كيف تختلف الذرات؟

3-3 كيف تختلف الذرات؟

How Atoms Differ?

الفكرة الرئيسية

يحدد عدد البروتونات والعدد الكتلي نوع الذرة.

الربط مع الحياة

تعلم أن الأرقام تستعمل يوميًا لتعرف الأشخاص والأشياء. فعلى سبيل المثال، لكل مواطن يتم إصدار رقم وطني في الأحوال المدنية يعرف به يسمى رقم الهوية الوطنية. وبالتالي فإن العدد الذري يستعمل ليحدد هوية الذرات وأنواعها.

الأهداف

تفسر دور العدد الذري في تحديد هوية الذرة.
تعرف النظائر.
تفسر سبب أن الكتل الذرية ليست أعدادًا صحيحة.
تحسب عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في الذرة مستعملًا العدد الكتلي والعدد الذري.

مراجعة المفردات

الجدول الدوري: نموذج تترتب فيه جميع العناصر المعروفة تصاعديًا بحسب أعدادها الذرية في شبكة ذات صفوف أفقية تسمى دورات، وأعمدة تسمى مجموعات.

المفردات الجديدة

العدد الذري.
النظائر.
العدد الكتلي.
وحدة الكتل الذرية.
الكتلة الذرية.

---

العدد الذري

Atomic Number

كما ترى في الجدول الدوري للعناصر، هناك أكثر من مائة وثمانية عشر عنصرًا مختلفًا. ما الذي يجعل ذرة عنصر ما تختلف عن ذرة عنصر آخر؟ اكتشف العالم هنري موزلي Henry Moseley أن ذرات كل عنصر تحتوي على شحنات موجبة في أنويتها. وهكذا فإن عدد البروتونات في الذرة يحدد نوعها بوصفها ذرة عنصر معين. ويشار إلى عدد البروتونات في الذرة بالعدد الذري. ويكتب أعلى رمز العنصر، إلى اليسار من خلال الجدول الدوري على معلومات عن العنصر، ومنها الهيدروجين المبين في الشكل 3-15.

فالرقم 1 الموجود فوق رمز الهيدروجين H في الجدول الدوري يشير إلى عدد البروتونات أو العدد الذري. وبالانتقال عبر الجدول الدوري في اتجاه اليمين تصل إلى عنصر الهيليوم He الذي تحتوي نواته على بروتونين، أي أن العدد الذري له 2. ويبدأ الصف التالي في الجدول الدوري بعنصر الليثيوم Li الذي عدده الذري 3، يتبعه عنصر البريليوم Be وعدده الذري 4.

وهكذا فإن الجدول الدوري مرتب من اليسار إلى اليمين، ومن أعلى إلى أسفل، تصاعديًا بحسب الأعداد الذرية للعناصر. ولأن جميع الذرات متعادلة فإن عددي البروتونات والإلكترونات في الذرة الواحدة يجب أن يكونا متساويين. لذا فإن معرفتك بالعدد الذري للعنصر تمكنك من معرفة عدد البروتونات وعدد الإلكترونات في الذرة. فعلى سبيل المثال، تحتوي ذرة الليثيوم على ثلاثة بروتونات وثلاثة إلكترونات؛ لأن عددها الذري 3.

العدد الذري

العدد الذري = عدد البروتونات = عدد الإلكترونات.

العدد الذري للعنصر يساوي عدد البروتونات، وهو يساوي أيضًا عدد الإلكترونات في الذرة.

الشكل 3-15

يمثل كل عنصر في الجدول الدوري باسمه الكيميائي، والعدد الذري، والرمز الكيميائي، ومتوسط الكتلة الذرية.

مثال الشكل:
هيدروجين.
العدد الذري: 1.
الرمز الكيميائي: H.
متوسط الكتلة الذرية: 1.008.

سؤال الشكل

حدد عدد البروتونات وعدد الإلكترونات في ذرة ذهب.

