لماذا تشترك النظائر في موضع واحد في الجدول الدوري
تعرّف على سبب احتلال نظائر العنصر نفسه موضعًا واحدًا في الجدول الدوري رغم اختلافها في الكتلة وعدد النيوترونات والاستقرار النووي.
تحتوي عينة على الكربون-12 والكربون-14. تحتوي إحدى النواتين على نيوترونين أكثر من الأخرى، والكربون-14 مشع. فهل ينبغي أن يظهرا في موضعين مختلفين في الجدول الدوري؟
توقّع قبل متابعة القراءة: إذا كانت لذرتين كتلتان مختلفتان واستقرار نووي مختلف، فما الخاصية الوحيدة التي يمكن مع ذلك أن تجعلهما العنصر نفسه؟
الإجابة هي عدد البروتونات. يحتوي كل من الكربون-12 والكربون-14 على 6 بروتونات، لذلك ينتمي كلاهما إلى موضع الكربون، ذي العدد الذري 6. ويؤدي اختلاف عدد النيوترونات إلى تغيير كتلتهما وسلوكهما النووي، لكنه لا يغيّر هويتهما العنصرية.
هذا الاختلاف الواحد يفسّر سبب اشتراك النظائر في الموضع نفسه في الجدول الدوري.
01يهتم الجدول الدوري بعدد البروتونات
تخيّل الجدول الدوري كمخطط جلوس يُحدَّد فيه رقم مقعدك بشيء واحد فقط: عدد البروتونات في نواتك.
يحصل الكربون على المقعد 6 لأن كل ذرة كربون تحتوي على 6 بروتونات. ويحصل الأكسجين على المقعد 8 لأن كل ذرة أكسجين تحتوي على 8 بروتونات.
إضافة نيوترون تشبه وصولك إلى مقعدك وأنت تحمل حقيبة إضافية. تصبح أثقل، لكنك لم تصبح شخصًا مختلفًا ولا تنتقل إلى مقعد آخر.
لكن لهذا التشبيه حدود. فالنيوترون ليس مجرد حمولة ساكنة. يمكن لتغيير عدد النيوترونات أن يؤثر بصورة كبيرة في استقرار النواة.
القاعدة الدقيقة هي:
يتحدد موضع العنصر في الجدول الدوري بعدده الذري، أي بعدد بروتوناته.
إذا كانت لذرتين الأعداد نفسها من البروتونات، فهما من العنصر نفسه.
أما إذا كان لهما عددان مختلفان من البروتونات، فهما عنصران مختلفان.
02ما الذي يجعل النظائر مختلفة؟
النظائر هي ذرات للعنصر نفسه تحتوي على العدد نفسه من البروتونات ولكن على أعداد مختلفة من النيوترونات.
على سبيل المثال:
| النظير | البروتونات | النيوترونات | العدد الكتلي |
|---|---|---|---|
| الكربون-12 | 6 | 6 | 12 |
| الكربون-13 | 6 | 7 | 13 |
| الكربون-14 | 6 | 8 | 14 |
للنظائر الثلاثة جميعها العدد الذري 6، ولذلك تشغل جميعها موضع الكربون في الجدول الدوري.
تختلف أعدادها الكتلية لأن العدد الكتلي يحسب كلًا من البروتونات والنيوترونات.
\[ A = Z + N \]
حيث:
- \(A\) هو العدد الكتلي، ولا وحدة له
- \(Z\) هو العدد الذري، ويساوي عدد البروتونات
- \(N\) هو عدد النيوترونات
وبإعادة ترتيب المعادلة نحصل على:
\[ N = A - Z \]
لهذا فإن تغيير عدد النيوترونات يغيّر كتلة النظير من دون تغيير موضعه في الجدول الدوري.
مثال محلول: إلى أين ينتمي المغنيسيوم-26؟
تحتوي ذرة متعادلة من المغنيسيوم-26 على 12 بروتونًا. حدّد عدد نيوتروناتها واشرح موضعها في الجدول الدوري.
