شارح الدرس: النظائر الكيمياء

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.

تعريف: العدد الذري

العدد الذري هو عدد البروتونات في نواة الذرة. ويُشير العدد الذري أيضًا إلى رقم العنصر في الجدول الدوري، ويتراوح من 1 إلى 118.

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.

تعريف: النظائر

النظائر هي ذرات تحتوي على نفس عدد البروتونات، ولكنها تختلف في عدد النيوترونات.

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 يتكوَّن من 78 نيوترونًا، في علاج اضطرابات الغدة الدرقية. أما الكوبالت-60، الذي يتكوَّن من 33 نيوترونًا، والسيزيوم-137، فيُستخدَم في علاج السرطان. وأما الأمريسيوم-241، الذي يتكوَّن من 146 نيوترونًا، فيُستخدَم في أجهزة الكشف عن الدخان. كذلك يُستخدَم اليورانيوم-235 في تشغيل المُفاعِلات النووية، ويُستخدَم النيكل-63 في الكشف عن المتفجِّرات.

مثال ١: تعريف النظائر

أكمل العبارة الآتية: النظائر هي ذرات لها نفس عدد البروتونات، لكنها تختلف في عدد .

الحل

الذرات التي تحتوي على عدد مختلف من البروتونات هي ذرات لعناصر مختلفة. والذرات التي لها نفس عدد البروتونات، ولكن تختلف في عدد الإلكترونات، تُسمَّى أيونات. والذرات التي لها نفس عدد البروتونات، ولكن تختلف في عدد النيوترونات، تُسمَّى النظائر. إذن يجب أن نملأ الفراغ بكلمة النيوترونات.

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

تعريف: العدد الكتلي

العدد الكتلي هو مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات في النواة.

يمكننا التمييز بين النظائر بسرعة بتمثيل كل نظير باستخدام ترميز النيوكليد؛ حيث يمثِّل العدد العلوي الأيسر العدد الكتلي، ويمثِّل العدد السفلي الأيسر العدد الذري: 105115BB

يمكننا أيضًا التمييز بين النظائر باستخدام ترميز النيوكليد المُبسَّط: 1011BB

كما يمكن أيضًا استخدام ترميز الشرطة: ارون-ارون-1011

مثال ٢: تصنيف النظائر حسب كتلتها باستخدام ترميز النيوكليد

أيُّ النظائر الآتية أثقل؟

  1. 4018Ar
  2. 4119K
  3. 4020Ca
  4. 3919K
  5. 4418Ar

الحل

في ترميز النيوكليد، يكون العدد المكتوب أعلى اليسار هو العدد الكتلي (𝐴). والعدد الكتلي هو مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات في الذرة، ويمثِّل الكتلة التقريبية للذرة. أما العدد المكتوب أسفل اليسار، فهو العدد الذري (𝑍). ويمثِّل العدد الذري عدد البروتونات في الذرة.

علينا هنا المقارنة بين الأعداد الكتلية لإيجاد أكبرها. أكبر عدد كتلي هو 44. وهذا يعني أن الخيار (هـ) هو النظير الأثقل.

مثال ٣: تحديد النظائر بناءً على أسماء النظير

أيٌّ من التالي نظير الكربون-12؟

  1. البورون-11
  2. الكربون-14
  3. الأكسجين-12
  4. الأكسجين-16
  5. النيتروجين-15

الحل

النظائر هي ذرات لها عدد البروتونات نفسه، ولكنها تختلف في عدد النيوترونات. الكربون، الذي له العدد الذري ستة، يحتوي على ستة بروتونات. بالنسبة إلى النظير، بصيغة الشرطة، الكربون-12، فإن العدد 12 يمثِّل العدد الكتلي لذرة الكربون هذه. العدد الكتلي هو مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات. يمكننا التعويض عن العدد الكتلي وعدد البروتونات في معادلة العدد الكتلي: داوتداوتادا+= ثم نَحُل المعادلة لإيجاد عدد النيوترونات كالآتي: داوتداوت+6=126=

إذن يحتوي نظير الكربون هذا على ستة نيوترونات. ولكي يكون نظيرًا للكربون-12، لا بد أن تحتوي الذرة على 6 بروتونات، وليس 6 نيوترونات. ذرات العنصر الواحد سيكون لها نفس عدد البروتونات. وهذا يعني أن النظير المحتمل الوحيد للكربون-12 هو الخيار (ب)؛ حيث إن عنصر الكربون فقط هو الذي يحتوي على ستة بروتونات.

يمكننا التأكُّد من أن النظير في الخيار (ب) يحتوي على عدد مختلف من النيوترونات، وذلك بالتعويض بالعدد الكتلي (14) وعدد البروتونات (6) في معادلة العدد الكتلي كالآتي: داوتداوتاداداوتداوت+=+6=148=

إذن الخيار (ب) الذي يحتوي على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات هو نظير للكربون-12.

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.

