شارح الدرس: النظائر الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُعرِّف نظائر العنصر ونحدِّدها، ونُدرِج بعض خواصها واستخداماتها، ونحسب الكتلة الذرية النسبية للعنصر من وفرة النظير.

تحتوي نواة الذرة على بروتونات ونيوترونات. وجميع ذرات أي عنصر معيَّن لها نفس عدد البروتونات الموجودة في نواها. وعدد البروتونات هذا يمثِّله العدد الذري الموجود في الجدول الدوري.

إذن جميع ذرات الأكسجين ستحتوي على ثمانية بروتونات، وجميع ذرات البورون ستحتوي على خمسة بروتونات. ولكن ليس بالضرورة أن تحتوي جميع ذرات عنصر معيَّن على نفس عدد النيوترونات في نواها.

إذا أخذنا عيِّنة من جميع ذرات البورون التي تتوافر بصورة طبيعية، فسنجد نوعين من ذرات البورون، كما هو موضَّح في الآتي.

للوهلة الأولى، قد تبدو الذرتان متشابهتين، ولكن الذرة الموجودة على اليسار تحتوي على ستة نيوترونات، وتحتوي الذرة الموجودة على اليمين على خمسة نيوترونات. والذرات التي تحتوي على نفس عدد البروتونات، ولكنها تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات، تُسمَّى النظائر.

كلمة isotope، وهي مرادف كلمة «نظير» في الإنجليزية، مشتقة من الكلمة اليونانية ísos التي تعني نفس، والكلمة tópos التي تعني مكانًا أو موضعًا. وكانت الطبيبة الإسكتلندية مارجريت توود أول من اقترحت هذا المصطلح لوصف فكرة قدَّمها عالم الكيمياء فريدريك سودي، وهي أن أنواعًا عديدة من الذرات قد تشترك في الموضع نفسه (العدد الذري) في الجدول الدوري.

نظائر أي عنصر لها خواص كيميائية متطابقة تقريبًا. وسبب هذا أن الخواص الكيميائية، مثل التفاعلية، يُحدِّدها بشكل أساسي عدد البروتونات والإلكترونات في الذرة. ومع ذلك، تختلف النظائر من حيث الاستقرار النووي.

داخل النواة، البروتونات ذات الشحنات الموجبة تتنافر بشدة، إلا أنه يُوجَد أيضًا العديد من قوى التجاذب القصيرة المدى التي تحدث بين اثنين من البروتونات واثنين من النيوترونات أو بين بروتون ونيوترون. وتكون النواة مستقرة عندما تفوق قوى التجاذب قوى التنافر. وعندما تسود قوى التنافر، تصبح النواة غير مستقرة، وتنبعث منها جسيمات و/أو إشعاعات لاستعادة استقرار النواة. وجود عدد قليل جدًّا أو كثير جدًّا من النيوترونات في النواة يمكن أن يؤثِّر على توازن القوتين، ما يجعل النظير غير مستقر ومشع.

وللنظائر المشعة العديد من الاستخدامات المفيدة في مجالات الطب والصناعات المختلفة. يُستخدَم اليود-131، الذي يحتوي على 78 نيوترونًا، في علاج اضطرابات الغدة الدرقية. أما الكوبالت-60، الذي يحتوي على 33 نيوترونًا، والسيزيوم-137، فيُستخدَمان في علاج السرطان. وأما الأمريسيوم-241، الذي يحتوي على 146 نيوترونًا، فيُستخدَم في أجهزة الكشف عن الدخان. كذلك يُستخدَم اليورانيوم-235 في تشغيل المُفاعِلات النووية، ويُستخدَم النيكل-63 في الكشف عن المتفجِّرات.

بالإضافة إلى وجود عدد مختلف من النيوترونات، فإن نظائر العنصر تختلف في العدد الكتلي أيضًا.

يمكننا التمييز بين النظائر بسرعة بتمثيل كل نظير باستخدام ترميز النيوكليد؛ حيث يمثِّل العدد العلوي الأيسر العدد الكتلي، ويمثِّل العدد السفلي الأيسر العدد الذري:

يمكننا أيضًا التمييز بين النظائر باستخدام ترميز النيوكليد المُبسَّط:

كما يمكن أيضًا استخدام ترميز الشرطة:

كل نظير لأي عنصر له عدد نيوترونات مختلف، وعدد كتلي مختلف، وكتلة فعلية مختلفة عن النظائر الأخرى. يوضِّح الجدول الآتي الكتل التقريبية للبروتون والنيوترون والإلكترون.

