في هذه المقالة سنتعرف على مكونات الذرة بالتفصيل مع توضيح الهيكل الهندسي لها. كما سنشحرح مستويات الطاقة والتي تعبر عن التركيب الإلكتروني للذرة. بالإضافة إلى التوزيع الإلكتروني على هذه المستويات. وملخص عن النظريات الذرية بما في ذلك النموذج الذري الحديث. وسنوضح في الأخير بعض خصائص الذرة. والآن دعنا ندخل في التفاصيل التي تجعلنا نعرف مفهوم الذرة بشكل أكثر عمقا.
تعريف الذرة
يمكن تعريف الذرة بأنها أصغر جزء من العنصر يدخل في التفاعلات الكيميائية ويحمل صفات ذلك العنصر. وتحتوي الذرة على مكونات أصغر منها وهي؛ نواة موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة الكهربية.
تحتوي النواة على جسيمات تسمى "البروتونات" وهي المسؤولة عن الشحنة الموجبة، وجسيمات أخرى لا تحمل أية شحنة تسمى "النيوترونات".
تركيب الذرة (مكونات الذرة)
تتركب الذرة من اثنتين من المكونات الرئيسية وهي:
1. النواة:
فهي بدورها تتكون من الجسيمات التالية:
أ. النيوترونات:
يمكن أن تحتوي الذرة على نيوترون واحد أو أكثر، عدا ذرات الهيدروجين فهي لا تحتوي على نيوترونات. لذلك فإن النيوترونات جسيمات صغيرة توجد داخل النواة وهي غير مشحونة.
تشكل النيوترونات نصف كتلة الذرة (وزن الذرة) تقريبا، وأحيانا تمثل أكثر من ذلك وخاصة في النظائر. وبالإضافة إلى كونها ليست مشحونة؛ أكسبت هذه الجسيمات صفاتها المميزة التي تؤثر على الخصائص النووية للذرة.
ب. البروتونات:
المكون الثاني من مكونات الذرة هو البروتونات وهي جسيمات صغيرة الحجم توجد داخل النواة، وتمتلك شحنة موجبة. تزداد شحنة النواة كلما زادت عدد البروتونات بداخلها.
مجموع عدد البروتونات في الذرة يساوي العدد الذري لها، وهذه صفة ذرية. كما تشكل البروتونات نصف الكتلة الذرية (الوزن الذري) المتبقية. وبهذا يمكن أن نصل إلى أن:
1. العدد الذري: هو مجموع عدد البروتونات لذرة معينة.
2. العدد الكتلي (الوزن الذري): هو مجموع عدد النيوترونات والبروتونات لذرة معينة.
2. الإلكترونات:
هي جسيمات صغيرة جدا خاصة إذا قورنت بالجسيمات الموجودة داخل نواة الذرة، تمتلك شحنة سالبة. ولذلك يتم إهمال كتلتها عند حساب كتلة الذرة.
تدور الإلكترونات حول نواة الذرة في مدارات (مسارات) مختلفة تسمى "مستويات الطاقة" . يحافظ كل إلكترون الدوران على مساره ما لم يحصل على كمية معينة من الطاقة (فوتونات) أو يفقد تلك الكمية. وإذا حصل على الكمية الكافية ستنتقل إلى مستوى أعلى في الطاقة، أما إذا انتزع منه ستنتقل إلى مستوى أقل في الطاقة.
كتلة البروتون تساوي كتلة النيوترون تقريبا، بينما الإلكترون أصغر منهما بكثير. الجدول التالي يوضح كتل مكونات الذرة:
| الجسيم | الشحنة | الكتلة (كجم) |
|---|---|---|
| النيوترون | 0 | 1.675×10-27 |
| البروتون | +1 | 1.673×10-27 |
| الإلكترون | -1 | 9.109×10-31 |
هيكل الذرة
المقصود بهكل الذرة هنا هو الشكل الهندسي له. بالنظر إلى بعض الصور التوضيحية للذرة، وكذلك بعض المعلومات العامة؛ يبدو للمرء أن الذرة تشبه المجموعة الشمسية. لكن الصور الأكثر دقة للذرة وما نتاج عن التجارب من معلومات تظهر بنية مختلفة بعض الشيء. لذلك تابع المختصر عن النظريات الذرية التالي، لفهم شكل الذرة. والصورة التوضيحية أدناه لشكل ذرة الكربون.
ملخص النظريات الذرية
لقد مرت الذرة على مر التاريخ بكثير من المفاهيم والتوضيحات. بعضها خاطئة وبعضها ناقصة وبعضها قريبة إلى المفهوم الحديث للذرة. ففي عام 1807م قدم مدرس اللغة الإنجليزية جون دالتون نظرية أكثر تطورا من سابقاتها. وتشير إلى أن الذرة أصغر جزء من المادة يمكن أن يحدث تغييرا كيميائيا، ويحتوي العنصر على نوع واحد من الذرات.
من الأشياء التي ذكرها دالتون أيضا أن الذرات المختلفة تختلف عن بعضها في الخواص، وذكر تكوين المركبات ...إلخ. لكن وقتها الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات وغيرها غير مكتشفة لذلك كان هيكل ذرة دالتون عبارة عن كرة مصمتة.
في عام 1903م اكتشف العالم الإنجليزي طومسون جسيمات أصغر من الذرة تمتلك شحنة سالبة. واقترح بأن شكل الذرة عبارة عن كرة موحدة موجبة الشحنة تتخللها الإلكترونات.
