تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: بنية الذرة الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف بنية الذرة وممَّا تتكوَّن الذرات، ونربط حجمها بالأشياء المستخدَمة في حياتنا اليومية.

يتساءل البشر عمَّا يتكوَّن منه عالمنا لآلاف من السنين. افترَض ديموقريطوس، وهو فيلسوف يوناني قديم، أن العالم تكوَّن من ذرات غير قابلة للتجزئة منذ ألفين و سنة تقريبًا. بدأ العلماء في تنقيح هذه الفكرة تدريجيًّا، وأصبح لديهم الآن فهمٌ أوضح لما تعنيه الذرة، وكيف يجب وصفها.

تعريف: الذرة

الذرة هي الوحدة الأساسية للمادة، وتُستخدم لفهم الخواص الفيزيائية والكيميائية لعناصر الجدول الدوري.

يمكن اعتبار الذرات وحدات أساسية للمادة الكيميائية؛ لأن جميع العناصر الكيميائية تتكوَّن منها. تبلغ الذرات نحو واحد من عشرة آلاف من المليون من المتر. ويمكن أن تُعاد صياغة هذه العبارة بحيث توضِّح أن متوسط عرض الذرة يساوي تقريبًا 0.0000000001 m أو 1×10 m. الذرة أصغر من حبة الرمال بمقدار 10‎ ‎000‎ ‎000 مرة تقريبًا، وأصغر من برتقالة متوسطة الحجم بمقدار 1‎ ‎000‎ ‎000‎ ‎000 مرة تقريبًا.

توضِّح الصورة الآتية السبب وراء الحاجة إلى تكبير الأجسام التي في حجم البرتقالة 100 مليون مرة قبل أن نتمكَّن من رؤية أي ذرات. توضِّح الصورة التي تظهر على اليمين برتقالة يبلغ عرضها تقريبًا 100 mm أو 10 cm. توضِّح الصور المعروضة آتيًا تأثير تكبير الحجرين المجاورين للبرتقالة والصرصور الذي يزحف عبرهما، ومتابعة التكبير مرةً تلو الأخرى، حتى نتمكَّن من رؤية ذرات مُفردة.

وعندما نصل إلى قياس قرن استشعار الصرصور، سيتعيَّن علينا استخدام وحدة الميكرومتر الممثَّلة بالرمز μm. 1 μm يكافئ 1×10 m؛ ومن ثَمَّ، نجد أن الميكرومتر الواحد يساوي واحدًا على مليون من المتر. عند قياس الذرات والجزيئات، علينا استخدام وحدة النانومتر الممثَّلة بالرمز nm. النانومتر الواحد يساوي واحدًا على مليار من المتر، وهذا يساوي 1×10 m. وهذا صغير للغاية حقًّا.

الذرات التي تتكوَّن منها حبوب اللقاح الموجودة على قرون استشعار الصرصور قد تكون معقَّدة للغاية، ومن الأفضل التركيز على ذرات أبسط، مثل ذرة الهيدروجين وذرة الهليوم، إذا أردنا فهم الخواص الأساسية للذرات المنفردة ومكوِّناتها. توضِّح الصورة الآتية بنية ذرتَي الهيدروجين والهليوم. تحتوي كلتا الذرتين على نواة موجبة الشحنة. تتكوَّن النواة من مجموعة من النيوترونات والبروتونات. تحتوي الذرات أيضًا على إلكترونات توجد في الفراغ الذي يقع خارج النواة الموجبة الشحنة.

تعريف: النواة الذرية

توجد النواة الذرية في مركز الذرة، وتحتوي على البروتونات والنيوترونات.

مثال ١: تحديد موضع الإلكترونات في الذرة

أين توجد الإلكترونات في الذرة؟

  1. في النواة
  2. متصلة بالبروتونات
  3. في الفراغ خارج النواة
  4. في الفراغ بين البروتونات والنيوترونات
  5. متصلة بالنيوترونات

الحل

تحتوي ذرات العناصر الكيميائية على أنواع مختلفة من الجسيمات دون الذرية. وتحتوي النواة على مجموعة من البروتونات الموجبة الشحنة، والنيوترونات المتعادلة الشحنة. تحتوي الذرات أيضًا على إلكترونات سالبة الشحنة توجد في الفراغ الذي يقع خارج النواة الذرية الموجبة الشحنة. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار ج يمثِّل الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

