Chemistry · الكتاب 1 · Grades 1–12

الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر

الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12

16داخل الذرة

سنة 1909، في مختبر بمدينة مانشستر، أُطلقت حزمة من جسيمات دقيقة سريعة على رقاقة من الذهب سُمكها بضع مئات من الذرات. فاخترق معظمها الرقاقة مباشرة، كأن الذهب فارغ. لكن جسيمًا واحدًا تقريبًا من كل بضعة آلاف ارتدّ إلى الوراء. وقال إرنست رذرفورد، الذي أجرى طلابه التجربة: «كان الأمر كأنك أطلقت قذيفة عيارها خمس عشرة بوصة على ورقة منديل فارتدّت إليك وأصابتك». فالذرة، تلك القطعة من المادة التي لا تنقسم، لها بنية — وهي فارغة كلها تقريبًا.

ما تعرفه من قبل

كل المادة مكوّنة من ذرات، من نحو مئة نوع مختلف، لكل منها رمز مثل H\ce{H} وC\ce{C} وO\ce{O} وFe\ce{Fe}. وتتحد الذرات في جزيئات تصفها صيغ مثل HX2O\ce{H2O} (الفصل 11).

16.1 النواة والإلكترونات

تعريف 16.1 (النواة والإلكترون)

لكل ذرة قلب بالغ الصغر وثقيل، هو النواة، يحمل شحنة كهربائية موجبة. وتتحرك حوله جسيمات أخف منه بكثير، هي الإلكترونات، يحمل كل منها الشحنة السالبة نفسها، −e-e.

قضية 16.2 (الذرة متعادلة)

لا تحمل الذرة في مجموعها أي شحنة كهربائية: فالشحنة الموجبة لنواتها تعادلها تمامًا الشحنات السالبة لإلكتروناتها. والشحنة ee بالغة الصغر: e=1.60×10−19 Ce = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C} (والكولوم، وحدة الشحنة، من شأن كتاب الفيزياء).

ذرة، دون مراعاة المقياس. لو رُسمت النواة بحجم النقطة الحمراء لكان قطر سحابة الإلكترونات بضع مئات من الأمتار.
ذرة، دون مراعاة المقياس. لو رُسمت النواة بحجم النقطة الحمراء لكان قطر سحابة الإلكترونات بضع مئات من الأمتار.

16.2 البروتونات والنيوترونات

تعريف 16.3 (البروتون والنيوترون والنوكليون)

تتكون النواة من نوعين من الجسيمات: البروتونات، ويحمل كل منها الشحنة +e+e، والنيوترونات، وهي لا تحمل شحنة. والبروتونات والنيوترونات، ولها الكتلة نفسها تقريبًا، تسمى معًا النوكليونات.

تعريف 16.4 (العدد الذري والعدد الكتلي)

عدد البروتونات في النواة هو العدد الذري، ويُرمز إليه بالرمز ZZ. وعدد النوكليونات (البروتونات والنيوترونات معًا) هو العدد الكتلي، ويُرمز إليه بالرمز AA. وعدد النيوترونات هو N=A−ZN = A - Z.

ترميز 16.5 (رمز النويدة)

تُكتب الذرة ذات النواة المعيّنة برمزها، مع العدد الكتلي في أعلى اليسار والعدد الذري في أسفل اليسار: XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}. فمثلًا في X612X26212C\ce{^{12}_{6}C} ستة بروتونات و12−6=612 - 6 = 6 نيوترونات؛ وفي X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} ستة وعشرون بروتونًا وثلاثون نيوترونًا.

طريقة 16.6 (قراءة رمز النويدة)

للرمز XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}:

  1. البروتونات: ZZ؛
  2. النيوترونات: A−ZA - Z؛
  3. إلكترونات الذرة المتعادلة: ZZ، أي عدد البروتونات نفسه.

وللرمز X1123X211223Na\ce{^{23}_{11}Na}: 11 بروتونًا، و12 نيوترونًا، و11 إلكترونًا.

قراءة رمز النويدة: في ذرة الكلور هذه 17 بروتونًا، و35 - 17 = 18 نيوترونًا، و17 إلكترونًا حين تكون متعادلة.
قراءة رمز النويدة: في ذرة الكلور هذه 17 بروتونًا، و35−17=1835 - 17 = 18 نيوترونًا، و17 إلكترونًا حين تكون متعادلة.