---

مثال 3-1

العدد الذري

أكمل الجدول الآتي:

| الحالة | العنصر | العدد الذري | عدد البروتونات | عدد الإلكترونات |
| ------ | ------ | ----------: | -------------: | --------------: |
| a | Pb | 82 | — | — |
| b | — | — | 8 | — |
| c | — | — | — | 30 |

1 تحليل المسألة

طبق العلاقة بين العدد الذري، وعدد البروتونات، وعدد الإلكترونات لإكمال الفراغات في الجدول أعلاه، ثم استعمل الجدول الدوري لتحديد العنصر.

المعطيات

a. عدد الإلكترونات e⁻ = العدد الذري للرصاص = 82.
b. عدد البروتونات P = 8.
c. عدد الإلكترونات e⁻ = 30.

المطلوب

a. عدد البروتونات P، وعدد الإلكترونات e⁻ = ؟
b. العنصر، العدد الذري، عدد الإلكترونات e⁻ = ؟
c. العنصر، العدد الذري، عدد البروتونات P = ؟

2 حساب المطلوب

a

عدد البروتونات = العدد الذري.
عدد البروتونات = 82.
عدد الإلكترونات = عدد البروتونات.
عدد الإلكترونات = 82.

إذن: عدد البروتونات = عدد الإلكترونات = 82.

b

العدد الذري = عدد البروتونات.
العدد الذري = 8.
عدد الإلكترونات = عدد البروتونات.
عدد الإلكترونات = 8.

إذن: العدد الذري = عدد الإلكترونات = 8.
العنصر هو الأكسجين O.

c

عدد البروتونات = عدد الإلكترونات.
عدد البروتونات = 30.
العدد الذري = عدد البروتونات.
العدد الذري = 30.

إذن: العدد الذري = عدد البروتونات = 30.
العنصر هو الخارصين Zn.

3 تقويم الإجابة

تتفق الأجوبة مع الأعداد الذرية ورموز العناصر الموجودة في الجدول الدوري.

مسائل تدريبية

• ما عدد البروتونات والإلكترونات في كل من ذرتي العنصرين الآتيين؟

a. الرادون Rn.
b. المغنيسيوم Mg.

• ما العنصر الذي تحتوي ذرته على 66 إلكترونًا؟

• ما العنصر الذي تحتوي ذرته على 14 بروتونًا؟

• تحفيز: هل الذرات المبينة في الشكل عن اليسار لها العدد الذري نفسه؟

---

#

النظائر والعدد الكتلي

Isotopes and Mass Number

كان جون دالتون مخطئًا عندما اعتقد أنه لا يمكن تجزئة الذرات، وأن ذرات العنصر الواحد متشابهة؛ وذلك أن ذرات العنصر الواحد لها نفس عدد البروتونات وعدد الإلكترونات، إلا أن عدد النيوترونات قد يختلف. فعلى سبيل المثال، هناك ثلاثة أنواع من ذرات البوتاسيوم موجودة في الطبيعة، ويحتوي كل نوع منها على 19 بروتونًا و19 إلكترونًا، بينما يحتوي أحد أنواع ذرة البوتاسيوم على 20 نيوترونًا، والآخر على 21 نيوترونًا، والثالث على 22 نيوترونًا.

تسمى الذرات التي لها عدد البروتونات نفسه لكنها تختلف في عدد النيوترونات النظائر.

كتلة النظائر

النظائر التي تحتوي على عدد أكبر من النيوترونات تكون كتلتها أكبر. وعلى الرغم من هذه الاختلافات إلا أن ذرات نظائر العنصر يكون لها السلوك الكيميائي نفسه. وستعرف لاحقًا أن السلوك الكيميائي يحدده فقط عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة.

تحديد النظائر

كل نظير من نظائر العنصر يعرف بعدده الكتلي. العدد الكتلي مجموع عدد البروتونات، العدد الذري، وعدد النيوترونات في نواة العنصر.