الخطوة 1
تحتوي الذرة على 12 بروتونًا، لذلك:
\[ Z = 12 \]
العدد الذري 12 هو المغنيسيوم. لذلك يكون موضعها في الجدول الدوري هو موضع المغنيسيوم.
الخطوة 2
بالنسبة إلى المغنيسيوم-26:
\[ A = 26 \]
باستخدام \(N = A - Z\):
\[ N = 26 - 12 = 14 \]
إذن يحتوي المغنيسيوم-26 على 14 نيوترونًا.
الخطوة 3
تسهم النيوترونات الأربعة عشر في كتلة النظير، لكنها لا تحدد العنصر الذي ينتمي إليه. الذي يحدد ذلك هو البروتونات الاثنا عشر.
لذلك يشغل كل من المغنيسيوم-24 والمغنيسيوم-25 والمغنيسيوم-26 الموضع نفسه في الجدول الدوري لأن جميعها لها \(Z = 12\).
إذا كان عدّ البروتونات والنيوترونات والإلكترونات لا يزال يسبب لك بعض الالتباس، فراجع كيفية عدّ البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في الذرات والأيونات قبل المتابعة.
03لماذا تكون كيمياء النظائر متشابهة جدًا عادةً؟
افترض أنك تقارن بين ذرتين متعادلتين من الكلور:
- يحتوي الكلور-35 على 17 بروتونًا و18 نيوترونًا
- يحتوي الكلور-37 على 17 بروتونًا و20 نيوترونًا
توقّع عدد الإلكترونات في كل منهما.
تحتوي كلتا الذرتين المتعادلتين على 17 إلكترونًا لأن الذرة المتعادلة تحتوي على أعداد متساوية من البروتونات والإلكترونات.
وهذا مهم لأن التفاعلات الكيميائية العادية تشمل الإلكترونات بصورة أساسية، ولا سيما الإلكترونات الخارجية. وبما أن النظائر المتعادلة للعنصر نفسه لها عدد البروتونات نفسه، فإن لها أيضًا عدد الإلكترونات نفسه، ومن ثم يكون لها في الأساس التوزيع الإلكتروني نفسه.
لذلك ينتمي الكلور-35 والكلور-37 إلى المجموعة نفسها في الجدول الدوري، ولهما سلوك كيميائي شديد التشابه.
وهذه سلسلة استدلال مهمة:
\[ \text{عدد البروتونات نفسه} \rightarrow \text{العنصر نفسه} \rightarrow \text{الموضع نفسه في الجدول الدوري} \]
وبالنسبة إلى الذرات المتعادلة:
\[ \text{عدد البروتونات نفسه} \rightarrow \text{عدد الإلكترونات نفسه} \rightarrow \text{التوزيع الإلكتروني نفسه} \rightarrow \text{كيمياء متشابهة جدًا} \]
كلمة جدًا مهمة. فالنظائر ليست متطابقة فيزيائيًا. ويمكن لاختلاف كتلها أن يسبب فروقًا صغيرة في الخواص ومعدلات التفاعل، وتُسمى هذه الفروق تأثيرات النظائر. ومع ذلك، فعلى مستوى HSC، تتمثل الفكرة الأساسية في أن نظائر العنصر لها في الأساس الخواص الكيميائية نفسها لأن تراكيبها الإلكترونية متماثلة.
لمزيد من التفاصيل حول سبب تحكم ترتيب الإلكترونات في السلوك الكيميائي، راجع التوزيع الإلكتروني لكيمياء HSC: الذرات والأيونات.
04العدد الكتلي ليس هو العدد المطبوع في الجدول الدوري
هذه واحدة من أسهل الأخطاء المتعلقة بالنظائر التي يمكن الوقوع فيها.
تخيّل أن جدولًا دوريًا يعطي الكلور كتلة ذرية نسبية مقدارها نحو \(35.45\). قد ينظر طالب إلى هذا العدد ويقول: «تحتوي ذرة الكلور على 35.45 نوكليونًا».
هذا غير صحيح.
فلا يمكن لنواة واحدة أن تحتوي على 0.45 من النوكليون.
