فيديو الدرس: بنية الذرة الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على بنية الذرة. وسنتعرف على مكونات الذرة، وهي البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات، ونربط حجم الذرة بالأشياء المستخدمة في حياتنا اليومية. دعني آخذك في رحلة إلى عالم الذرة. تخيل أنك تحمل بيدك قطعة من الفحم. وزنها يساوي نفس وزن الهاتف المحمول تقريبًا. يوجد داخل هذه القطعة حوالي 10 أس 25 من ذرات الكربون. وهذا ما يساويه هذا العدد من الذرات. فهو يساوي 10 ملايين مليار مليار من الذرات.

لنتخيل الآن أننا سنقسم قطعة الفحم إلى قطعتين متساويتين. ستظل كل قطعة تحتوي على عدد هائل من الذرات يبلغ خمسة ملايين مليار مليار. سنستمر في تقسيمها مرة تلو الأخرى. إذا كنت تستخدم أكثر الأدوات تطورًا في العالم، فستحصل في النهاية على ذرتين. وبالتقسيم مرة أخيرة، ستحصل على ذرة واحدة. والآن، خمن عدد المرات التي ستحتاج إليها لتقسيم قطعة الفحم إلى قطعتين لتصل في النهاية إلى ذرة واحدة. الإجابة هي 83 مرة تقريبًا. هذا عدد كبير من الخطوات. لذا دعونا نتراجع قليلًا، ونر ما سنتوصل إليه في كل خطوة.

بالتقسيم 10 مرات فقط، يصبح لدينا قطع بحجم حبة الأرز. لكن ذلك يظل عددًا كبيرًا من الذرات. بالتقسيم 17 مرة، تصبح كل قطعة فحم بحجم رأس الدبوس. وبالتقسيم 10 مرات أخرى، يصبح قطر كل حبة كقطر شعرة الإنسان. وكلما قسمناها إلى قطع أصغر فأصغر، واقتربنا من النصف، تصبح كل قطعة بحجم خلية واحدة من خلايا الدم الحمراء. وذلك بعد تقسيمها 40 مرة. وبالتقسيم 20 مرة أخرى، يصبح هذا المسحوق المجهري أشبه بالجسيمات النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم الذي نجده في الدهان الواقي من الشمس. وحين نصل إلى 70 مرة، نعود مرة أخرى إلى خلية الدم الحمراء، لكن القطعة هذه المرة ستكون بحجم وحدة واحدة من الهيموجلوبين. وأخيرًا، بعد 83 مرة من التقسيم الدقيق للغاية، نصل إلى ذرة الكربون.

الذرة هي وحدة البناء الأساسية للمواد الكيميائية. إذا تعمقنا أكثر من ذلك، فسننتقل إلى عالم فيزياء الجسيمات. لذا سنتوقف هنا. وفيما يخص هذا المثال، فقد افترضنا أن الفحم يحتوي على الكربون بنسبة 100 بالمائة. لكنه يتضمن عناصر أخرى أيضًا. حتى الآن، عرفنا فقط مدى صغر حجم الذرة. ولكن ما الذرة تحديدًا؟ توجد أنواع عديدة من الذرات. لكن من حيث البنية الأساسية، تبدو الذرات متشابهة. ففي مركز الذرة، نجد النواة. وحول النواة، نجد سحابة من الإلكترونات. النواة هي ذلك الجزء الصغير في منتصف الذرة. والسحابة الإلكترونية هي هذه المنطقة من الفراغ الهائل المحيط بالنواة، حيث توجد الإلكترونات.

سنتعرف على الإلكترونات بعد قليل. ولكن ما مدى صغر حجم النواة بالضبط؟ إذا قسمنا حجم الذرة بأكملها إلى جزأين مثلما فعلنا مع قطعة الفحم، فسيتطلب الأمر تقسيمها 46 مرة للوصول إلى حجم النواة. وهذا تقريبًا نفس عدد مرات التقسيم اللازمة للانتقال من حجم قطعة الفحم إلى حجم خلية الدم الحمراء. يمكننا أيضًا تقدير حجم النواة بدلالة نصف قطرها. في الواقع، من الصعب أن نحدد بالضبط مدى حجم الذرة؛ لأن حجم سحابة الإلكترونات غير واضح إلى حد ما. لكن يمكننا معرفة حجم الذرة تقريبًا بناء على تناسب النواة والإلكترونات معًا.