كل إلكترون له شحنة كهروستاتيكية سالبة تُعادِل بالضبط الشحنة الكهروستاتيكية الموجبة لبروتون واحد. يمكن إعادة كتابة هذه العبارة بحيث توضِّح أن للبروتونات شحنة كهروستاتيكية نسبية بمقدار +1، وللإلكترونات شحنة كهروستاتيكية نسبية بمقدار 1. النيوترونات جسيمات متعادلة الشحنة، ودائمًا ما تكون قيمة شحنتها الكهروستاتيكية 0. تحتوي دائمًا ذرات أي عنصر على العدد نفسه من البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات السالبة الشحنة. ونظرًا لأن الذرات المنفردة تحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات السالبة الشحنة، فإنها متعادلة كهربيًّا.

مثال ٢: تحديد قِيَم الشحنات النسبية للجسيمات دون الذرية

ما الشحنات النسبية للبروتون والنيوترون والإلكترون؟

  1. 01+1،،
  2. +101،،
  3. 10+1،،
  4. +110،،
  5. 1+10،،

الحل

للإلكترونات شحنة كهروستاتيكية متساوية بالضبط في المقدار، ولكن لها إشارة شحنة مضادة للشحنة الكهروستاتيكية للبروتونات. وللنيوترونات شحنة كهروستاتيكية متعادلة. وللبروتونات شحنة نسبية بمقدار +1، وللنيوترونات والإلكترونات شحنة نسبية بمقدار 0 و1. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار ج يمثِّل الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

للبروتونات والنيوترونات الكتلة نفسها في الأساس، وكلٌّ منهما أثقل بكثير من الإلكترون بمفرده. وللبروتونات والنيوترونات كتلة نسبية تساوي 1، وللإلكترونات كتلة نسبية تساوي 11840. يلخِّص الجدول الآتي البيانات المتعلِّقة بالجسيمات دون الذرية التي تتكوَّن منها الذرات.

نوع الجسيم دون الذريالشحنة النسبيةالكتلة النسبية
البروتون+11
النيوترون01
الإلكترون111840

تعريف: الجسيمات دون الذرية

الجسيم دون الذري عبارة عن جسيم ينتمي إلى أي نوع من أنواع الجسيمات الأصغر من الذرة أو التي تحتوي عليها الذرة.

مثال ٣: تحديد قيمة الكتلة النسبية للإلكترون

ما كتلة الإلكترون في صورة كسر من كتلة البروتون أو النيوترون؟

  1. 19
  2. 1195
  3. 17290
  4. 1408
  5. 11840

الحل

للبروتونات والنيوترونات الكتلة نفسها، في حين أن الإلكترونات أخف بكثير. الإلكترونات أخف بألف وثمانمائة وأربعين مرةً تقريبًا من البروتون أو النيوترون الواحد. يمكننا استخدام هاتين العبارتين لتحديد أن الخيار هـ يُمثِّل الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

توزَّع الكتلة على نحو غير متساوٍ للغاية في الذرات. النواة الذرية ليست سوى جزء صغير من الذرة، لكنها تحتوي على جميع البروتونات والنيوترونات دون الذرية الثقيلة. تتكوَّن بقية الذرة من إلكترونات خفيفة للغاية.

مثال ٤: فهم كيفية توزيع الكتلة في الذرة

أين يوجد معظم كتلة الذرة؟

  1. في النواة
  2. في الأغلفة الإلكترونية
  3. في الفراغ بين النواة والأغلفة الإلكترونية

الحل

للبروتونات والنيوترونات الكتلة نفسها بشكلٍ أساسي، وهذه الكتلة أثقل بكثير من كتلة الإلكترون. تحتوي نواة أي ذرة عادةً على معظم الكتلة الذرية؛ نظرًا لاحتوائها على البروتونات والنيوترونات. يمكننا استخدام هاتين العبارتين لتحديد أن الخيار أ يُمثِّل الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

يوفِّر العديد من الرسوم التوضيحية لبنية الذرة معلومات غير دقيقة حول حجم النواة. وتُعطي هذه الرسوم انطباعًا خاطئًا بأن النواة أصغر بضع مرات من الذرة. صُمِّمت هذه الرسوم التوضيحية لعرض تركيب الذرة. وهي تُستخدم لتوضيح ما تحتويه الذرة ونواتها بدلًا من أن تمثِّل بدقة حجم النواة وما تحتويه من جسيمات دون ذرية. يوضِّح الشكل الآتي تمثيلًا دقيقًا معقولًا للذرة. ويَستخدم هذا الشكل مجموعة من الأسهم والأرقام للمقارنة بين عرض النواة وعرض الذرة الكاملة والنيوكليونات الفردية التي تحتوي عليها. كما يُقارِن الشكل أيضًا بين عرض الإلكترون وعرض الذرة.