16.3 العنصر الكيميائي ونظائره

تعريف 16.7 (العنصر الكيميائي)

العنصر الكيميائي مجموعة كل الذرات، وكل الذرات المشحونة المشتقة منها، التي لها العدد الذري ZZ نفسه. ولكل عنصر اسم ورمز: فكل ذرة فيها 6 بروتونات ذرة كربون، C\ce{C}؛ وكل ذرة فيها 8 بروتونات ذرة أكسجين، O\ce{O}.

تعريف 16.8 (النظائر)

ذرات العنصر الواحد التي تختلف في عدد نيوتروناتها، ومن ثم في عددها الكتلي، هي نظائر ذلك العنصر. فلها ZZ نفسه وAA مختلف.

مثال 16.9 (نظائر الكربون والهيدروجين)

الكربون الطبيعي نحو 98.9 %98.9\,\% منه كربون 12، X612X26212C\ce{^{12}_{6}C}، و1.1 %1.1\,\% كربون 13، X613X26213C\ce{^{13}_{6}C}، ومعهما أثر من الكربون 14، X614X26214C\ce{^{14}_{6}C}، الذي يُستعمل تحوّله البطيء إلى نواة أخرى لتأريخ الأخشاب والعظام القديمة (والنشاط الإشعاعي من شأن كتاب الفيزياء). وللهيدروجين ثلاثة نظائر: X11X2121H\ce{^{1}_{1}H}، بلا أي نيوترون، وهو الأشيع بفارق كبير؛ والدوتيريوم X12X2122H\ce{^{2}_{1}H}، بضع ذرات في كل مئة ألف؛ والتريتيوم X13X2123H\ce{^{3}_{1}H}.

قضية 16.10 (النظائر تتشابه في سلوكها الكيميائي)

كيمياء الذرة تتوقف على إلكتروناتها، ولنظائر العنصر الواحد العدد نفسه من الإلكترونات. ولذلك تتفاعل النظائر بالطريقة نفسها: فالماء المصنوع بالدوتيريوم يشبه الماء العادي مظهرًا وسلوكًا شبهًا شبه تام.

أنوية نظائر الهيدروجين الثلاثة: بروتون واحد في كل منها، و0 أو 1 أو 2 نيوترون.
أنوية نظائر الهيدروجين الثلاثة: بروتون واحد في كل منها، و0 أو 1 أو 2 نيوترون.

16.4 الأحجام والكتل

قضية 16.11 (النواة بالغة الصغر وتحمل كل الكتلة تقريبًا)

قطر الذرة نحو 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}؛ وقطر نواتها من 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} إلى 10−14 m10^{-14}\,\mathrm{m} تقريبًا: أي أصغر منها بنحو عشرة آلاف إلى مئة ألف مرة. وكتل الجسيمات هي

mp=1.673×10−27 kg,mn=1.675×10−27 kg,me=9.11×10−31 kg.m_p = 1.673 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_n = 1.675 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_e = 9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}.

فالبروتون أثقل من الإلكترون بنحو 1836 مرة، ولذلك فإن أكثر من 99.9 %99.9\,\% من كتلة الذرة في نواتها.

مثال 16.12 (كرة زجاجية في ملعب)

لو كانت نواة الذرة كرة زجاجية صغيرة قطرها 1 cm1\,\mathrm{cm} لكان قطر الذرة نحو 1 cm×100 000=1 km1\,\mathrm{cm} \times 100\,000 = 1\,\mathrm{km}: كرة صغيرة في وسط ملعب ضخم، وبضع ذرات من الغبار — هي الإلكترونات — تدور حول المدرجات. فالمادة في معظمها فراغ.

طريقة 16.13 (كتلة الذرة)

بما أن للبروتونات والنيوترونات الكتلة نفسها تقريبًا وأن الإلكترونات خفيفة جدًا، فإن كتلة الذرة قريبة من A×1.67×10−27 kgA \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}، حيث AA عددها الكتلي. ذرة كربون 12: 12×1.67×10−27=2.00×10−26 kg12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

16.5 تاريخ موجز لنموذج الذرة

لمحة تاريخية — من الذرة التي لا تنقسم إلى النواة، 1897–1932

اكتشف ج. ج. طومسون الإلكترون سنة 1897، وهو جسيم أخف بكثير من أي ذرة: فالذرات تنقسم إذن. وتصوّر الذرة كرة من مادة موجبة تتخللها الإلكترونات. وفي 1909–1911 بيّنت تجربة رقاقة الذهب التي أجراها فريق رذرفورد أن الشحنة الموجبة وكل الكتلة تقريبًا مستقرة في نواة بالغة الصغر. وفي 1913 اقترح نيلز بور أن الإلكترونات تشغل مستويات طاقة محددة حولها، وفي 1932 اكتشف جيمس تشادويك النيوترون.