ومع الإضافة الكبيرة التي قدمها اكتشاف طومسون للإلكترونات إلا أن هناك أخطاء في تفسير الشكل الهندسي للذرة. وهذه الأخطاء أثبتها العالم رذرفورد خلال تجاربه عام 1904. والذي قال أن هناك شحنة موجبة مركزة في جزء صغير من الذرة والتي سماها بالنواة. هذا العالم حصل بهذا الانجاز على جائزة نوبل للكيمياء 1908م.
في عام 1911م اقترح بوهر وجود مدارات دائرية ثابتة حول النواة للإلكترونات. في النموذج الحديث للذرة تشغل الإلكترونات أماكن معينة (مدارات) في فضاء الذرة محددة بمستويات الطاقة[1].
النموذج الذري الحديث:
يمثل النموذج الذري الحديث ذرات تحتوي على نواة من البروتونات والنيوترونات وتدرج غامض أو سحابة تحيط به تحتوي على إلكترونات. يشار إلى هذا أحيانًا باسم نموذج السحابة. السبب في تمثيل الإلكترونات كسحابة هو أن سلوكها احتمالي (مبدأ عدم اليقين). وفقًا للتجارب التي أجراها علماء الفيزياء الذرية ، تتصرف الإلكترونات بطريقة تجعل من المستحيل قياس كل من موقعها وزخمها في وقت واحد. هذا السلوك يشبه الموجة[3].
مستويات الطاقة الرئيسية والتوزيع الإلكتروني
توجد إلى الآن سبعة مستويات طاقة رئيسية مكتشفة تتوزع عليها الإلكترونات؛ وتترتب حسب الطاقة. بعضها قريبة من النواة وهي الأقل طاقة وتتسع لعدد أقل من الإلكترونات، والمستوى السابع هو الأبعد عن النواة؛ وهو خاص بالذرات الأكبر حجما. فهو يتسع لأكبر عدد من الإلكترونات. وكل مستوى طاقة يتسع لعدد معين (أقصى عدد) من الإلكترونات وهي من واحد إلى 2n2 حيث n رقم المستوى (من 1 إلى 7).
| المستوى | رقم المستوى(n) | الرمز |
|---|---|---|
| المستوى الأول | n = 1 | K |
| المستوى الثاني | n = 2 | L |
| المستوى الثالث | n = 3 | M |
| المستوى الرابع | n = 4 | N |
| المستوى الخامس | n = 5 | O |
| المستوى السادس | n = 6 | P |
| المستوى السابع | n = 7 | Q |
مثلا: ذرة الكلور التي تمتلك 17 إلكترون يمكن توزيعها كالتالي:
باستخدام العلاقة الرياضية: 2n2 نحصل على
٢×(١)٢ = ٢ إذا المستوى الأول للكلور يحتوي على إلكترونين.
الآن امتلأ المستوى الأول وبقي لدينا 15 إلكترون من أصل 17. ننتقل إلى المستوى الثاني لتوزيع الباقي:
٢×(٢)٢ = ٨ إذا المستوى الثاني للكلور يحتوي على ٨ إلكترونات.
لقد وزعنا 10 إلكترونات بين المستويين K و L وتبقى لنا 7 إلكترونات نقوم بتوزيعها الآن. لذلك ننتقل إلى المستوى الثالث:
عند استخدام المعادلة السابقة ستعطينا 18 إلكترونات ونحن لدينا فقط 7 إلكترونات لذلك سنوزعها على المستوى الأخير. إذا الغلاف أو المستوى الخارجي للكلور يأخذ 7 إلكترون.
ما قمنا به في الغلاف الأخير للكلور يعتبر قاعدة عامة ينطبق عليها كل الحالات المشابهة لها في التوزيع الإلكتروني.
قاعدة توزيع إلكترونات المدار (المستوى) الأخير:
1. كل المدارات الأخيرة يجب أن تحتوي على عدد إلكترونات ما بين 1 إلى 8.
2. تتكرر المدارات الأقل في الطاقة (بدءا بالأكبر طاقة) إذا كان عدد الإلكترونات غير كافية للمستوى التالي.
وهناك أيضا مستويات فرعية للمستويات الرئيسية وهي s,p,d,f. يحتوي مستوى الطاقة الرئيسي K على مستوى فرعي واحد وهو 1s، والمستوى L يحتوي على اثنين من المستويات الفرعية وهي 2s, 2p. بينما يحتوي المستوى الرئيسي الثالث M على ثلاث مستويات فرعية وهي 3s, 3p, 3d [2]، وهكذا إلى المستوى الأخير.
مثال لتوزيع الليثيوم Li3: يتم توزيع الإلكترونات الثلاثة كالتالي: 1s2, 2s1.
خصائص الذرة
يمتلك الذرة العديد من الخصائص الكيميائية و الخصائص الفيزيائية؛ وهذه الخواص تختلف باختلاف الذرات. تختلف الذرات في طريقة تفاعلها مع الذرات والمركبات الأخرى.
مثلا بعض الذرات لديها كهرسلبية عالية أي أنها رديئة التوصيل للحرارة والكهرباء. وتختلف كذلك في ألوانها وبعضها ذو نشاط كيميائي عالي وبعضها خاملة كيميائيا مثل الغازات النبيلة.
بعض عناصر الذرات صلبة مثل الحديد والنحاس وبعضها سائل مثل الزئبق والبعض الآخر غاز مثل غاز الفلور والكلور والنيتروجين.
بعضها يكون أيونات موجبة أي: أعداد أكسدة موجبة والبعض الآخر يكون أيونات سالبة، وتختلف أيضا في طاقات التأين.
زيادة العدد الذري (عدد البروتونات) أو نقصانه يؤدي إلى اختلاف في أنواع الذرات. لكن زيادة عدد النيوترونات ينتج عنها ما يسمى ب "النظائر".
اقرأ أيضا: الحجم الذري وكيفية زيادته في الجدول الدوري.
_______________