الجسيمالكتلة التقريبية (kg)الكتلة التقريبية (u)
البروتون1.6726×101.0073
النيوترون1.6749×101.0087
الإلكترون9.1094×105.4858×10

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

نظائر البورونالكتلة المحسوبة (kg)الكتلة المحسوبة (u)
5 بروتونات، 5 نيوترونات، 5 إلكترونات1.6742×10 kg10.083
5 بروتونات، 6 نيوترونات، 5 إلكترونات1.8415×10 kg11.091

يمكننا أيضًا تحديد الكتلة النسبية لكل نظير للبورون بالمقارنة بين كتلة كل نظير للبورون وكتلة 112 ذرة كربون 1.660539×10kg.

نظائر البورونالكتلة المحسوبة
(kg)
الكتلة المحسوبة
(u)
الكتلة النسبيةالعدد الكتلي
5 بروتونات، 5 نيوترونات، 5 إلكترونات1.6742×10 kg10.08310.08310
5 بروتونات، 6 نيوترونات، 5 إلكترونات1.8415×10 kg11.09111.09111

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: .10.5=(10+11)2=ارون

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 80% تقريبًا منها بورون-11 و20% 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 100%.

تعريف: الوفرة

الوفرة هي النسبة المئوية التي تمثِّل الكمية النسبية لنظير أي عنصر.

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

معادلة: حساب الكتلة الذرية النسبية

1×1=.+2×2+ادااةااراادااة

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: .10.8=(0.8×11)+(0.2×10)=اارا

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.

مثال ٤: حساب الكتلة الذرية النسبية للكلور من وفرة النظائر

للكلور نظيران مستقران، هما الكلور-35 والكلور-37. حُلِّلت عيِّنة من الكلور باستخدام مطياف الكتلة، وحُسِبَت نسب وفرة النظيرين.

النظيرالوفرة (mol%)
الكلور-3575.8%
الكلور-3724.2%

ما الكتلة الذرية النسبية للكلور في العيِّنة؟

الحل

أولًا، يجب أن نعرف أن 35 هو العدد الكتلي لذرة الكلور-35، و37 هو العدد الكتلي لذرة الكلور-37. ويخبرنا السؤال بوفرة النظيرين في أحد العيِّنات. يمكننا التعويض بنسبة الوفرة والعدد الكتلي لكل نظير في معادلة الكتلة الذرية النسبية لحساب الكتلة الذرية النسبية للكلور في العيِّنة باستخدام المعادلة الآتية: 1×1=.2×2+ادااةااراادااة

علينا تحويل النسبتين المئويتين إلى الترميز العشري قبل بدء الحل. ويمكن فعل ذلك بقسمة كل نسبة مئوية على 100. إذن 75.8% يساوي 0.758 بالترميز العشري، و24.2% يساوي 0.242 بالترميز العشري. وهذا يُعطينا: .35.5=(0.242×37)+(0.758×35)=اارا

الكتلة الذرية النسبية للكلور في العيِّنة تساوي 35.5.

مثال ٥: حساب الكتلة الذرية النسبية للمغنيسيوم من وفرة النظائر

يوجد للمغنيسيوم ثلاثة نظائر: المغنيسيوم-24، والمغنيسيوم-25، والمغنيسيوم-26. الوفرة النسبية لكلٍّ من هذه النظائر هي 79% و10% و11% على الترتيب. ما الكتلة الذرية النسبية للمغنيسيوم لأقرب منزلة عشرية؟

الحل

أولًا، لا بد أن نعلم أنه في ترميز المغنيسيوم-24، يمثِّل العدد 24 العدد الكتلي لنظير المغنسيوم هذا. يمكننا تنظيم المعلومات الواردة في السؤال ليكون لدينا العدد الكتلي ونسبة الوفرة لكل نظير. ويمكننا أيضًا تحويل نسبة الوفرة المئوية إلى الصورة العشرية بقسمة النسبة المئوية على 100.

النظيرالعدد الكتليالوفرةالوفرة على الصورة العشرية
المغنيسيوم-242479%0.79
المغنيسيوم-252510%0.1
المغنيسيوم-262611%0.11

يمكننا استخدام معادلة الكتلة الذرية النسبية الآتية: 1×1=2×2+.3×3+ادااةااراادااةادااة

بعد ذلك، يمكننا التعويض بالعدد الكتلي ونسبة الوفرة على الصورة العشرية لكل نظير في المعادلة، كالآتي: .24.32=(0.11×26)+(0.1×25)+(0.79×24)=اارا

إذن الكتلة الذرية النسبية للمغنيسيوم مقرَّبة لأقرب منزلة عشرية هي 24.3.

النقاط الرئيسية

  • الذرات التي لها نفس عدد البروتونات، ولكنها تختلف في عدد النيوترونات، تُسمَّى النظائر.
  • تتشابه نظائر العنصر الواحد في الخواص الكيميائية، ولكنها تختلف في نشاطها الإشعاعي.
  • الكتلة الموضَّحة على الجدول الدوري لكل عنصر هي الكتلة الذرية النسبية.
  • معادلة الكتلة الذرية النسبية هي: 1×1=.+2×2+ادااةااراادااة

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