إرنست رذرفورد (1871–1937).
تجربة رقاقة الذهب: تمر معظم الجسيمات مباشرة؛ وينحرف بعضها؛ ويرتد قليل جدًا منها عن نواة.

16.6 تمارين

تمرين 16.2 ★

أعطِ عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في X816X28216O\ce{^{16}_{8}O} وX1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al} وX2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}.

حل

حل التمرين 16.2.

X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}: 8 بروتونات، و8 نيوترونات، و8 إلكترونات. X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al}: 13، 14، 13. X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}: 20، 20، 20.

تمرين 16.3 ★

لماذا تكون الذرة متعادلة كهربائيًا؟

حل

حل التمرين 16.3.

فيها من الإلكترونات (شحنة كل منها −e-e) بقدر ما فيها من البروتونات (شحنة كل منها +e+e): فتتلاشى الشحنات.

تمرين 16.4 ★

في ذرة 26 بروتونًا و30 نيوترونًا. اكتب رمز نويدتها (والعنصر هو الحديد، Fe\ce{Fe}).

حل

حل التمرين 16.4.

A=26+30=56A = 26 + 30 = 56: X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

تمرين 16.5 ★★

هل X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} وX1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl} العنصر نفسه؟ وهل هما نظيران؟ علّل.

حل

حل التمرين 16.5.

نعم: لكليهما Z=17Z = 17، فكلاهما كلور. ولهما عددان كتليان مختلفان (18 و20 نيوترونًا): فهما نظيران.

تمرين 16.6 ★★

هل X614X26214C\ce{^{14}_{6}C} وX714X27214N\ce{^{14}_{7}N} نظيران؟ علّل.

حل

حل التمرين 16.6.

لا: لهما عددان ذريان مختلفان (6 و7)، فهما عنصران مختلفان، الكربون والنيتروجين. والنظائر لها ZZ نفسه.

تمرين 16.7 ★★

احسب، بالكتابة العلمية، الكتلة التقريبية لذرة X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

حل

حل التمرين 16.7.

56×1.67×10−27≈9.35×10−26 kg56 \times 1.67 \times 10^{-27} \approx 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

تمرين 16.8 ★★

في تجربة رقاقة الذهب، لماذا تمر معظم الجسيمات مباشرة عبر الذهب؟

حل

حل التمرين 16.8.

الذرة في معظمها فراغ: والنواة بالغة الصغر، فمعظم الجسيمات لا تلقى نواة في طريقها فتمر مباشرة.

تمرين 16.9 ★★

كم مرة تصغر نواة قطرها 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} عن ذرة قطرها 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}؟ اكتب الجواب قوةً للعدد عشرة.

حل

حل التمرين 16.9.

10−10/10−15=10510^{-10} / 10^{-15} = 10^{5}: أي أصغر بمئة ألف مرة.

تمرين 16.10 ★★

لماذا يكون لنظائر العنصر الواحد السلوك الكيميائي نفسه؟

حل

حل التمرين 16.10.

الكيمياء تتوقف على الإلكترونات، ولنظائر العنصر الواحد العدد نفسه من الإلكترونات (العدد ZZ نفسه).

تمرين 16.11 ★★★

في ذرة الحديد 26 إلكترونًا. احسب كتلتها الكلية، ثم الكسر الذي تمثله من كتلة ذرة X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} (استعمل الكتلة التي وجدتها في التمرين 7).

حل

حل التمرين 16.11.

26×9.11×10−31=2.37×10−29 kg26 \times 9.11 \times 10^{-31} = 2.37 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}. والكسر: 2.37×10−29/9.35×10−26≈2.5×10−42.37 \times 10^{-29} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 2.5 \times 10^{-4}، أي نحو 0.025 %0.025\,\% من الكتلة.