يمكننا حساب كتلة كل نظير للبورون بالكيلوجرام أو بوحدة الكتل الذرية؛ وذلك بجمع كتل الجسيمات دون الذرية.

يمكننا أيضًا تحديد الكتلة النسبية لكل نظير للبورون بالمقارنة بين كتلة كل نظير للبورون وكتلة ذرة كربون .

تُعَد الكتلة المحسوبة بالكيلوجرام قيمة صغيرة جدًّا يصعب التعامل معها. أما الكتلة المحسوبة بوحدة الكتل الذرية والكتلة النسبية لكل ذرة، فهي قيم أسهل في الاستخدام. لاحظ أن الكتلة بوحدة الكتل الذرية والكتلة النسبية قريبان جدًّا من العدد الكتلي لكل نظير. من الشائع استخدام العدد الكتلي للإشارة إلى كتلة النظير على سبيل التبسيط، لكن علينا أن نعرف أن العدد الكتلي لا يمثِّل الكتلة الحقيقية للنظير.

نظيرا البورون لهما الكتلتان التقريبيتان 10 و11؛ ومع ذلك، إذا نظرنا إلى الجدول الدوري، فلن نجد أيًّا من هاتين القيمتين للبورون. بدلًا من ذلك سنرى القيمة 10.8 مكتوبة أسفل الرمز الكيميائي.

وتمثِّل القيمة 10.8 متوسط الكتلة الذرية لنظيرَي البورون.

لحساب الكتلة الموضَّحة في الجدول الدوري، قد نعتقد أنه يمكننا أخذ متوسط كتلتَي نظيرَي البورون. وعادةً ما يُستخدَم العدد الكتلي في هذه العمليات الحسابية قيمةً تقديريةً للكتلة النسبية لتبسيط العملية. إذن:

لكن هذه العملية تُعطينا القيمة 10.5 وليس 10.8. الأمر الذي لم نأخذه في الاعتبار هو مدى توافر كل نظير من نظائر البورون. إذا فحصنا جميع ذرات البورون المتوافرة بصورة طبيعية، فسنجد أن تقريبًا منها بورون-11 و منها بورون-10.

وهاتان النسبتان المئويتان تمثِّلان الوفرة؛ أي الكمية النسبية لكل نظير للعنصر موجود بصورة طبيعية. مجموع نسب الوفرة لا بد أن يساوي دائمًا .

يجب أن نضع في اعتبارنا وفرة كل نظير عند تحديد متوسط الكتلة. وناتج هذا المتوسط المقدَّر يُسمَّى «الكتلة الذرية النسبية».

تُشير النقاط الموجودة في المعادلة إلى أن علينا الاستمرار في جمع وفرة النظير مضروبة في العدد الكتلي لكل نظير لهذا العنصر المحدَّد. من المهم أيضًا أن نتذكَّر أن نسبة الوفرة المئوية يجب أن تكون على الصورة العشرية عند الحل.

يمكننا التعويض بنسبة الوفرة والعدد الكتلي لكلٍّ من نظيرَي البورون في معادلة الكتلة الذرية النسبية، ثم نَحُل المعادلة لإيجاد الكتلة الذرية النسبية للبورون كالآتي:

هذا يُعطينا القيمة 10.8، وهي قيمة ليس لها وحدة، وتعبِّر عن متوسط الكتلة الذرية للبورون الموجودة في العديد من الجداول الدورية، وفقًا لدقة الجدول الدوري. وعلى الرغم من أن جميع العناصر لها نظائر، فإنه لا توجد كتلة ذرية نسبية لكل عنصر في الجدول الدوري. العناصر المُصَنَّعة ليست موجودة بصورة طبيعية؛ ومن ثَمَّ، ليس لها نسبة وفرة. وعادةً ما تكون كتلة النظير الأكثر استقرارًا مكتوبة بين قوسين بدلًا من الكتلة الذرية النسبية.