғанда қызыл фосфор балқымай ұшып кетеді, ал оның буын тез салқындатса ақ фосфорға айналады. Қара фосфорды алу үшін ақ фосфорды 200⁰-та және 1,2*10¹⁰ Па қыздырады. Қара фосфор граыитқа ұқсайды.

Фосфор металдармен әрекеттесіп фосфоридтер түзеді. Фосфидтер сумен әрекеттесіп фосфордың сутекпен қосылысы фосфин (РН₃) түзеді. Фосфор күшті металеместер: оттекпен, хлормен әрекеттескенде тотықсыздандырғыш қызметін атқарады.

Фосфорды фосфиттің, кокстың, құмның қоспасын электр пешінде ауа қатыстырмай қыздыру арқылы алады. Қосылған кокс фосфорды тотықсыздандырады, ал құм түзілген кальций оксидімен қосылыпоны шлакқа айналдырады.

Ca₃(PO₄)₂+5C+3SiO₂→2P+5CO+3CaSiO₃

Түзілген бу түріндегі фосфор мен көміртек оксидінің қоспасын салқындатқанда ақ фосфор буы қатты күйдегі ақ фосфорға айналады.

Фосфордың сутекпен екі қосылысы бар: РН₃ (газ), Р₂Н₄ (сұйық). Фосфор сутекпен нашар қосылады. Сондықтан фосфорсутекті не фосфинді РН₃ алу үшін кальций фосфидін тұз қышқылымен, тіпті сумен әрекеттестіреді. Фосфинді басқа жолмен ақ фосфорды сілтілік ортада реакцияластырса да түзіледі.

Фосфор қышқылын зертханада қызыл фосфорды азот қышқылымен қосып қыздыру арқылы алады. Өнеркәсіпте фосфор қышқылын термиялық және экстракциялық әдістермен алады. Ортофосфор қышқылы үш негізді болғандықтан үш қатар тұздар түзеді: дигидрофосфаттар, гидрофосфаттар, фосфаттар.

Бесінші негізгі топтың ішіндегі мышьяк, сурьма, висмут – үш элементті мышьяк топшасы дейміз, бұлардың жалпы қасиеттері азот, фосфорға ұқсас болғанымен олардан өзгешелігі де бар, оның себебі бұлар үлкен периодтың элементтері, бұлардың барлығында, азот пен фосфордікіндей емес, электрондық құрылымында d- электрондар бар.

Мышьяк топшасының элементтерінің дербес күйде металдық түрі болады, жылуды, электрді жақсы өткізеді, өйткенімен морт, нәзік, сондықтан ұнтақтау оңай. Активтік қатарында сутек пен мыстың арасынан орын алады. Үшеуінің де ерімтал қосылыстары улы заттар.
Тақырыпты бекіту:

1. 
   Бесінші негізгі топша элементтерінің электрондық-графикалық формулаларын жазып, олардың қалыпты және қозған күйдегі валенттіліктерін анықта. Олар қосылыстарда қандай тотығу дәрежелерін көрсетеді?
   
2. 
   Элементтердің реттік нөмірлерінің өсуіне қарай топша элементтерінің оттекті және сутекті қосылыстарының қасиеттері қалай өзгереді?
   
3. 
   Азоттың табиғатта таралуын, физикалық қасиеттерін сипатта және химиялық қасиеттері мен алыну жолдарын көрсететін реакциялардың теңдеулерін жаз.
   
4. 
   Аммиактың физикалық және химиялық қасиеттерін айтып, молекуласының пішінін сызып көрсет.
   
5. 
   Азоттың оттекті қосылыстары: алынуы, физикалық және химиялық қасиеттері?
   
6. 
   Фосфор және оның қосылыстары: алынуы, қасиеттері.
   
7. 
   Мышьяк топшасының элементтері, олардың алынуы, физикалық және химиялық қасиеттері?
   

1. 
   Бірімжанов Б.А., Нұрахметов Н.Н. Жалпы химия. – Алматы: Ана тілі, 1991.- 640 бет.
   
2. 
   Шоқыбаев Ж. Бейорганикалық және аналитикалық химия. - Алматы, 2003.- 320 бет.
   
3. 
   Аханбаев К. Химия. – Алматы: Ана тілі, 1993. - 280 бет.
   
4. 
   Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.-М.: Высшая школа, 1988.
   
5. 
   Глинка Н.Л. Общая химия / Под ред. Рабиновича В.А.- Л.: Химия, 1988. - 704 с.
   
6. 
   Угай Я.А. Общая и неорганическая химия.М.: Высшая школа, 2000.- 527 с.
   

№ 11-13 Дәріс. IV топтың негізгі топша элементтері.

1. 
   Элементтерге жалпы сипаттама.
   
2. 
   Көміртегі және оның қосылыстары.
   
3. 
   Кремний және оның қосылыстары.
   
4. 
   Германий топшасының элементтері және олардың қосылыстарына жалпы сипаттама.