العدد المعروض بوصفه الكتلة الذرية النسبية في الجدول الدوري هو عمومًا متوسط مرجّح يعتمد على النظائر الموجودة طبيعيًا لذلك العنصر.
أما النظير الفردي فله عدد كتلي صحيح.
بالنسبة إلى الكلور:
- للكلور-35 \(A = 35\)
- للكلور-37 \(A = 37\)
- يحتوي الكلور الموجود طبيعيًا على كلا النظيرين، ولذلك تقع كتلته الذرية النسبية بين 35 و37
لذلك لا يحتاج الجدول الدوري إلا إلى خانة واحدة للكلور. فالكتلة الذرية المتوسطة في تلك الخانة تلخّص خليطًا من النظائر، ولا تنشئ عنصرًا منفصلًا.
مثال محلول: نظير غير مألوف في طيف الكتلة
يشير طيف كتلة إلى ذرة عددها الكتلي 81. وتُظهر أدلة مستقلة أن نواتها تحتوي على 35 بروتونًا.
حدّد العنصر وعدد نيوتروناته، وبيّن ما إذا كان نظير للعنصر نفسه عدده الكتلي 79 سيشغل موضعًا مختلفًا في الجدول الدوري.
الخطوة 1
\[ Z = 35 \]
العدد الذري 35 هو البروم.
إذن النظير هو البروم-81.
الخطوة 2
\[ N = A - Z \]
بالتعويض عن \(A = 81\) و\(Z = 35\):
\[ N = 81 - 35 = 46 \]
يحتوي البروم-81 على 46 نيوترونًا.
الخطوة 3
بالنسبة إلى البروم-79:
\[ N = 79 - 35 = 44 \]
إذن يحتوي البروم-79 على 44 نيوترونًا، بينما يحتوي البروم-81 على 46.
ومع ذلك، لا يزال كلاهما يحتوي على 35 بروتونًا.
الخطوة 4
يشغل كلا النظيرين موضع البروم، ذي العدد الذري 35. وتغيّر أعداد النيوترونات المختلفة العدد الكتلي من 79 إلى 81، لكنها لا تغيّر العنصر.
05الاستقرار النووي مسألة منفصلة عن الموضع في الجدول الدوري
لننظر الآن مرة أخرى إلى الكربون-12 والكربون-14.
كلاهما يحتوي على 6 بروتونات، ولذلك فكلاهما كربون. لكن الكربون-12 مستقر، في حين أن الكربون-14 مشع.
كيف يمكن لذرتين أن تكونا من العنصر نفسه إذا كانت إحدى النواتين مستقرة والأخرى غير مستقرة؟
لأن هوية العنصر والاستقرار النووي يعتمدان على أشياء مختلفة.
تعتمد هوية العنصر على عدد البروتونات.
أما الاستقرار النووي فيعتمد على مدى نجاح النواة في البقاء متماسكة مع تركيبتها الخاصة من البروتونات والنيوترونات.
داخل النواة، يتنافس تأثيران مهمان:
- القوة النووية الشديدة تجذب النوكليونات، أي البروتونات والنيوترونات، عبر مسافات قصيرة جدًا
- يعمل التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات موجبة الشحنة
تسهم النيوترونات في التجاذب الناتج عن القوة النووية الشديدة من دون إضافة تنافر كهروستاتيكي إضافي بين البروتونات. وهذا أحد أسباب قدرة النيوترونات على المساعدة في استقرار النوى.
لكن الاستنتاج المغري القائل إن «زيادة عدد النيوترونات تعني دائمًا زيادة الاستقرار» خاطئ.
فقد تحتوي النواة أيضًا على فائض غير مناسب من النيوترونات. تقع النوى المستقرة ضمن نطاقات معينة من تراكيب النيوترونات إلى البروتونات. ويمكن للابتعاد كثيرًا عن هذه التراكيب أن يجعل النواة غير مستقرة.
لذلك لا يصبح الكربون-14 عنصرًا مختلفًا لمجرد أنه مشع. فقبل أن يتحلل، يظل كربونًا لأنه لا يزال يحتوي على 6 بروتونات.