العدد الكتلي

العدد الكتلي = العدد الذري + عدد النيوترونات.

العدد الكتلي لأي ذرة هو مجموع العدد الذري وعدد النيوترونات.

فعلى سبيل المثال لعنصر النحاس نظيران. النظير الذي يحتوي على 29 بروتونًا و34 نيوترونًا عدده الكتلي 63، ويكتب نحاس-63 أو Cu-63 أو ⁶³Cu. والعدد الكتلي للنظير الذي يحتوي على 29 بروتونًا و36 نيوترونًا هو 65، ويكتب نحاس-65 أو Cu-65 أو ⁶⁵Cu. ويكتب الكيميائيون النظائر أيضًا باستعمال تعابير الرمز الكيميائي والعدد الذري والعدد الكتلي، كما هو مبين في الشكل 3-16.

الشكل 3-16

الرمز الكيميائي لعنصر النحاس Cu. كانت الدروع قديمًا تصنع من نحاس-63 بنسبة 69.15%، ونحاس-65 بنسبة 30.85%.

النظائر في الطبيعة

توجد معظم العناصر في الطبيعة على هيئة خليط من النظائر. وعند الحصول على أي عينة من العنصر فإن نسبة وجود كل نظير تبقى ثابتة. فعلى سبيل المثال، عند فحص عينة من الموز نجد أنها تحتوي على 93.26% من ذرات البوتاسيوم التي تحتوي على 20 نيوترونًا، و6.73% من ذراته التي تحتوي على 22 نيوترونًا، و0.01% من ذراته التي تحتوي على 21 نيوترونًا.

وعند فحص عينة أخرى من الموز أو مصدر آخر للبوتاسيوم فإننا سنجد أن نسبة نظائر البوتاسيوم فيها هي نفسها. ويلخص الشكل 3-17 المعلومات المتعلقة بنظائر البوتاسيوم الثلاثة.

الشكل 3-17

للبوتاسيوم ثلاثة نظائر موجودة في الطبيعة، وهي: بوتاسيوم-39، وبوتاسيوم-40، وبوتاسيوم-41.

سؤال الشكل

اعمل قائمة بعدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات لكل نظير من نظائر البوتاسيوم.

---

#

مثال 3-2

استعمل العدد الذري والعدد الكتلي

تم تحليل تركيب نظائر عدة عناصر في أحد مختبرات الكيمياء. ويتضمن الجدول الآتي البيانات المتعلقة بتركيب هذه النظائر. حدد عدد البروتونات، والإلكترونات، والنيوترونات في نظير النيون، وسمِّ هذا النظير، وأعطه رمزًا.

بيانات نظائر بعض العناصر

| الرمز | العنصر | العدد الذري | العدد الكتلي |
| ----- | --------- | ----------: | -----------: |
| a | النيون | 10 | 22 |
| b | الكالسيوم | 20 | 46 |
| c | الأكسجين | 8 | 17 |
| d | الحديد | 26 | 57 |
| e | الخارصين | 30 | 64 |
| f | الزئبق | 80 | 204 |

1 تحليل المسألة

لديك بعض البيانات عن عنصر النيون في الجدول أعلاه، ويمكن إيجاد رمز النيون من الجدول الدوري، ويمكنك معرفة عدد البروتونات وعدد الإلكترونات في النظير من معرفتك العدد الذري له. يمكن إيجاد عدد النيوترونات في النظير بطرح العدد الذري من العدد الكتلي.

المعطيات

العنصر: النيون.
العدد الذري = 10.
العدد الكتلي = 22.

المطلوب

عدد النيوترونات، وعدد البروتونات، وعدد الإلكترونات = ؟
اسم النظير = ؟
رمز النظير = ؟

2 حساب المطلوب

عدد البروتونات = العدد الذري = 10.
عدد الإلكترونات = العدد الذري = 10.
عدد النيوترونات = العدد الكتلي - العدد الذري.
عدد النيوترونات = 22 - 10 = 12.

اسم النظير: النيون-22.
رمز النظير: ²²₁₀Ne.

3 تقويم الإجابة

طبقت العلاقة بين عدد البروتونات وعدد الإلكترونات وعدد النيوترونات، وكذلك اسم النظير والرمز بشكل صحيح.

مسائل تدريبية

• حدد عدد كل من البروتونات، والإلكترونات، والنيوترونات للنظائر من b إلى f في الجدول أعلاه. وسمِّ كل نظير، واكتب رمزه.

• تحفيز: العدد الكتلي لذرة يساوي 55، وعدد النيوترونات هو العدد الذري مضافًا إليه خمسة. ما عدد البروتونات، والإلكترونات، والنيوترونات في الذرة؟ وما رمز العنصر؟

---

#

الجدول 3-4

كتل الجسيمات المكونة للذرة

| الجسيمات المكونة للذرة | الكتلة بوحدة كتلة ذرية amu |
| ---------------------- | -------------------------: |
| إلكترون | 0.000549 |
| بروتون | 1.007276 |
| نيوترون | 1.008665 |

كتل الذرات

Mass of Atoms

بالرجوع إلى الجدول 3-3 فإن كتلة كل من البروتون والنيوترون تساوي تقريبًا:

1.67 × 10⁻²⁴ g

وكتلة الإلكترونات أصغر من ذلك، فهي حوالي:

1 / 1840

من كتلة البروتون أو النيوترون.

وحدة الكتل الذرية

لأن هذه الكتل صغيرة جدًا، ويصعب التعامل بها، فقد قام العلماء بتطوير طريقة جديدة لقياس كتلة الذرة بالنسبة إلى كتلة ذرة معيارية. هذه الذرة المعيارية هي ذرة الكربون التي كتلتها الذرية 12. لذا فإن وحدة الكتل الذرية amu تعرف بأنها:

1 / 12

من كتلة ذرة الكربون-12. لذا فإن وحدة الكتلة الذرية تساوي تقريبًا كتلة بروتون واحد أو نيوترون واحد. ولكن من المهم معرفة أن كتلتي البروتون والنيوترون أكبر من واحد وهما مختلفتان قليلًا. ويبين الجدول 3-4 كتل الجسيمات المكونة للذرة بدلالة وحدة الكتلة الذرية amu.

رموز الكتب

يرمز لوحدة الكتل الذرية atomic mass unit بعلم الفيزياء والكيمياء بالرمز u أو amu، وكلاهما صحيح ويعبران عن نفس الوحدة.

الكتلة الذرية

لأن كتلة الذرة تعتمد أساسًا على عدد البروتونات وعدد النيوترونات فيها، ولأن كتلة كل من البروتون والنيوترون قريبة من 1 amu، فقد تتوقع أن الكتلة الذرية للعنصر هي دائمًا عدد صحيح. لكن هذا ليس صحيحًا؛ إذ إن الكتلة الذرية للعنصر هي متوسط كتل نظائر العنصر. ولأن للنظائر كتلًا مختلفة فإن متوسط الكتلة الذرية ليس عددًا صحيحًا. ويبين الشكل 3-18 حساب متوسط الكتلة الذرية للكلور.

يوجد الكلور في الطبيعة مزيجًا من 76% كلور-35، و24% كلور-37. والكتلة الذرية للكلور تساوي 35.453 amu.

الشكل 3-18

حساب متوسط الكتلة الذرية لعنصر الكلور.

كلور-35

الكتلة الذرية = 34.969 amu.
نسبة وجود النظير = 75.78%.
الإسهام في الكتلة = 0.7578 × 34.969 amu = 26.500 amu.