إذا فعلنا ذلك، فسنجد أن نصف قطر ذرة الكربون يساوي 70 بيكومترًا. البيكومتر يساوي 10 أس سالب 12 من الأمتار، وهو ما يساوي جزءًا من ألف مليار جزء من المتر. هذا صغير جدًّا. لكن النواة أصغر من ذلك بكثير. نصف قطر نواة ذرة الكربون يساوي ثلاثة في 10 أس سالب 15 من الأمتار أو ثلاثة فيمتومترات. الفيمتومتر هو جزء من مليون مليار جزء من المتر. هذا يعني أن الذرة أكبر بحوالي 10000 مرة من نواتها. ومن ثم فإن النواة صغيرة للغاية، بينما تشغل الإلكترونات حجمًا هائلًا مقارنة بها. الأنواع المختلفة من الذرات لها أحجام مختلفة من النوى وأعداد مختلفة من الإلكترونات. لكن النسبة بين حجم النوى وحجم السحابة الإلكترونية تتشابه.

لا تنتهي رحلتنا هنا. فداخل النواة، نجد نوعين آخرين من الجسيمات، وهما البروتونات والنيوترونات. كل ما تحتاج إلى معرفته عن هذه الجسيمات هو أنها تلتصق بعضها ببعض بقوة كبيرة جدًّا. ولذا، من الصعب جدًّا أن تنقسم النواة. الأمر الآخر الذي علينا فهمه لمعرفة أهمية هذه الجسيمات دون الذرية هي خاصية تسمى الشحنة. الشحنة هي خاصية يحملها الجسيم تجعله يتجاذب أو يتنافر مع الجسيمات الأخرى ذات الشحنات. يوجد نوعان من شحنة الجسيم، وهما الشحنة الموجبة أو الشحنة السالبة. وتتفاعل الجسيمات ذات الشحنات بعضها مع بعض بناء على نوع الشحنة.

إذا كان لدينا جسيمان شحنتاهما موجبة، فسيتنافران. وإذا كان لدينا جسيمان شحنتاهما سالبة، فسيتنافران أيضًا. لكن إذا كان لدينا جسيم موجب الشحنة والآخر سالب الشحنة، فسيتجاذبان. إذن الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المتضادة تتجاذب.

البروتونات شحنتها من النوع الموجب. ومن ثم فهي موجبة الشحنة، بينما تحمل الإلكترونات الشحنة المضادة، وهي الشحنة السالبة. وتعد النيوترونات غير مثيرة للاهتمام نسبيًّا هنا. فليس لها شحنة كلية. لذا نصفها بأنها متعادلة الشحنة. لكننا نلاحظ الكثير من التفاعلات بين البروتونات والإلكترونات. فالبروتونات تتنافر بعضها مع بعض، والإلكترونات تتنافر أيضًا، بينما البروتونات والإلكترونات تتجاذب معًا. تلتصق البروتونات والنيوترونات معًا في النواة نظرًا لوجود قوى أخرى لن نتناولها في هذا الفيديو. وإذا توقفت هذه القوى لأي سبب من الأسباب، فستتفكك النواة بسبب التنافر بين البروتونات.

العامل التالي الذي علينا أخذه في الاعتبار هو كمية الشحنة التي توجد في البروتونات والإلكترونات. ما نعرفه جيدًا من التجارب هو أن البروتونات والإلكترونات لهما نفس كمية الشحنة بالضبط. ولذلك إذا كان لدينا بروتون وإلكترون معًا، فسيبدو هذا الاتحاد وكأنه بلا أي شحنة على الإطلاق. فنقول إن هذا الاتحاد شحنته متعادلة. يقيس الفيزيائيون الشحنة بالكولوم، وهي وحدة قياس ابتكرها الإنسان فيما يخص الإلكترونات التي تمر عبر سلك بمعدل معين. لكن الكيميائيين يفضلون استخدام أعداد أبسط من ذلك. فنقول إن البروتونات لها وحدة واحدة من الشحنة الموجبة. ومن ثم نقول إن شحنتها هي واحد موجب. والإلكترونات لها نفس كمية الشحنة، ولكنها سالبة. لذا، فإن شحنة الإلكترونات هي واحد سالب. أما النيوترونات التي ليس لها أي شحنة، فنقول إن شحنتها تساوي صفرًا.

ليست الشحنة سوى خاصية واحدة من خواص الجسيمات. فقد تكون للجسيمات كتلة أيضًا. وإذا كان للجسيم كتلة، فقد تؤثر عليه قوة الجاذبية. ومن ثم قد يكون له وزن. الجاذبية هي ما يبقينا ثابتين على الأرض. إذا استخدمنا وحدة الكيلوجرام، فستبدو كتلة البروتونات والنيوترونات والإلكترونات سخيفة بعض الشيء. لذا يمكننا استخدام وحدات الكتل الذرية بدلًا من ذلك. وحدة الكتلة الذرية واحدة تساوي واحدًا على 12 من كتلة ذرة الكربون 12 التي تحتوي على ستة بروتونات، وستة نيوترونات، وستة إلكترونات. ذرة الكربون هذه كتلتها 12 وحدة كتلة ذرية. والبروتون الواحد كتلته حوالي وحدة كتلة ذرية واحدة. والنيوترون أيضًا كتلته حوالي وحدة كتلة ذرية واحدة. لكن الإلكترون الواحد كتلته 0.00055 من وحدات الكتلة الذرية فقط.

