تركيب الذرة والنظائر: من رموز النويدات للوزن الذري

البروتونات والنيوترونات والإلكترونات بوحدات مقاسة

البروتون بيحمل شحنة +1 بوحدات الشحنة الأولية، e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C، والإلكترون بيحمل −1. والنيوترون ملوش شحنة. الكتل بتتدّي عادةً بوحدات الكتلة الذرية الموحّدة (u، واسمها كمان دالتون، Da)، حيث 1 u هو جزء من اتناشر من كتلة ذرة كربون-12، يعني 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

من قيم CODATA لسنة 2022 اللي نشرتها NIST، البروتون 1.007276 u، والنيوترون 1.008665 u، والإلكترون 0.000549 u. البروتون أتقل من الإلكترون بحوالي 1836 مرة، فتقريبًا كل كتلة الذرة موجودة في النواة. والنواة كمان صغيرة جدًا: نصف قطرها في حدود 10⁻¹⁵ m، بينما نصف قطر الذرة في حدود 10⁻¹⁰ m. علشان كده الإلكترونات هي اللي بتحدد حجم الذرة وكيمياءها، والنواة هي اللي بتحدد كتلتها.

قراية رموز النويدات وعدّ الجسيمات في الأيونات

العدد الذري Z هو عدد البروتونات. وهو اللي بيحدد العنصر: كل ذرة فيها 17 بروتون هي كلور. والعدد الكتلي A هو إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات، فعدد النيوترونات هو A − Z. رمز النويدة بيكتب A كرقم علوي على الشمال وZ كرقم سفلي على الشمال من رمز العنصر، زي ³⁵₁₇Cl. ولأن الرمز نفسه بيحدد Z أصلًا، الرقم السفلي كتير بيتشال، فيبقى ³⁵Cl أو كلور-35.

الإلكترونات بتساوي البروتونات في الذرة المتعادلة بس. الأيون اللي شحنته q فيه Z − q إلكترون، فالشحنة الموجبة معناها إلكترونات أقل والسالبة معناها إلكترونات أكتر. والشحنة عمرها ما بتغيّر النواة.

مثال محلول 1. لـ ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26، يعني 26 بروتون؛ و56 − 26 = 30 نيوترون؛ و26 − 3 = 23 إلكترون. ولـ ¹²⁷I⁻: 53 بروتون، و127 − 53 = 74 نيوترون، و53 + 1 = 54 إلكترون. ولـ ³⁴S²⁻: 16 بروتون، و18 نيوترون، و18 إلكترون. لاحظ إن ³⁴S²⁻ فيه نفس عدد إلكترونات ذرة الأرجون؛ تطابق عدد الإلكترونات هو اللي بيخلّي الأيونات متساوية الإلكترونات، مش تطابق الأعداد الكتلية.

ليه النظائر بتتفاعل بنفس الطريقة لكن بتختلف في الكتلة

النظائر ذرات ليها نفس Z لكن أعداد نيوترونات مختلفة. الكلور-35 والكلور-37 الاتنين فيهم 17 بروتون، وكذرات متعادلة فيهم 17 إلكترون. السلوك الكيميائي بتتحكم فيه الإلكترونات، فالنظيرين بيكوّنوا نفس المركبات بنفس النسب.

الخواص اللي بتعتمد على الكتلة بتختلف فعلًا بشوية صغيرين. الجزيئات الأخف بتتحرك أسرع عند درجة حرارة معيّنة، والروابط مع النظائر الأتقل بتتفاعل أبطأ شوية. التأثيرات دي صغيرة في العناصر التقيلة. وتخصيب اليورانيوم بيوريك قد إيه هي صغيرة. حسب قانون جراهام، نسبة معدلات التدفق لـ ²³⁵UF₆ و²³⁸UF₆ هي √(M₂/M₁). باستخدام كتل النظائر من NIST، M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol وM(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol، فالنسبة √(352.041/349.034) = 1.0043. مرور واحد خلال حاجز بيخصّب النظير الأخف بأقل من نص في المية، وده سبب إن محطات التخصيب محتاجة مراحل كتير ورا بعض.

المتوسطات الموزونة: من كتل النظائر للوزن الذري

الوزن الذري اللي في الجدول الدوري مش كتلة أي ذرة واحدة. هو متوسط كتلة ذرات العنصر في عينة عادية، موزون بحسب انتشار كل نظير. اضرب كتلة كل نظير في وفرته الكسرية واجمع حواصل الضرب. والكسور لازم مجموعها يبقى 1.

مثال محلول 2. المغنيسيوم ليه تلات نظائر مستقرة. من جداول NIST للأوزان الذرية والتركيبات النظيرية: ²⁴Mg، 23.985042 u، الوفرة 0.7899؛ و²⁵Mg، 24.985837 u، 0.1000؛ و²⁶Mg، 25.982593 u، 0.1101. حواصل الضرب هي 18.94578 و2.49858 و2.86068 u، ومجموعها 24.30505 u. قواعد الأرقام المعنوية الصارمة لو اتطبّقت على الوفرات اللي فيها أربع أرقام هتقرّب ده لـ 24.31 u. ولو اتسابت لتلات منازل عشرية تبقى 24.305 u، وهي القيمة المتعارف عليها المطبوعة في أغلب الجداول الدورية.