كلور-37

الكتلة الذرية = 36.966 amu.
نسبة وجود النظير = 24.22%.
الإسهام في الكتلة = 0.2422 × 36.966 amu = 8.9532 amu.

متوسط الكتلة الذرية للكلور = 26.500 amu + 8.9532 amu = 35.453 amu.

---

#

ولأن الكتلة الذرية هي متوسط الكتل الذرية فإن ذرات الكلور-35 والتي توجد بنسبة أكبر من ذرات الكلور-37 لها تأثير أكبر في تحديد الكتلة الذرية للكلور.

تحسب الكتلة الذرية للكلور بضرب نسبة وجود كل نظير في كتلته الذرية، ثم تجمع النواتج. ويمكنك حساب الكتلة الذرية لأي عنصر إذا كنت تعرف عدد نظائره وكتلها الذرية ونسبة وجود كل نظير في الطبيعة.

ماذا قرأت؟

وضح كيف تحسب الكتلة الذرية؟

نسبة النظائر

إن تحليل كتلة العنصر يمكننا من معرفة أي نظائر العنصر أكثر وجودًا في الطبيعة. فعلى سبيل المثال، الفلور F كتلته الذرية قريبة من 19 amu، فإذا كان للفلور عدة نظائر فإن كتلته الذرية لن تكون قريبة من عدد صحيح، لذا يمكن استنتاج أن الفلور الموجود في الطبيعة هو على الأرجح على شكل فلور-19.

خذ البروم Br مثالًا آخر، تجد أن كتلته الذرية 79.904 amu، وهي قريبة من 80 amu، فيبدو كما لو أن نظير البروم الأكثر وجودًا هو البروم-80. ومع ذلك فإن نظيري البروم وهما البروم-79 كتلته 78.918 amu ونسبة وجوده في الطبيعة 50.69%، والبروم-81 كتلته 80.917 amu ونسبة وجوده 49.031%. وعلى ذلك فالبروم-80 غير متوافر في الطبيعة.

الشكل 3-19

يستخرج البروم من مياه البحر الميت والبحيرات المالحة. البحر الميت في الأردن من أهم مناطق إنتاج البروم في العالم، ويستعمل البروم في التحكم في الميكروبات والطحالب في برك السباحة. كما يستعمل أيضًا في الأدوية والزيوت والدهانات والمبيدات.

---

تجربة

نمذجة النظائر

كيف يمكنك حساب الكتلة الذرية لعنصر مستخدمًا نسب وجود نظائره؟ يمكن استخدام حبات من الخرز بألوان مختلفة لعمل نموذج لعنصر له نظائر في الطبيعة؛ لأن لها تراكيب مختلفة. ستحدد كتلة كل نظير ومتوسط الكتلة الذرية للعنصر.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

• احصل من معلمك على كيس من حبات الخرز من النوع نفسه، ولكنها مختلفة الألوان. صنف حبات الخرز وفق ألوانها إلى مجموعات. عد حبات الخرز في كل مجموعة وحبات الخرز كافة، وسجل الأعداد.

• باستخدام الميزان حدد كتلة 10 حبات من الخرز من كل مجموعة، وسجل كل كتلة إلى أقرب 0.01 g. اقسم مجموع الكتل لكل مجموعة على عشرة للحصول على متوسط الكتلة.

التحليل

• احسب نسبة وجود كل مجموعة مستعينًا بالبيانات من الخطوة 2. وللقيام بذلك اقسم عدد حبات كل مجموعة على العدد الكلي لحبات الخرز.

• حدد الكتلة الذرية للخرز من خلال نسبة وجود كل نظير والبيانات من الخطوة 3. وللقيام بذلك استخدم المعادلة الآتية:

الإسهام في الكتلة = الكتلة × نسبة وجود النظير.

• استنتج: هل تختلف الكتلة الذرية إذا حصلت على كيس آخر يحتوي على عدد مختلف من النوع نفسه من الخرز؟ علل إجابتك.