تمرين 16.12 ★★★

النحاس الطبيعي 69.15 %69.15\,\% منه نحاس 63 و30.85 %30.85\,\% نحاس 65. من بين 10 000 ذرة نحاس، كم ذرة من كل نظير؟ وما متوسط عدد النوكليونات في ذرة النحاس؟

حل

حل التمرين 16.12.

6915 ذرة من النحاس 63 و3085 ذرة من النحاس 65. والمتوسط: (6915×63+3085×65)/10 000=63.6(6915 \times 63 + 3085 \times 65)/10\,000 = 63.6 نوكليونًا.

16.7 مسألة: وزن الكلور

مسألة 16.1

مسألة نهاية الأسبوع — نظيرا الكلور، وكتلة كل ذرة، ومتوسط كتلة ذرة الكلور

الكلور الطبيعي خليط من نظيرين، الكلور 35 والكلور 37: فمن كل 1000 ذرة كلور، نحو 758 كلور 35 و242 كلور 37. خذ كتلة النوكليون 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} وكتلة الإلكترون 9.11×10−31 kg9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}. والعدد الذري للكلور 17.

الجزء الأول — نواتان.

  1. اكتب رمزي نويدتي النظيرين.
  2. أعطِ عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في كل منهما.
  3. لماذا يسمى كلاهما كلورًا؟ ولماذا هما نظيران؟
  4. هل تتفاعل عيّنة من الكلور 37 مع الصوديوم بالطريقة نفسها التي تتفاعل بها عيّنة من الكلور 35؟ علّل.

الجزء الثاني — كتلة كل ذرة.

  1. احسب كتلة نواة ذرة الكلور 35.
  2. احسب كتلة الإلكترونات السبعة عشر، وتحقق من أنه يمكن إهمالها إلى جانب النواة.
  3. احسب كتلة ذرة الكلور 37.
  4. كم ذرة من الكلور 35 تزن 1 g1\,\mathrm{g}؟ أعطِ الجواب بالكتابة العلمية.

الجزء الثالث — الذرة المتوسطة.

  1. ما النسبة المئوية لذرات الكلور 35 بين ذرات الكلور؟ ولذرات الكلور 37؟
  2. في 1000 ذرة من الكلور الطبيعي، احسب الكتلة الكلية لذرات الكلور 35 ولذرات الكلور 37.
  3. احسب كتلة هذه الذرات الألف.
  4. استنتج متوسط كتلة ذرة الكلور.
حل

حل المسألة 16.1.

1. X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} وX1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl}.

2. الكلور 35: 17 بروتونًا، و18 نيوترونًا، و17 إلكترونًا. الكلور 37: 17 بروتونًا، و20 نيوترونًا، و17 إلكترونًا.

3. لكليهما 17 بروتونًا، فكلاهما العنصر كلور؛ ولا يختلفان إلا في عدد النيوترونات، فهما نظيران.

4. نعم: فالكيمياء تتوقف على الإلكترونات، وفي كليهما 17 إلكترونًا.

5. 35×1.67×10−27=5.845×10−26 kg35 \times 1.67 \times 10^{-27} = 5.845 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

6. 17×9.11×10−31=1.55×10−29 kg17 \times 9.11 \times 10^{-31} = 1.55 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}: أي أقل من كتلة النواة بنحو 4000 مرة، فهي مهملة.

7. 37×1.67×10−27=6.179×10−26 kg37 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.179 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

8. 1 g=10−3 kg1\,\mathrm{g} = 10^{-3}\,\mathrm{kg}؛ و10−3/5.845×10−26≈1.71×102210^{-3} / 5.845 \times 10^{-26} \approx 1.71 \times 10^{22} ذرة.

9. 75.8 %75.8\,\% و24.2 %24.2\,\%.

10. 758×5.845×10−26=4.430×10−23 kg758 \times 5.845 \times 10^{-26} = 4.430 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}؛ و242×6.179×10−26=1.495×10−23 kg242 \times 6.179 \times 10^{-26} = 1.495 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

11. 4.430×10−23+1.495×10−23=5.925×10−23 kg4.430 \times 10^{-23} + 1.495 \times 10^{-23} = 5.925 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

12. 5.925×10−23/1000≈5.93×10−26 kg5.925 \times 10^{-23} / 1000 \approx 5.93 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}: وهو متوسط كتلة ذرة الكلور.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد