كيف تختلف الذرات؟

يقوم الدرس على ربط هوية الذرة بعدد البروتونات فيها، وهو ما يُعرف بالعدد الذري. ولأن الذرات المتعادلة تتساوى فيها البروتونات والإلكترونات، فإن معرفة العدد الذري تكشفهما معاً. أما اختلاف النظائر لنفس العنصر فيكون باختلاف عدد النيوترونات، مما يغير العدد الكتلي. ولحساب متوسط الكتلة الذرية لأي عنصر، تضرب كتلة كل نظير في نسبة وجوده في الطبيعة ثم تجمع النواتج. فمثلاً، لو كان لعنصر نظيران بنسب متساوية، فتضرب نصف كتلة الأول في نسبته ونصف كتلة الثاني في نسبته وتجمعهما لتحصل على المتوسط المعياري بوحدة amu.

الفكرة الأساسية

يحدد عدد البروتونات نوع الذرة وهويتها، بينما تتشابه ذرات العنصر الواحد في البروتونات وتختلف في النيوترونات لتكوين النظائر.

الشرح

لكل مواطن رقم مدني مميز، وكذلك لكل ذرة رقم يحدد هويتها وأنويتها وهو العدد الذري Atomic Number، والذي يمثل عدد البروتونات في النواة. انظر إلى الجدول الدوري: ترتيب العناصر تصاعدياً يتم بحسب أعدادها الذرية. وحيث إن جميع الذرات في الطبيعة متعادلة، فإن عدد البروتونات الموجبة يساوي عدد الإلكترونات السالبة تماماً. اضرب مثلاً بعنصر الهيدروجين الذي رقمه واحد، فهذا يعني أن نواته تحوي بروتوناً واحداً وإلكتروناً واحداً. أما إذا اختلفت الذرات لنفس العنصر في عدد النيوترونات، فإننا نسميها النظائر Isotopes. مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات يعطي العدد الكتلي Mass Number. ولأن الكتل الذرية الحقيقية للجسيمات صغيرة جداً وصعبة التعامل، فقد اتفق العلماء على استخدام وحدة الكتل الذرية amu، وهي المعيار المقاس نسبة إلى ذرة الكربون 12. وحيث إن العناصر توجد في الطبيعة على شكل مخاليط من النظائر بنسب ثابتة، فإن الكتلة الذرية للعنصر ليست عدداً صحيحاً، بل هي متوسط كتل النظائر الموجودة في الطبيعة. تحسب الكتلة الذرية بضرب كتلة كل نظير في نسبة وجوده ثم جمع النواتج.

مثال محلول خطوة بخطوة

احسب متوسط الكتلة الذرية لعنصر X إذا علمت أن له نظيرين: النظير الأول: كتلته $6.015\text{ amu}$ ونسبة وجوده $7.59\%$ ($0.0759$). النظير الثاني: كتلته $7.016\text{ amu}$ ونسبة وجوده $92.41\%$ ($0.9241$). خطوات الحل:

1. احسب إسهام النظير الأول في الكتلة بضرب كتلته في نسبته العشرية: $6.015 \times 0.0759 = 0.4565\text{ amu}$.
2. احسب إسهام النظير الثاني في الكتلة بالطريقة نفسها: $7.016 \times 0.9241 = 6.483\text{ amu}$.
3. اجمع إسهامي النظيرين لتجد متوسط الكتلة الذرية للعنصر: $0.4565 + 6.483 = 6.939\text{ amu}$. بالرجوع إلى الجدول الدوري، العنصر الذي كتلته الذرية المتوسطة تساوي $6.939\text{ amu}$ هو عنصر الليثيوم Li.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن العدد الكتلي هو نفسه العدد الذري، والصواب أن العدد الكتلي هو مجموع البروتونات والنيوترونات.
• ظن أن الكتلة الذرية للعنصر في الجدول الدوري يجب أن تكون دائماً عدداً صحيحاً، والصواب أنها متوسط كتل النظائر وليست عدداً صحيحاً.
• الخلط بين نسبة الوجود والنسبة المئوية دون تحويلها إلى كسر عشري بالقسمة على $100$ عند حساب إسهام الكتلة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما عدد البروتونات والإلكترونات والنيوترونات لنظير النيون الذي رمزه $\frac{22}{10}\text{Ne}$ وعمره الذري $10$ وكتلته الكتلية $22$؟ الإجابة: عدد البروتونات = $10$، وعدد الإلكترونات = $10$، وعدد النيوترونات = $22 - 10 = 12$. السؤال الثاني: عنصر له نظيران، الأول كتلته $10.013\text{ amu}$ ونسبة وجوده $19.8\%$، والثاني كتلته $11.009\text{ amu}$ ونسبة وجوده $80.2\%$. احسب متوسط الكتلة الذرية له. الإجابة: إسهام الأول = $10.013 \times 0.198 = 1.983\text{ amu}$. إسهام الثاني = $11.009 \times 0.802 = 8.829\text{ amu}$. متوسط الكتلة الذرية = $1.983 + 8.829 = 10.812\text{ amu}$.