اعمل نفس الحساب للكلور، باستخدام ³⁵Cl عند 34.968853 u بوفرة 0.7576 و³⁷Cl عند 36.965903 u بوفرة 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. تقدير سريع بيكشف الأخطاء: المتوسط لازم يقع بين كتل النظائر وأقرب للنظير الأوفر.

الحل بالعكس لإيجاد وفرة نظير

لو العنصر ليه نظيرين وإنت عارف الوزن الذري، تقدر تحسب الوفرات. سمّي كسر النظير الأول x؛ يبقى التاني 1 − x. اكتب المتوسط الموزون كمعادلة وحلّها لـ x.

مثال محلول 3. النحاس وزنه الذري القياسي 63.546 وليه نظيرين مستقرين، ⁶³Cu عند 62.929598 u و⁶⁵Cu عند 64.927790 u (NIST). يبقى 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. بإعادة الترتيب x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. فالنحاس 69.15% ⁶³Cu و30.85% ⁶⁵Cu، وده بيطابق وفرات NIST 0.6915 و0.3085.

الطريقة دي بتنفع مع نظيرين بس. مع تلاتة، المتوسط الواحد بيدّي معادلة واحدة في مجهولين، وهتحتاج قياس تاني، زي طيف الكتلة.

أنماط النظائر في طيف الكتلة

مطياف الكتلة بيأيّن العينة، ويفصل الأيونات حسب نسبة الكتلة للشحنة، ويسجّل كام أيون بيوصل عند كل قيمة. لعنصر واحد، ارتفاعات القمم بتدّي وفرات النظائر مباشرة. وفي الجزيئات، النظائر بتتجمع مع بعض وبتعمل أنماط ممكن تتعرف.

مثال محلول 4. اتوقّع نمط الأيون الجزيئي لـ Cl₂. خلّي p = 0.7576 لـ ³⁵Cl وq = 0.2424 لـ ³⁷Cl. الجزيء بيبقى ³⁵Cl–³⁵Cl (الكتلة 70) باحتمال p² = 0.5740، و³⁵Cl–³⁷Cl (الكتلة 72) باحتمال 2pq = 0.3673، و³⁷Cl–³⁷Cl (الكتلة 74) باحتمال q² = 0.0588. المعامل 2 بيعدّ الطريقتين اللي تجيب بيهم واحد من كل نوع. ولو قسّمناها بحيث أعلى قمة تبقى 100، النمط يبقى 100 : 64.0 : 10.2.

بيطلع من كده اختصارين. المركّب اللي فيه ذرة كلور واحدة بيدّي قمم بينها وحدتين كتلة بنسبة حوالي 3 : 1، لأن p/q = 3.13. والمركّب اللي فيه ذرة بروم واحدة بيدّي قمتين ارتفاعهم تقريبًا متساوي، لأن NIST بتسرد ⁷⁹Br عند 0.5069 و⁸¹Br عند 0.4931.

أخطاء في تركيب الذرة بتضيّع درجات

أغلب الأخطاء بتيجي من لخبطة الأعداد التلاتة أو من معاملة الوزن الذري على إنه خاصية لذرة واحدة. اكتب Z وA والشحنة قبل ما تعدّ أي حاجة.

• تغيير عدد البروتونات عشان تعمل أيون. الشحنة بتغيّر الإلكترونات بس؛ والبروتونات هي اللي بتحدد العنصر.
• إضافة إلكترونات لأيون موجب. الأيون 3+ فيه إلكترونات أقل من الذرة بتلاتة.
• قراية الوزن الذري على إنه عدد كتلي. مفيش ذرة كلور كتلتها 35.45 u؛ ده متوسط لذرات كتلتها حوالي 35 u و37 u.
• استخدام النسب المئوية ككسور من غير قسمة على 100، وده بيدّي متوسط أكبر من الصح 100 مرة.
• نسيان المعامل 2 للأزواج المختلطة من النظائر، زي ³⁵Cl–³⁷Cl، لما بتتوقّع طيف الكتلة.
• إنك تسمّي نويدتين نظائر عشان ليهم نفس العدد الكتلي. ¹⁴C و¹⁴N ليهم نفس A لكنهم عناصر مختلفة.

نقص الكتلة والأوزان الذرية على هيئة فترات

لو جمعت ست بروتونات وست نيوترونات وست إلكترونات بكتل CODATA هيطلع 12.0989 u، مع إن ذرة الكربون-12 كتلتها 12 u بالظبط. الـ 0.0989 u الناقصة، حوالي 0.82% من الإجمالي، بتقابل الطاقة اللي اتحررت لما النواة اتكوّنت. نقص الكتلة ده هو سبب إن كتل النظائر مش أعداد صحيحة، وهو نقطة البداية لطاقة الترابط النووي.

في بعض العناصر، خليط النظائر بيختلف بين المصادر الطبيعية بدرجة كفاية إن لجنة IUPAC لوفرة النظائر والأوزان الذرية بتذكر فترة بدل رقم واحد. الكلور متسجّل [35.446, 35.457] والمغنيسيوم [24.304, 24.307]. في الحسابات العادية، استخدم القيم المفردة المتعارف عليها، 35.45 و24.305، إلا لو المقرر بتاعك قال غير كده.