• فسر لماذا تم تحديد متوسط كتلة كل مجموعة من الخرز بقياس كتلة 10 حبات بدلًا من حبة واحدة من كل مجموعة؟

---

#

مثال 3-3

احسب الكتلة الذرية

اعتمادًا على البيانات الموجودة في الجدول، احسب متوسط الكتلة الذرية للعنصر X، ثم حدد هذا العنصر الذي يستعمل طبيًا في معالجة بعض الأمراض العقلية.

1 تحليل المسألة

احسب الكتلة الذرية واستعمل الجدول الدوري للتأكد.

المعطيات

كتلة النظير ⁶X = 6.015 amu.
نسبة النظير ⁶X = 7.59% = 0.0759.
كتلة النظير ⁷X = 7.016 amu.
نسبة النظير ⁷X = 92.41% = 0.9241.

المطلوب

الكتلة الذرية للعنصر X = ؟ amu
العنصر X = ؟

بيانات وجود نظائر العنصر X

| النظير | الكتلة amu | نسبة وجود النظير |
| ------ | ---------: | ---------------: |
| ⁶X | 6.015 | 7.59% |
| ⁷X | 7.016 | 92.41% |

2 حساب المطلوب

احسب إسهام ⁶X:

إسهام الكتلة = الكتلة × نسبة النظير.
إسهام الكتلة = 0.0759 × 6.015 = 0.4565 amu.

احسب إسهام ⁷X:

إسهام الكتلة = الكتلة × نسبة النظير.
إسهام الكتلة = 0.9241 × 7.016 = 6.483 amu.

اجمع إسهام الكتلة لإيجاد الكتلة الذرية:

الكتلة الذرية للعنصر X = 0.4565 + 6.483 = 6.939 amu.

تحديد العنصر باستعمال الجدول الدوري:

العنصر الذي كتلته الذرية المتوسطة 6.939 amu هو عنصر الليثيوم Li.

3 تقويم الإجابة

تتوافق نتيجة الحسابات مع الكتلة الذرية الموجودة في الجدول الدوري.

مسائل تدريبية

• للبورون B نظيران في الطبيعة: هما البورون-10، نسبة وجوده 19.8%، وكتلته 10.013 amu، والبورون-11، نسبة وجوده 80.2%، وكتلته 11.009 amu. احسب الكتلة الذرية للبورون.

• تحفيز: للنيتروجين نظيران في الطبيعة، هما نيتروجين-14 ونيتروجين-15، وكتلته الذرية 14.007 amu. أي النظيرين له نسبة وجود أكبر في الطبيعة؟ فسر إجابتك.

---

التقويم 3-3

الخلاصة

العدد الذري لأي ذرة هو عدد البروتونات في نواتها، والعدد الكتلي هو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات.

ذرات العنصر الواحد التي تختلف في عدد النيوترونات تسمى النظائر.

الكتلة الذرية لأي عنصر هي متوسط كتل نظائر العنصر الموجودة في الطبيعة.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسية: فسر كيف يمكن معرفة نوع الذرة؟

• تذكر: أي الجسيمات الذرية تحدد ذرة عنصر معين؟

• فسر كيف أن وجود النظائر مرتبط مع حقيقة أن الكتل الذرية ليست أرقامًا صحيحة؟

• احسب للنحاس نظيران: النحاس-63، نسبة وجوده 69.2%، وكتلته 62.93 amu، والنحاس-65، نسبة وجوده 30.8%، وكتلته 64.928 amu. احسب الكتلة الذرية للنحاس.

• احسب للماغنيسيوم ثلاثة نظائر: الأول كتلته 23.985 amu ونسبة وجوده 79.99%، والثاني كتلته 24.986 amu ونسبة وجوده 10.00%، والثالث كتلته 25.982 amu ونسبة وجوده 11.01%. احسب الكتلة الذرية للماغنيسيوم.