يوضِّح الشكل أن النواة أصغر من الذرة بعشرة آلاف مرة تقريبًا. ويوضِّح أيضًا أن البروتونات أصغر من النواة بعشر مرات تقريبًا، أو أصغر بمائة ألف مرة من الذرة كاملة. يتضح أن الإلكترونات أصغر بألف مرة تقريبًا من البروتون الواحد، لكن ذلك لا يُمثِّل سوى قِيَم تقديرية. من الممكن أن تكون الإلكترونات أصغر من جزء من المليار من المليار من المتر.

هيا نتناول ذرة كربون ونواتها. ستساعدنا المقارنة في تقدير مدى صغر حجم النواة الذرية وما تحتويه من نيوكليونات. كما تساعدنا على تأكيد الفرضية بأن النواة أصغر من الذرة بالعديد من المرات. نصف قطر ذرة الكربون يساوي 70 pm، ونصف قطر نواتها يساوي 3 fm. وهذه مقاييس صغيرة للغاية. إن البيكومتر (pm) يكافئ 1×10 m. بعبارةٍ أخرى، البيكومتر الواحد أصغر بمقدار ألف مليار مرة من المتر الواحد. والفمتومتر (fm) أصغر أيضًا. الفمتومتر الواحد يكافئ 1×10 m؛ وهذا أصغر بمليون مليار مرة من المتر الواحد. لتوضيح ذلك ممثَّلًا بقيمة، نجد أن الفمتومتر الواحد يساوي 0.000000000000001 m. يمكن المقارنة بين هذه القيم لتوضيح أن نصف قطر نواة ذرة الكربون أصغر من نصف قطر ذرة الكربون بأكملها بعشرات الآلاف من المرات. إن مقارنة هذه القيم ستُظهر بوضوح أن النوى بالفعل أصغر من الذرات الكاملة بعشرات الآلاف من المرات. النواة الذرية متناهية الصغر بشكلٍ لا يصدق، بل المدهش أنها تتكوَّن من نيوكليونات دون ذرية أصغر حجمًا. نصف قطر نواة ذرة الكربون يساوي 3 fm، ونصف قطر البروتونات أصغر من الفمتومتر الواحد (1 fm) بكثير.

مثال ٥: تحديد التعبير الذي يَصِف حجم النواة

ما حجم نصف قطر النواة الذرية تقريبًا مقارنةً بنصف قطر الذرة 𝑅؟

  1. 𝑅
  2. 𝑅100
  3. 𝑅100000
  4. 𝑅1000
  5. 𝑅10000

الحل

النواة جزءٌ متناهي الصغر من الذرة. من المعروف عمومًا أن نصف قطر النواة أصغر من نصف قطر الذرة المُفردة بعشرة آلاف مرة. يمكن إعادة صياغة هذه العبارة لنقول إن حجم النواة الذرية يساوي 𝑅10000 تقريبًا؛ حيث يمثِّل 𝑅 نصف قطر الذرة. يُشير هذا المنطق إلى أن الخيار (هـ) يُمثِّل الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

النقاط الرئيسية

  • يساوي عرض الذرة تقريبًا 0.0000000001 m أو 1×10 m.
  • تحتوي الذرات على نواة موجبة الشحنة تتكوَّن من بروتونات ونيوترونات.
  • تحتوي الذرات على إلكترونات توجد في الفراغ الذي يقع خارج النواة الذرية الموجبة الشحنة.
  • للبروتونات شحنة كهربية نسبية تساوي +1، وللنيوترونات والإلكترونات قيم شحنات كهربية نسبية تساوي 0 و1 على الترتيب.
  • لكلٍّ من البروتونات والنيوترونات كتلة نسبية تساوي 1، وللإلكترونات كتلة نسبية تساوي 11840 تقريبًا.
  • تحتوي الذرات على العدد نفسه من البروتونات والإلكترونات.
  • النواة الذرية أصغر من الذرة بنحو عشرة آلاف مرة.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.