فيديو الدرس: النظائر الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نعرف نظائر العنصر ونحددها. وسنتعرف على خواص النظائر واستخداماتها، ونرى كيف تؤثر وفرة النظائر المختلفة على متوسط الكتلة الذرية لعناصرها.

أولًا، دعونا نتذكر سريعًا تعريف الذرات والأيونات والعناصر. يهتم الكيميائيون اهتمامًا بالغًا بثلاثة جسيمات مختلفة، وهي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، لأنها الجسيمات التي تكون الذرات والأيونات. توجد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرات أو الأيونات. والبروتونات والنيوترونات لها نفس الكتلة التي تبلغ وحدة كتلة ذرية موحدة واحدة تقريبًا. ووحدة الكتلة الذرية الموحدة تشبه وحدة الكتلة الذرية، وسنستعرض تعريفها الكامل لاحقًا في هذا الفيديو.

نظرًا لأن البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات متعادلة، تكون النوى موجبة الشحنة إجمالًا. وبما أن النواة الموجبة تجذب الإلكترونات السالبة الشحنة، نجد دائمًا الإلكترونات تدور حول النوى. إذا كان عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات، فسيكون اتحادهما متعادلًا إجمالًا، ونطلق على ذلك اسم «الذرة». وإذا كان عدد الإلكترونات أقل من عدد البروتونات، فسيكون اتحادهما موجب الشحنة، ونطلق على ذلك اسم «الكاتيون». وفي المقابل، إذا كان عدد الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات، فسيكون اتحادهما سالب الشحنة، ونطلق على ذلك اسم «الأنيون».

ونطلق على الكاتيونات والأنيونات معًا اسم «الأيونات». قد تتكون الأيونات من أكثر من ذرة. ولكن في هذا الفيديو، سنستعرض فقط أمثلة لنوى منفردة، وهي ما نطلق عليه أيونات بسيطة. يتحدد السلوك الكيميائي للذرات أو الأيونات البسيطة بشكل كبير من خلال عدد البروتونات في نوياتها. ولهذا السبب يجمع العلماء الذرات والأيونات البسيطة في عناصر مثل الكربون. فتحتوي جميع ذرات أو أيونات الكربون البسيطة على ستة بروتونات بالضبط. إذا نظرت إلى جميع الذرات أو الأيونات البسيطة الموجودة في الكون حاليًّا، فستقسمها إلى 118 مجموعة أو عنصرًا. ويمكنك أن تجد معلومات عن العناصر في الجدول الدوري. لكننا نعلم بالفعل أن النوى تحتوي أيضًا على نيوترونات، والتي تؤثر على كتلة النواة واستقرارها.

إذا نظرنا إلى جميع ذرات الكربون الموجودة على الأرض، فسنجد أن الغالبية العظمى منها تحتوي على ستة نيوترونات في نوياتها، وبعضها يحتوي على سبعة، والقليل منها يحتوي على ثمانية. لهذا السبب يصنف الكيميائيون النظائر التي تمثل المستوى الثاني الذي نجمع فيه ذرات العنصر أو أيوناته حسب عدد النيوترونات التي تحتوي عليها. لا يؤثر عدد النيوترونات في الذرة عمومًا على السلوك الكيميائي، لكنه يغير الكتلة. ويحتاج الكيميائيون لمعرفة الكتلة لتحديد مقدار المادة التي يلزم وزنها في المختبر.

دعونا نتخيل ثلاث ذرات مختلفة من الكربون تحتوي جميعها على ستة بروتونات في نوياتها. نظرًا لأن الذرات متعادلة والبروتونات والإلكترونات لها شحنة متساوية ومتضادة، يجب أن تحتوي كل ذرة على ستة إلكترونات أيضًا. ولكن في الذرة الأولى، لدينا ستة نيوترونات. وفي الذرة الثانية، لدينا سبعة. وفي الذرة الثالثة، لدينا ثمانية. كتلة البروتون وكتلة الإلكترون متساويتان تقريبًا، ولكن كتلة الإلكترون شديدة الضآلة مقارنة بالبروتون أو النيوترون. إذن بالمقارنة ببروتون أو نيوترون واحد، تكون كتلة الذرات 12 أو 13 أو 14 تقريبًا.

