Аннотация: Бұл мақала химияның негізгі стехиометриялық заңдарының тұжырымдамасын, тарихи дамуын және қолданылуын қарастырады. Зерттеудің мақсаты – зат массасының сақталу заңы, көлем қатынастары заңы және Авогадро заңының мәнін, олардың химиялық реакцияларды сандық сипаттаудағы рөлін жүйелі түрде ашу. Жұмыста тарихи-талдау, сипаттама және жалпылау әдістері қолданылды. Әрбір заңның тұжырымдамасы, ашылған тарихи контексті және оның қазіргі химиядағы, әсіресе стехиометриялық есептеулердегі қолданылуы сипатталған. Авогадро тұрақтысы мен моль ұғымының анықтамасы беріледі. Нәтижелер көрсеткендей, бұл заңдар химиялық процестердің сандық заңдылықтарын түсінудің негізін құрайды және оларды біріктіру химиялық формулалар мен теңдеулер арқылы реакцияларды болжауға және өндірістік процестерді есептеуге мүмкіндік береді. Қорытындыда осы заңдардың химия ғылымының дамуындағы рөлі мен заманауи маңызы атап өтілген.

Кіріспе. Стехиометрия (грекше «stoicheion» – элемент, «metreo» – өлшеймін) – бұл химиялық реакцияға түсетін заттар мен реакция нәтижесінде пайда болатын заттар арасындағы сандық қатынастарды зерттейтін химияның бөлімі. Оның негізін химияның үш ірі стехиометриялық заңы құрайды, олар XVIII–XIX ғасырлардың басында ашылды және атом-молекулалық ілімнің қалыптасуына негіз болды [1, б. 45]. Бұл заңдар химияны сапалы сипаттаудан сандық ғылымға айналдырды. Оларды меңгеру химияны оқытудың өзегі болып табылады, себебі олар химиялық теңдеулерді теңестіруге, реакция өнімдерінің массасын немесе көлемін есептеуге, химиялық процестерді жобалауға негіз береді.

Мақаланың өзектілігі – бұл іргелі заңдардың мектеп курсындағы оқыту әдістемесіндегі маңыздылығында және оларды түсінудің күрделілігінде жатыр. Теориялық маңызы заңдардың бір-бірімен байланысы мен олардың химиялық теорияның дамуына қосқан үлесін зерттеуде, ал практикалық маңызы оқушыларға стехиометриялық есептерді шығаруға жәрдемдесетін нақты тәсілдер мен мысалдарды ұсынуда. Зерттеудің мақсаты – химияның негізгі стехиометриялық заңдарының тарихи-ғылыми контекстін, мазмұнын және қолданылуын жан-жақты талдау.

Негізгі бөлім

1. Зат массасының сақталу заңы. Бұл заңды орыс ғалымы М.В. Ломоносов (1748) және француз химигі А. Лавуазье (1789) тәуелсіз түрде тұжырымдады және дәлелдеді. Заң бойынша: химиялық реакцияға түсетін заттардың жалпы массасы реакция нәтижесінде түзілген заттардың жалпы массасына тең. Басқаша айтқанда, химиялық реакциялар кезінде атомдар жойылмайды және пайда болмайды, олар тек қайта топтасады. Заң химиялық теңдеулерді теңестірудің негізі болып табылады. Мысалы, сутектің оттегімен әрекеттесуінен су түзілетін реакцияны қарастырайық: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Реакцияға түскен 4 г сутегі (H₂) мен 32 г оттегінің (O₂) жалпы массасы (36 г) түзілген 36 г судың (H₂O) массасына тең. Бұл заң химиялық синтезді жобалауда және өнеркәсіптегі материалдық балансты есептеуде қолданылады [2, с. 78].

2. Тұрақты құрам заңы (көлем қатынастары заңының дамуы). Бұл заң француз химигі Ж.Л. Прусттың (1799–1808) еңбегінің нәтижесінде ашылды. Заң бойынша: қандай жолмен алынғанына қарамастан, таза химиялық қосылыстың сапалы және сандық құрамы тұрақты. Мысалы, су әрқашан массасы бойынша 11,11% сутегі мен 88,89% оттегінен тұрады. Бұл заң химиялық формулалар мен бейорганикалық номенклатураның негізін қалады. Одан әрі дамыған идеялар «көлем қатынастары заңына» әкелді, ол газ тәрізді заттар арасындағы реакциялар үшін Гей-Люссак (1808) тұжырымдады: газ тәрізді заттардың реакцияға түсетін және түзілетін көлемдері бірдей физикалық жағдайларда бүтін сандар ретінде қарапайым қатынаста болады. Мысалы, сутегі мен оттегінің әрекеттесуінде: 2 көлем H₂ + 1 көлем O₂ → 2 көлем су буы (H₂O).

3. Авогадро заңы. Бұл заң итальяндық физик және химик Амедео Авогадро (1811) есімімен аталады. Оның тұжырымдамасы: бірдей температура мен қысымдағы барлық идеал газдардың тең көлемдерінде молекулалардың саны бірдей (яғни, бірдей мөлшерде). Бұл гипотеза Гей-Люссактың көлем қатынастары заңын түсіндіруді мүмкін етті және атомдар мен молекулаларды ажыратуға көмектесті. Бір мольдегі молекулалар саны Авогадро тұрақтысы (NA) деп аталады және шамамен 6,022 × 10²³ моль⁻¹ тең. Бұл тұрақты газдардың молярлық көлемін (қ.ж. 22,4 л/моль) анықтауға мүмкіндік береді. Заңның практикалық маңызы зор: ол газ тәрізді заттардың салыстырмалы молекулалық массаларын анықтауға, газ көлемдерін есептеуге және химиялық формулаларды анықтауға мүмкіндік береді.

4. Стехиометриялық заңдардың біріктірілуі және моль ұғымы. Осы үш заң атом-молекулалық ілімнің негізінде біріктіріледі. Моль – Заттардың (атомдардың, молекулалардың, иондардың) мөлшерін өлшейтін Халықаралық бірліктер жүйесіндегі (SI) негізгі шама. Бір моль – Авогадро санына (NA) тең бөлшектер санын қамтитын зат мөлшері. Моль ұғымы стехиометриялық заңдарды практикалық есептеулерге тікелей қолдануға мүмкіндік береді. Мысалы, берілген массадағы заттың мөлшерін (n = m / M, мұндағы m – масса, M – молярлық масса), газдың көлемін (V = n × Vm, мұндағы Vm – молярлық көлем) немесе химиялық реакциядағы заттардың массалары мен көлемдері арасындағы қатынасты есептеуге болады. Зат массасының сақталу заңы химиялық теңдеудің стехиометриялық коэффициенттерін теңестіруді талап етсе, Авогадро заңы осы коэффициенттерді газдардың көлемдеріне аударуға мүмкіндік береді.

5. Стехиометриялық есептерді шығарудың мысалдары және әдістемесі. Стехиометриялық заңдарды меңгерудің бір маңызды тәжірибелік аспектісі – оларды қолдана отырып есептерді шығару. Мектепте мынадай типтік есептер қарастырылады:

1. Берілген массадағы заттың мөлшерін және оның құрамындағы атомдар санын есептеу (Мысалы, 18 г судағы (H₂O) сутегі атомдарының санын табу).
2. Заттың құрамы бойынша формуласын анықтау.
3. Берілген массадағы бастапқы заттан түзілетін өнім массасын есептеу.
4. Газ тәрізді заттардың көлемдік қатынастарын пайдаланып есептер шығару.

Бұл есептерді шығару барысында келесі алгоритмді ұстануға болады: 1) Химиялық теңдеуді теңестіру; 2) Берілген шамаларды (масса, көлем) зат мөлшеріне (моль) түрлендіру; 3) Теңдеу бойынша стехиометриялық қатынастарды пайдалану; 4) Қажетті шаманы табу және қажетті өлшем бірліктеріне түрлендіру. Мысалы, 10 г кальций карбонатын (CaCO₃) ыдырату кезінде түзілетін көмірқышқыл газының (CO₂) көлемін (қ.ж.) табу үшін алдымен CaCO₃-тің зат мөлшерін есептеп, содан кейін реакция теңдеуі бойынша (CaCO₃ → CaO + CO₂) CO₂-тің зат мөлшерін тауып, соңыннан оны көлемге түрлендіреміз.

6. Заңдардың қазіргі химиядағы маңызы және қолданылу аясы. Стехиометриялық заңдар химияның барлық салалары үшін негізгі болып қала береді. Олар:

1. Аналитикалық химияда: Талданатын заттардың мөлшерін анықтау үшін қолданылады.
2. Органикалық және бейорганикалық синтезде: Реакцияға қажетті реагенттердің нақты мөлшерін есептеуге, құнды өнім шығымын бағалауға және қалдықтарды азайтуға мүмкіндік береді.
3. Химиялық технологияда және өнеркәсіпте: Технологиялық процестерді жобалауда, аппараттардың өлшемдерін есептеуде және экономикалық тиімділікті талдауда қолданылады.
4. Экологияда: Зиянды заттардың шығарындыларын есептеу және оларды бейтараптандыру процестерін жобалау үшін қажет.

Атомдық-молекулалық деңгейдегі зерттеулер кезінде массаның сақталу заңының заманауи түсіндірмесі Эйнштейннің E=mc² формуласы есебінен энергиямен байланысты болатынын ескеру маңызды, бірақ химиялық реакциялар үшін бұл әсер өте шамалы және еленбейді [3, p. 152].

Қорытынды. Химияның негізгі стехиометриялық заңдары – зат массасының сақталу заңы, тұрақты құрам (көлем қатынастары) заңы және Авогадро заңы – химия ғылымының даму тарихындағы шешуші сәттерді білдіреді. Олар химиялық элементтер мен қосылыстардың атомдық-молекулалық табиғаты туралы түсінікке негіз салды және химиялық процестерді сандық болжау мен басқаруға мүмкіндік берді. Бұл заңдар бір-бірімен тығыз байланысты және моль ұғымы арқылы біріктіріледі, бұл химиялық есептеулер үшін әмбебап аппаратты құрайды.

Осы заңдарды меңгеру тек мектеп оқушылары үшін ғана емес, сонымен бірге химияны оқытушылар, зерттеушілер және инженер-технологтар үшін де өте маңызды. Олар химияны тек теориялық ғылым ретінде емес, сонымен бірге нақты технологиялар мен өндірістік процестерді құруға негіз бола алатын дәл ғылым ретінде түсінуге мүмкіндік береді. Осы заңдардың қағидаттары қазіргі заманғы химияның күрделі мәселелерін шешуде де өз қызметін жойған жоқ, сондықтан оларды терең меңгеру кез келген химия маманының кәсіби білімінің негізі болып қалады.

Әдебиеттер тізімі

1. Есболов, Ә.Е. Жалпы химия: оқулық / Ә.Е. Есболов. – Алматы: Мектеп, 2018. – 320 б.
2. Глинка, Н.Л. Жалпы химия: оқулық / Н.Л. Глинка. – 30-шы бас. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 728 с.
3. Zumdahl, S. S. Chemical Principles / S. S. Zumdahl, D. J. DeCoste. – 8th ed. – Boston: Cengage Learning, 2016. – 1216 p.
4. Карапетьянц, М.Х. Жалпы және бейорганикалық химияның негіздері: оқулық / М.Х. Карапетьянц, С.И. Дракин. – 4-ші бас. – М.: Химия, 2000. – 592 с.