لتبسيط الأمر، يكتب الكيميائيون أحيانًا الكتلة النسبية للبروتونات والنيوترونات والإلكترونات. وهي تساوي تقريبًا واحدًا إلى واحد إلى واحد على 1840. المقصود بذلك أنه يلزم حوالي 1840 إلكترونًا لمعادلة كتلة بروتون واحد أو نيوترون واحد. ولهذا السبب يتجاهل الكيميائيون أحيانًا كتلة الإلكترونات تمامًا. فالبروتونات والنيوترونات أثقل بكثير.

دعونا نتراجع خطوة وننظر إلى الذرة بأكملها. نعلم أن النواة تحتوي على البروتونات والنيوترونات. والبروتونات موجبة الشحنة. لذا، فإن النواة بوجه عام موجبة الشحنة أيضًا. تنجذب الإلكترونات السالبة الشحنة إلى النواة الموجبة الشحنة بواسطة القوة الكهرومغناطيسية. وثمة أسباب تجعل الإلكترونات لا تلتصق مباشرة بالنواة. إلا أن ذلك ليس في نطاق ما نتناوله في هذا الفيديو. لكن يمكنك دائمًا الاستناد إلى حقيقة أن الإلكترونات تنجذب إلى النوى. فالنواة موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة؛ هذه حقيقة يسهل تذكرها.

الأمر الآخر الذي يجب تذكره هو أننا عندما نتحدث عن الذرة، فإننا نفترض أن شحنتها متعادلة بوجه عام، ما يعني أن عدد البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات الموجودة في السحابة الإلكترونية. وثمة أمر آخر يجب تذكره، وهو موقع تمركز الكتلة. لقد رأينا أن الإلكترونات أخف بكثير من البروتونات أو النيوترونات، وأن البروتونات والنيوترونات تقع داخل النواة. لذا، يجب أن يكون واضحًا أن معظم كتلة الذرة يرجع إلى النواة الصغيرة جدًّا. والآن بعد أن اطلعنا على كل هذه المعلومات، دعونا نتدرب على بعض الأسئلة.

يمكن أن يكون للجسيمات دون الذرية شحنة. ما شحنة البروتون؟ ما شحنة النيوترون؟ ما شحنة الإلكترون؟

الجسيمات دون الذرية بوجه عام هي جسيمات أصغر من الذرة، وإن كانت هناك بعض الاستثناءات. لكن الجسيمات الثلاثة فقط التي يهتم بها الكيميائيون بوجه عام هي البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات. تتكون الذرة في أبسط صور لها من جزئين، وهما النواة الموجودة في المنتصف وسحابة الإلكترونات المحيطة بها. تحتوي النواة على بروتونات وفي معظم الأحيان نيوترونات. المطلوب منا في هذا السؤال هو تذكر شحنات هذه الجسيمات.

الشحنة هي خاصية من خواص الجسيمات تسمح لها بالتجاذب أو التنافر. وهناك نوعان من الشحنات، موجبة وسالبة. إذا كان الجسيمان لهما نفس نوع الشحنة، فإنهما يتنافران. لكن إذا كان لهما شحنتان متضادتان، فسيتجاذبان. وأسهل شيء يمكن تذكره هو أن النواة شحنتها موجبة. والإلكترونات التي تنجذب إلى النواة شحنتها سالبة. وداخل النواة، البروتونات هي التي تحمل الشحنة الموجبة، بينما تكون النيوترونات متعادلة الشحنة. إذا كنت بحاجة إلى ما يساعدك على تذكر الشحنة التي يحملها كل جسيم، فارجع إلى الإشارات: الإلكترون سالب، والبروتون موجب، والنيوترون متعادل. لكننا لم ننته بعد. فعلينا معرفة كمية الشحنات، لا إشاراتها فقط.

فيما يخص البروتون، يمكننا التفكير في أيون الهيدروجين. يتكون أيون الهيدروجين من بروتون واحد. وله شحنة موجبة واحدة. لذا نأمل أن يذكرك ذلك بأن شحنة البروتون الواحد هي واحد موجب. من السهل تذكر شحنة النيوترون. فإذا لم يكن له أي شحنة، فإن شحنته تساوي صفرًا. وشحنة الإلكترون هي ببساطة نفس كمية شحنة البروتون، لكن بإشارة مضادة. إذن فإن شحنة الإلكترون هي واحد سالب.