06ماذا يحدث عندما يتحلل نظير غير مستقر؟
هنا يظهر الحد المهم لهذه الفكرة.
يمكن لتغيير عدد النيوترونات وحده أن ينتج نظيرًا آخر للعنصر نفسه.
أما تغيير عدد البروتونات فيغيّر العنصر نفسه.
يخضع الكربون-14 لتحلل بيتا السالب. وعلى المستوى النووي، يتحول نيوترون إلى بروتون، مع انبعاث إشعاع بيتا وضديد نيوترينو. ويمكن تمثيل المعادلة النووية كما يلي:
\[ \ce{^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + ^0_{-1}e + \bar{\nu}_e} \]
قبل التحلل، تحتوي النواة على 6 بروتونات، ولذلك فهي كربون.
بعد التحلل، تحتوي النواة الناتجة على 7 بروتونات، ولذلك فهي نيتروجين.
لاحظ ما الذي غيّر الموضع في الجدول الدوري: ليس النشاط الإشعاعي في حد ذاته، بل التغير في عدد البروتونات أثناء التحلل.
وهذا يعطينا قاعدة مفيدة لاتخاذ القرار:
| ما الذي يتغير؟ | هل يبقى العنصر نفسه؟ | هل يبقى الموضع نفسه في الجدول الدوري؟ |
|---|---|---|
| عدد النيوترونات فقط | نعم | نعم |
| عدد الإلكترونات فقط | نعم | نعم |
| عدد البروتونات | لا | لا |
لذلك يظل الأيون في الموضع نفسه في الجدول الدوري الذي تشغله ذرته المتعادلة. فقدان إلكترون يغيّر الشحنة، لا عدد البروتونات.
وكذلك يبقى النظير في الموضع نفسه. فتغيير عدد النيوترونات يغيّر الكتلة، لا عدد البروتونات.
أما التفاعل النووي الذي يغيّر عدد البروتونات فهو مختلف. إذ إنه يغيّر هوية العنصر.
07أبقِ هذه الأعداد الثلاثة منفصلة
تنشأ معظم أخطاء النظائر من الخلط بين العدد الذري والعدد الكتلي والكتلة الذرية النسبية.
| الكمية | المعنى | هل تكون عادةً عددًا صحيحًا؟ | هل تحدد العنصر؟ |
|---|---|---|---|
| العدد الذري، \(Z\) | عدد البروتونات | نعم | نعم |
| العدد الكتلي، \(A\) | البروتونات + النيوترونات في نواة واحدة | نعم | لا |
| الكتلة الذرية النسبية | متوسط مرجّح يشمل نظائر العنصر | ليس بالضرورة | لا |
إحدى الطرق السريعة لاختبار فهمك هي أن تسأل:
أي عدد يخبرني بعدد البروتونات الموجودة؟
هذا هو العدد الذي يحدد موضع العنصر في الجدول الدوري.
08أسئلة وحلول
السؤال 1
تُمثَّل ذرتان بالرمزين \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) و\(\ce{^{65}_{29}Cu}\).
حدّد ما إذا كانتا تشغلان الموضع نفسه في الجدول الدوري، وأوجد عدد النيوترونات في كل نواة.
الحل 1
تشغلان الموضع نفسه في الجدول الدوري لأن كلتا النواتين تحتويان على 29 بروتونًا.
يتحدد العدد الذري بعدد البروتونات، ولذلك فالذرتان كلتاهما نحاس.
بالنسبة إلى \(\ce{^{63}_{29}Cu}\):
\[ N = A - Z = 63 - 29 = 34 \]
تحتوي على 34 نيوترونًا.
بالنسبة إلى \(\ce{^{65}_{29}Cu}\):
\[ N = A - Z = 65 - 29 = 36 \]
تحتوي على 36 نيوترونًا.
يختلف عدد النيوترونات، ولذلك فالذرتان نظيران مختلفان. أما عدد البروتونات فمتطابق، ولذلك تتطابق هويتهما العنصرية وموضعهما في الجدول الدوري.
السؤال 2
تحتوي الذرة X على 16 بروتونًا و18 نيوترونًا و16 إلكترونًا. وتحتوي الذرة Y على 16 بروتونًا و20 نيوترونًا و18 إلكترونًا.
حدّد ما إذا كانت X وY نظيرين للعنصر نفسه، واشرح ما إذا كانتا تشغلان الموضع نفسه في الجدول الدوري.
الحل 2
X وY نظيران للعنصر نفسه، وتشغلان الموضع نفسه في الجدول الدوري.
يحتوي كلا الجسيمين على 16 بروتونًا:
\[ Z = 16 \]
العدد الذري 16 هو الكبريت.
بالنسبة إلى X:
\[ A = Z + N = 16 + 18 = 34 \]
إذن X هي الكبريت-34.
بالنسبة إلى Y:
\[ A = Z + N = 16 + 20 = 36 \]
إذن تحتوي Y على نواة الكبريت-36.
لدى Y عدد 18 إلكترونًا بدلًا من 16، ولذلك فهي أيون شحنته \(2-\). وهذا لا يغيّر عنصرها. ففقدان الإلكترونات أو اكتسابها يغيّر الشحنة، بينما يحدد عدد البروتونات الموضع في الجدول الدوري.
الفخ هنا هو افتراض أن اختلاف أعداد الإلكترونات يعني اختلاف العناصر. وهذا غير صحيح. لكل من X وY قيمة \(Z = 16\)، ولذلك تنتميان كلتاهما إلى موضع الكبريت.
السؤال 3
يقول طالب:
«ينبغي أن يظهر النظير ذو العدد الكتلي الأكبر في موضع أبعد إلى اليمين في الجدول الدوري، لأن العناصر تصبح أثقل كلما تحركنا عبر الدورة.»
قيّم هذا الادعاء باستخدام \(\ce{^{20}_{10}Ne}\) و\(\ce{^{22}_{10}Ne}\).
الحل 3
الادعاء غير صحيح لأن الموضع في الجدول الدوري يتحدد بالعدد الذري، لا بالعدد الكتلي.
لكلا النويدين:
\[ Z = 10 \]
ولذلك يحتوي كلاهما على 10 بروتونات وكلاهما نيون.
بالنسبة إلى \(\ce{^{20}_{10}Ne}\):
\[ N = 20 - 10 = 10 \]
بالنسبة إلى \(\ce{^{22}_{10}Ne}\):
\[ N = 22 - 10 = 12 \]
النيون-22 أثقل لأنه يحتوي على نيوترونين إضافيين. لكنه لا ينتقل إلى موضع آخر في الجدول الدوري لأن عدد بروتوناته يظل 10.
ملاحظة الطالب بأن الكتل الذرية تزداد غالبًا مع زيادة العدد الذري لا تمثل قاعدة ترتيب العناصر. فالجدول الدوري الحديث مرتب حسب تزايد العدد الذري. وليست الكتلة هي الإحداثي المحدِّد للموضع.
السؤال 4
تحتوي نواة مجهولة في البداية على 11 بروتونًا و13 نيوترونًا. أثناء عملية نووية، يتحول نيوترون واحد في النواة إلى بروتون.
قارن النويد قبل العملية وبعدها. حدّد ما إذا كان يبقى في الموضع نفسه في الجدول الدوري، واشرح لماذا لا يكفي مجرد القول إن «العدد الكتلي بقي كما هو» لتحديد العنصر.
الحل 4
تنتقل النواة إلى موضع مختلف في الجدول الدوري لأن عدد بروتوناتها يتغير من 11 إلى 12، على الرغم من أن عددها الكتلي يظل 24.
في البداية:
\[ Z = 11 \]
و:
\[ N = 13 \]
ولذلك يكون العدد الكتلي:
\[ A = Z + N = 11 + 13 = 24 \]
العدد الذري 11 هو الصوديوم، ولذلك تكون النواة الابتدائية \(\ce{^{24}_{11}Na}\).
بعد تحول نيوترون واحد إلى بروتون:
\[ Z = 12 \]
و:
\[ N = 12 \]
يظل العدد الكتلي الجديد:
\[ A = 12 + 12 = 24 \]
لكن العدد الذري 12 هو المغنيسيوم، ولذلك تكون النواة الناتجة \(\ce{^{24}_{12}Mg}\).
الفخ الأساسي هو التعامل مع العدد الكتلي على أنه ما يحدد هوية العنصر. يمكن لنواتين أن يكون لهما العدد الكتلي نفسه ولكن عددان مختلفان من البروتونات. ومثل هاتين النواتين ليستا نظيرين لبعضهما، لأن النظائر يجب أن يكون لها عدد البروتونات نفسه.
يخبرك العدد الكتلي بإجمالي عدد النوكليونات. أما العدد الذري فيخبرك بالعنصر الذي لديك.
السؤال 5
ثلاث ذرات متعادلة لها التراكيب النووية الآتية:
- P: عددها 8 بروتونات و8 نيوترونات
- Q: عددها 8 بروتونات و10 نيوترونات
- R: عددها 9 بروتونات و9 نيوترونات
تُظهر تجربة أن Q أقل استقرارًا نوويًا من P.
يستنتج طالب: «لا بد أن تكون Q في جزء مختلف من الجدول الدوري عن P لأن نواتها تتصرف بصورة مختلفة.»
قيّم هذا الاستنتاج. ثم قارن التشابه الكيميائي المتوقع بين P وQ وبين P وR.
الحل 5
الاستنتاج غير صحيح. تشغل P وQ الموضع نفسه في الجدول الدوري رغم اختلاف استقرارهما النووي. وينبغي أيضًا أن يكون السلوك الكيميائي لكل من P وQ أكثر تشابهًا بكثير من السلوك الكيميائي لكل من P وR.
تحتوي كل من P وQ على 8 بروتونات:
\[ Z_P = Z_Q = 8 \]
ولذلك فهما نظيران للأكسجين.
عددهما الكتلي هو:
\[ A_P = 8 + 8 = 16 \]
و:
\[ A_Q = 8 + 10 = 18 \]
إذن P هي الأكسجين-16 وQ هي الأكسجين-18.
يمكن لاختلاف أعداد النيوترونات أن يؤثر في الكتلة النووية والاستقرار، لكن عدد النيوترونات لا يحدد العنصر.
وبما أن كلتا الذرتين متعادلتان وتحتويان على 8 بروتونات، فإن كلًا منهما يحتوي أيضًا على 8 إلكترونات. ولذلك فلهما التوزيع الإلكتروني نفسه وكيمياء متشابهة جدًا.
تحتوي R على 9 بروتونات:
\[ Z_R = 9 \]
ولذلك فإن R هي الفلور، لا الأكسجين. وبوصفها ذرة متعادلة، فإنها تحتوي أيضًا على 9 إلكترونات، مما يعطيها توزيعًا إلكترونيًا مختلفًا وسلوكًا كيميائيًا مختلفًا.
الفكرة الأعمق هي أن السلوك النووي والهوية الكيميائية يرتبطان بأجزاء مختلفة من الذرة. يعتمد الاستقرار النووي بدرجة كبيرة على تركيبة البروتونات والنيوترونات داخل النواة. أما السلوك الكيميائي العادي فيعتمد أساسًا على ترتيب الإلكترونات. ويرتبط الموضع في الجدول الدوري بكليهما عبر عدد البروتونات، لكنه لا يتحدد بالاستقرار النووي.
بمجرد أن تتمكن من إبقاء عدد البروتونات وعدد النيوترونات والعدد الكتلي وعدد الإلكترونات مفاهيم منفصلة، يصبح تتبع التحلل الإشعاعي أسهل بكثير. ويمكنك النظر إلى معادلة نووية وتحديد فورًا ما إذا كان الناتج نظيرًا جديدًا للعنصر نفسه أم عنصرًا مختلفًا تمامًا. وهذه هي الخطوة المفيدة التالية عند تعلّم موازنة المعادلات النووية لكيمياء HSC.