اختار العلماء، لأسباب خارج نطاق هذا الفيديو، نقطة مرجعية لم تكن بروتونًا واحدًا أو نيوترونًا واحدًا، وإنما ذرة كربون تحتوي على ستة بروتونات، وستة إلكترونات، وستة نيوترونات. وأعطوها كتلة ذرية نسبية تساوي 12. وهكذا فإن الكتلة الخاصة بهذه الذرات، معبرًا عنها بوحدات الكتل الذرية الموحدة، تساوي 12 بالضبط، و13 تقريبًا، و14 تقريبًا. تكافئ وحدة الكتلة الذرية الموحدة الواحدة جزءًا من اثني عشر جزءًا من كتلة ذرة مكونة من ستة بروتونات وستة نيوترونات وستة إلكترونات، وهي ذرة الكربون ذات النيوترونات الستة. يعد التعامل بوحدات الكتلة الذرية الموحدة أو الكتل الذرية النسبية أسهل كثيرًا من التعامل بالكيلوجرامات لأن وحدة الكتلة الذرية الموحدة الواحدة تساوي تقريبًا 1.6 في 10 أس سالب 27 كيلوجرام.

الآن، يتبقى لدينا مشكلة واحدة. وهي ماذا نطلق على هذه النظائر المختلفة لعنصر الكربون؟ يتمثل أحد الخيارات في تسميتها كربون-ستة، وهو الكربون الذي له ستة نيوترونات. والخيار الثاني هو أنه يمكننا تسميتها كربون-12، حيث يشير 12 إلى الكتلة بوحدات الكتلة الذرية الموحدة. لكننا نواجه مشكلة عندما نحاول تسمية الكربون الذي له سبعة نيوترونات لأن كتلة هذا النظير ليست بالضبط 13 وحدة كتلة ذرية موحدة. بدلًا من ذلك، توصل العلماء إلى حل يسمى العدد الكتلي. العدد الكتلي يحدد كل نظير مختلف للعنصر. العدد الكتلي يساوي عدد بروتونات الذرات أو الأيونات البسيطة للنظير زائد عدد نيوتروناتها.

وعلى سبيل التيسير، العدد الكتلي قريب جدًّا من القيمة العددية لكتلة النظير المعبر عنها بوحدات الكتلة الذرية الموحدة أو الكتلة الذرية النسبية. وبذلك ينتهي بنا الأمر إلى كربون-12 وهو ستة زائد ستة، أو كربون-13 وهو ستة زائد سبعة، أو كربون-14 وهو ستة زائد ثمانية. ونسمي كل صورة مختلفة للعنصر باسم النظير. إذن النظائر هي ذرات أو أيونات بسيطة للعنصر نفسه. ومن ثم لها نفس العدد الذري، ولكن مع اختلاف عدد النيوترونات. لذلك لها أعداد كتلية مختلفة.

الآن دعونا نلق نظرة على الطرق التي تكتب بها النظائر. لنفترض أن لدينا ذرة أو أيونًا، وألقينا نظرة خاطفة داخل النواة. ثم أحصينا عدد البروتونات وعدد النيوترونات. يوضح لنا عدد البروتونات العدد الذري للذرة أو الأيون. الخطوة التالية هي الاطلاع على الجدول الدوري وإيجاد العنصر الذي له نفس العدد الذري. وبعد ذلك يمكنك إيجاد رمز هذا العنصر واسمه. لديك الآن بداية اسم النظير. ثم نعود إلى النواة ونجمع عدد البروتونات وعدد النيوترونات معًا لنحصل على العدد الكتلي للذرة أو الأيون. ونضع ذلك العدد على الطرف.

لنتخيل أننا سنتعامل مثلًا مع الهيدروجين-اثنين. نرجع إلى الجدول الدوري ونبحث عن الهيدروجين، ثم نجد العدد الذري. العدد الذري لعنصر الهيدروجين هو واحد. وبذلك تحتوي ذرات أو أيونات الهيدروجين-اثنين على بروتون واحد. ثم نعود إلى الاسم ونرى أن العدد اثنين موجود على الطرف. وبذلك نعرف العدد الكتلي. لمعرفة عدد النيوترونات، نطرح العدد الذري من العدد الكتلي، وهو ما يعطينا واحدًا ويوضح أن لدينا نيوترونًا واحدًا وبروتونًا واحدًا في ذرة أو أيون الهيدروجين-اثنين.

قد تكتب النظائر أيضًا بترميز النيوكليد. تجمع طريقة ترميز النيوكليد المعلومات المتعلقة بالنظير وتعرضها بصورة مكثفة تتيح استخدامها في المعادلات الكيميائية. يستخدم رمز العنصر للتعبير عن النظير. وفي أعلى اليسار، لدينا العدد الكتلي الذي يوضح لنا النظير. وفي أدنى اليسار، لدينا العدد الذري. إذا أردنا كتابة الهيدروجين-اثنين بترميز النيوكليد، فسنبدأ بالبحث عن الهيدروجين في الجدول الدوري وسنرى أن رمز عنصره هو ‪H‬‏. والعدد الكتلي، كما هو مبين في الاسم، هو اثنان. والعدد الذري للهيدروجين هو واحد. يمكن دائمًا إيجاد العدد الذري من رمز العنصر عن طريق النظر في الجدول الدوري. لذلك فإننا نهمل العدد الذري أحيانًا. ويمكن الإشارة إلى الشحنة بنفس الطريقة التي نتبعها في الصيغة الكيميائية العادية.

السمة الأخرى المميزة للنظائر التي سنلقي نظرة عليها هي النشاط الإشعاعي. دون الخوض في تفاصيل كثيرة، تلعب النيوترونات دورًا كبيرًا في كيفية تماسك النوى. إذا كان هناك الكثير جدًّا أو القليل جدًّا من النيوترونات، فقد تصبح النوى غير مستقرة. ويمكن أن تتعرض النواة غير المستقرة إلى اضمحلال نووي وتصبح نواة من نوع مختلف. على سبيل المثال، النظائر كربون-11، وكربون-14، وكربون-15 غير مستقرة. إذا كان لديك عينة من الكربون-11، فسيستغرق اضمحلال نصف هذه النوى حوالي 20 دقيقة. وفي حالة الكربون-14، يستغرق الاضمحلال 5700 عام، وهي مدة أطول كثيرًا. وبالنسبة للكربون-15، يستغرق الاضمحلال 2.4 ثانية فقط. وعلى الرغم من أن النظائر المشعة خطرة، فمن الممكن استخدامها بطريقة مفيدة في التصوير الطبي أو لعلاج السرطان. يمكن تتبع الإشعاع الذي تصدره أو استخدامه لتدمير الخلايا السرطانية.

بذلك نكون قد ألقينا نظرة جيدة على تعريف النظائر. والآن دعونا نلق نظرة على آثارها على أرض الواقع. بشكل عام، لا يختار الكيميائيون النظائر التي يعملون بها. فهم مضطرون للتعامل مع ما يحصلون عليه من الهواء والماء والتربة. تحتوي بعض الأماكن على الأرض على مستويات مختلفة قليلًا من النظائر المختلفة. لكن إذا أخذنا 100 ذرة من الكربون من أي مكان على سطح الأرض، ففي المتوسط ستكون ذرة واحدة منها هي كربون-13 و99 ذرة منها ستكون كربون- 12. عندما نعبر عن هذه الوفرة بنسب مئوية، نسميها النسب المئوية لوفرة النظائر.

لماذا يعد هذا مهمًّا؟ إذا كانت لدينا عينة تتكون من 100 بالمائة من كربون-12، فستكون الكتلة لكل ذرة 12 وحدة كتلة ذرية موحدة. لكن إذا كانت لدينا عينة تتكون من 100 بالمائة من كربون-13، فستكون الكتلة لكل ذرة 13 وحدة كتلة ذرية موحدة. ولكن بما أن عينات الكربون الموجودة على الأرض هي خليط من النظيرين، يكون متوسط الكتلة حوالي 12.01 وحدة كتلة ذرية موحدة. قد لا يبدو هذا اختلافًا كبيرًا، وفي حالات عديدة، هو ليس كذلك. لكن بالنسبة إلى بعض العناصر، يكون الفرق جوهريًّا. عندما نجري تحليلًا كافيًا يتيح لنا القول بأن لدينا عينة تمثيلية للكوكب بأكمله، نكون قد توصلنا بذلك إلى متوسط الكتلة الذرية للعنصر. وبالنسبة إلى أي عنصر، يمكننا حساب متوسط الكتلة الذرية من خلال أخذ النسبة المئوية لوفرة كل نظير وضربها في كتلته ثم جمعهما معًا.

بالنسبة إلى الكربون، نحتاج فقط إلى الأخذ في الاعتبار الكربون-12 والكربون-13. ولكن بالنسبة إلى بعض العناصر، قد يكون هناك ثلاثة نظائر وفيرة أو أكثر. دعونا نحاول حساب متوسط الكتلة الذرية لعنصر من وفرة نظائره. لنلق نظرة على الليثيوم. على كوكب الأرض، الليثيوم له نظيران وفيران شائعان، الليثيوم-ستة والليثيوم-سبعة. كلاهما ليثيوم، ومن ثم العدد الذري لكليهما هو ثلاثة. لكن العدد الكتلي لليثيوم-ستة هو ستة، والعدد الكتلي لليثيوم-سبعة هو سبعة. ومن ثم فإن ذرة الليثيوم-ستة تحتوي على ثلاثة بروتونات وثلاثة نيوترونات. وتحتوي ذرة الليثيوم-سبعة على ثلاثة بروتونات وأربعة نيوترونات. يمكننا تقدير كتلة النظير لليثيوم-ستة بأنها حوالي ست وحدات كتلة ذرية موحدة.

يمكن إعطاء كتل النظائر بمستويات أعلى من الدقة. لكننا هنا سنستخدم التقدير فقط. وتقديرنا لكتلة ذرة الليثيوم-سبعة هو حوالي سبع وحدات كتلة ذرية موحدة. وعند التقريب لأقرب درجة مئوية، تكون النسبة المئوية لوفرة النظير لليثيوم-ستة هي ثمانية بالمائة. وبالنسبة إلى الليثيوم-سبعة، فهي 92 بالمائة على كوكب الأرض. في الحالات البسيطة مثل هذه، حيث لدينا نظيران وفيران فقط، تكون هذه هي صيغة متوسط الكتلة الذرية. أما بالنسبة إلى الحالات الأكثر تعقيدًا، فعلينا فقط إضافة حدين إضافيين. هذا ما نحصل عليه عندما نعوض في الحدود. فعليًّا، متوسط الذرة هو ثمانية بالمائة ليثيوم-ستة و92 بالمائة ليثيوم-سبعة. إذن نحصل على 0.48 وحدة كتلة ذرية موحدة زائد 6.44 وحدات كتلة ذرية موحدة، وهو ما مجموعه 6.92 وحدات كتلة ذرية موحدة.

قيمة متوسط الكتلة الذرية التي نحصل عليها لا تتوافق كثيرًا مع ما نجده لليثيوم في الجدول الدوري. هذا لأننا استخدمنا أعدادًا مقربة للنسب المئوية لوفرة النظائر وكتل النظائر. إذا استخدمنا أعدادًا أدق، فسنحصل على تقدير أفضل. لنجرب شيئًا مختلفًا. دعونا نقلب الأمور ونحدد وفرة النظائر من متوسط الكتلة الذرية. نعلم من الجدول الدوري أن متوسط الكتلة الذرية لذرة الليثيوم هو 6.94 وحدات كتلة ذرية موحدة. يمكنك أيضًا استخدام الكتلة الذرية النسبية حيث نستبعد ببساطة وحدة الكتلة الذرية.

الأمر الآخر الذي علينا معرفته هو النظائر الوفيرة لليثيوم. في هذه الحالة، هما فقط ليثيوم-ستة وليثيوم-سبعة. والشيء الأخير الذي علينا معرفته هو كتل النظائر التي سنقدرها من الأعداد الكتلية للنظائر بحيث تكون حوالي ست وحدات كتلة ذرية وحوالي سبع وحدات كتلة ذرية. نعلم أن متوسط الكتلة الذرية لليثيوم يجب أن يساوي النسبة المئوية لوفرة الليثيوم-ستة مضروبة في ست وحدات كتلة ذرية موحدة زائد النسبة المئوية لوفرة نظائر الليثيوم-سبعة مضروبة في سبع وحدات كتلة ذرية موحدة. يجب أن يصل مجموع كل النسب المئوية لوفرة النظائر إلى 100 بالمائة. إذن يمكننا التعويض بحيث تكون النسبة المئوية لليثيوم-سبعة مساوية 100 بالمائة ناقص النسبة المئوية لليثيوم-ستة. وبعد فك الأقواس تكون لدينا النسبة المئوية لليثيوم-ستة مضروبة في ست وحدات كتلة ذرية زائد سبع وحدات كتلة ذرية موحدة ناقص النسبة المئوية لليثيوم-ستة مضروبة في سبع وحدات كتلة ذرية موحدة. نبسط هذا المقدار إلى سالب النسبة المئوية لليثيوم-ستة مضروبًا في وحدة كتلة ذرية واحدة زائد سبع وحدات كتلة ذرية.

بعد ذلك، يمكننا التعويض بقيمة متوسط الكتلة الذرية لليثيوم، وهي 6.94 وحدات كتلة ذرية، ونحذف وحدات الكتلة ونطرح سبعة من كلا الطرفين، ونعيد ترتيب المقدار، ثم نكتب الإجابة النهائية 0.06 في صورة نسبة مئوية عن طريق الضرب في 100 بالمائة. وبعد ذلك يمكننا حساب النسبة المئوية لوفرة النظير ليثيوم-سبعة من خلال طرح ستة بالمائة من 100 بالمائة، ما يعطينا 94 بالمائة. وفرة النظائر التي حسبناها هنا لا تطابق تمامًا ما حصلنا عليه في المثال السابق. هذا لأننا بدأنا بمتوسط الكتلة الذرية في الجدول الدوري. إذا كنا نتعامل مع عنصر مختلف، وليكن عنصرًا له ثلاثة نظائر وفيرة أو أكثر، فسنحتاج لمزيد من المعلومات، مثل وفرة بعض من تلك النظائر الأخرى.

لنلخص الآن النقاط الرئيسية. النظير ببساطة هو نوع من الذرات أو الأيونات البسيطة له عدد محدد من البروتونات وعدد محدد من النيوترونات في نواته. ومن ثم فإن النظائر هي ذرات أو أيونات بسيطة لها نفس عدد البروتونات في نوياتها، لكن لها أعدادًا مختلفة من النيوترونات. على سبيل المثال، جميع نظائر الكربون لها نفس عدد البروتونات، وهو ستة، في نوياتها، لكن لها أعدادًا مختلفة من النيوترونات.

يمكن تمثيل النظائر باستخدام ترميز النيوكليد، حيث يكون العدد الكتلي والعدد الذري مرفقين برمز العنصر للنظير. وقد ترى الاسم الكامل للنظير، وهو اسم العنصر الذي يتكون منه النظير، متبوعًا بالعدد الكتلي. نظائر العناصر على كوكب الأرض لها نسب وفرة مئوية طبيعية، وهي تستخدم لحساب متوسط الكتل الذرية للعناصر. قد ترى متوسط الكتلة الذرية مشارًا إليه بالوزن الذري. وأخيرًا، يمكنك حساب متوسط الكتلة الذرية لأي عنصر أو عينة من خلال أخذ النسبة المئوية لوفرة النظائر وضربها في كتل النظائر ثم جمعهما معًا.