في السؤال التالي، سنتناول كيف تؤثر شحنة هذه الجسيمات على طريقة تفاعلها.

تتنافر الشحنات المتشابهة بواسطة القوة الكهرومغناطيسية. أي أزواج الجسيمات دون الذرية الآتية تتنافر بهذه الطريقة؟ (أ) النيوترونات والإلكترونات، (ب) البروتونات والنيوترونات، (ج) النيوترونات والنيوترونات، (د) البروتونات والبروتونات، (هـ) البروتونات والإلكترونات.

هناك نوعان من الشحنة؛ الموجبة والسالبة. عندما نرى عبارة «الشحنات المتشابهة»، فإنها تشير إلى الشحنات الموجبة مع الموجبة أو الشحنات السالبة مع السالبة. وما علينا فعله هنا هو معرفة أي زوج من الجسيمات دون الذرية سيتنافران لأن لهما نفس الشحنة. ولذلك، علينا تذكر شحنة النيوترونات والإلكترونات والبروتونات. كلمة «بروتون» بالإنجليزية تبدأ بالحرف ‪p‬‏. وهو الحرف الأول من كلمة ‪positive‬‏، أي موجب؛ فهي موجبة الشحنة. وكلمة «نيوترون» مشتقة من كلمة ‪neutral‬‏ بالإنجليزية، والتي تعني التعادل. وهذا ينبغي أن يذكرك بأنها ليس لها شحنة على الإطلاق. وأخيرًا، الإلكترونات سالبة الشحنة. من الجيد أن تتذكر أن البروتونات والإلكترونات لهما شحنات متساوية ولكنها متضادة.

في هذا السؤال، لا نحتاج إلى تذكر كمية الشحنة التي تحملها البروتونات والإلكترونات بالضبط. كل ما علينا معرفته هو إذا ما كانت موجبة أو متعادلة أو سالبة الشحنة. النيوترونات متعادلة الشحنة، والإلكترونات سالبة الشحنة. ومن ثم لن تؤثرا إحداهما على الأخرى بواسطة القوة الكهرومغناطيسية. فلن نراهما تتنافران بالتأكيد. والبروتونات موجبة الشحنة، وكما علمنا، فإن النيوترونات متعادلة الشحنة. ولذا ليس من المفترض أن نرى أي تنافر بفعل القوة الكهرومغناطيسية، وإن كانت هناك قوى أخرى تساعد البروتونات والنيوترونات على الترابط. وعندما تكون لدينا جسيمات متعادلة الشحنة فقط، أي نيوترونات مع نيوترونات، فلن نرى بالتأكيد أي تأثيرات كهرومغناطيسية متبادلة. لكننا سنرى تنافرًا بين البروتونات والبروتونات لأن كلتيهما موجب الشحنة.

إذن فقد توصلنا إلى الإجابة. لكن دعونا نتحقق من الخيار الأخير على سبيل الاحتياط. البروتونات موجبة الشحنة، والإلكترونات سالبة الشحنة. والشحنات المتضادة تجذب بعضها بعضًا. لذا بدلًا من التنافر، سنرى تجاذبًا بين البروتونات والإلكترونات. إذن من بين الأزواج الخمسة المعطاة، الزوج الوحيد الذي نلاحظ حدوث تنافر فيه بفعل القوة الكهرومغناطيسية هو زوج البروتونات والبروتونات.

والآن بعد أن تناولنا بعض الأمثلة وألقينا نظرة على جميع النقاط المتعلقة بالجسيمات دون الذرية وبنية الذرات، دعونا نلق نظرة على النقاط الرئيسية. الذرة هي اتحاد نواة كثيفة موجبة الشحنة بعدد كاف من الإلكترونات ليجعلها متعادلة الشحنة. والنواة هي مجموعة البروتونات والنيوترونات الموجودة في منتصف الذرة أو الأيون البسيط. تتكون الذرات من ثلاثة أنواع من الجسيمات دون الذرية، لكل منها كتلتها وشحنتها الخاصة. البروتونات شحنتها واحد موجب، وكتلتها النسبية تساوي واحدًا. والنيوترونات شحنتها صفر وكتلتها النسبية تساوي واحدًا. والإلكترونات شحنتها واحد سالب، وكتلتها النسبية تساوي واحدًا على 1840 تقريبًا. وأخيرًا، كتلة الإلكترونات ضئيلة جدًّا مقارنة بالبروتونات والنيوترونات، وهو ما يجعلنا نتجاهلها تمامًا في بعض الأحيان.