العدد الذري وترميز العدد الكتلي في كيمياء HSC

يمكن أن تكون ذرتان كلتاهما من الكربون حتى لو كانت إحداهما تحتوي على 6 نيوترونات والأخرى على 8. قد يبدو هذا غريبًا في البداية. إذا كانت النواتان مختلفتين، فلماذا تظلان تنتميان إلى العنصر نفسه؟

قبل متابعة القراءة، توقّع أي عدد يجب أن يظل ثابتًا حتى تبقى الذرتان ذرتَي كربون: عدد البروتونات، أم عدد النيوترونات، أم العدد الكلي للجسيمات في النواة؟

يجب أن يكون عدد البروتونات. فعدد البروتونات هو الذي يحدد العنصر. ويمكن أن يتغير عدد النيوترونات من دون أن يتغير العنصر، ولهذا نحتاج إلى ترميز النظائر.

01العددان اللذان تحتاج إلى تتبعهما

تخيّل النواة كحقيبة صغيرة لا تحتوي إلا على البروتونات والنيوترونات.

هناك عددان مهمان:

• العدد الذري، \(Z\): عدد البروتونات.
• العدد الكتلي، \(A\): العدد الكلي للبروتونات والنيوترونات.

إذا كان \(N\) هو عدد النيوترونات، فإن:

\[
A = Z + N
\]

وبالتالي:

\[
N = A – Z
\]

وتعني الرموز ما يلي:

• \(A\) = العدد الكتلي، ولا وحدة له
• \(Z\) = العدد الذري، ولا وحدة له
• \(N\) = عدد النيوترونات، ولا وحدة له

هذه أعداد للجسيمات، لذلك لا توجد لها وحدات.

على سبيل المثال، نواة تحتوي على 6 بروتونات و8 نيوترونات يكون لديها:

\[
A = 6 + 8 = 14
\]

وبما أن \(Z = 6\)، فإن العنصر هو الكربون. وهذه الذرة تحديدًا هي الكربون-14.

02كيف يعمل ترميز النظائر

يُكتب رمز النظير بهذه الصورة:

\[
\ce{^{A}_{Z}X}
\]

حيث:

• \(X\) هو الرمز الكيميائي
• \(A\) هو العدد الكتلي
• \(Z\) هو العدد الذري

بالنسبة إلى الكربون-14:

\[
\ce{^{14}_{6}C}
\]

إذا كان ذلك أسهل، فاقرأ الرمز بدءًا من العدد السفلي:

1. \(Z = 6\)، إذن هناك 6 بروتونات. والعدد الذري 6 يحدد عنصر الكربون.
2. \(A = 14\)، إذن يوجد 14 نوكليونًا في المجموع.
3. عدد النيوترونات هو \(14 – 6 = 8\).

النوكليون يعني ببساطة بروتونًا أو نيوترونًا. ولهذا يُسمى العدد الكتلي أيضًا عدد النوكليونات.

نموذج ذهني مفيد

فكّر في العدد الذري على أنه بطاقة هوية العنصر. إذا تغير عدد البروتونات، فقد تغيّر العنصر.

أما العدد الكتلي فهو أشبه بعدد الأشخاص في صورة جماعية. يمكنك إضافة نيوترونات أو إزالتها مع بقاء «الشخص» نفسه، أي العنصر نفسه، لكن العدد الإجمالي يتغير.

لكن هذا التشبيه لا يصلح إذا بالغنا في استخدامه. فالبروتونات والنيوترونات ليست أشخاصًا يمكن تبديل أحدهم بالآخر. إن تغيير عدد البروتونات يغيّر شحنة النواة، وبالتالي يغيّر العنصر نفسه.

03للنظائر العدد الذري نفسه

افترض أن لديك:

\[
\ce{^{12}_{6}C}
\qquad \text{و} \qquad
\ce{^{14}_{6}C}
\]

ما الذي يبقى متماثلًا؟

لكليهما \(Z = 6\)، ولذلك يحتوي كل منهما على 6 بروتونات. وكلاهما كربون.

ما الذي يختلف؟

عددا الكتلة لهما هما 12 و14.

بالنسبة إلى الكربون-12:

\[
N = 12 – 6 = 6
\]

وبالنسبة إلى الكربون-14:

\[
N = 14 – 6 = 8
\]

إذن النظائر هي ذرات للعنصر نفسه لها العدد نفسه من البروتونات ولكن أعدادًا مختلفة من النيوترونات.

وينتج عن ذلك النمط الأساسي الآتي:

04كيفية تكوين رمز نظير

أحيانًا يأتي السؤال في الاتجاه المعاكس. فبدلًا من قراءة رمز، تُعطى معلومات عن النواة ويُطلب منك تكوين الترميز.

استخدم هذا الترتيب:

1. أوجد عدد البروتونات. وهذا يعطيك \(Z\).
2. استخدم \(Z\) لتحديد العنصر.
3. اجمع عدد البروتونات والنيوترونات لإيجاد \(A\).
4. ضع \(A\) في أعلى اليسار و\(Z\) في أسفل اليسار.

05الخطأ الأكثر شيوعًا: العدد الكتلي ليس الكتلة الذرية في الجدول الدوري

إذا نظرت إلى الكلور في الجدول الدوري، فقد ترى قيمة قريبة من 35.45.

هل ينبغي أن تكتب \(A = 35.45\) في رمز النظير؟

لا.

فالعدد الكتلي يحصي البروتونات والنيوترونات في نواة واحدة محددة، ولذلك يجب أن يكون عددًا صحيحًا. فلا يمكن أن يكون لديك 0.45 من نيوترون داخل النواة.

أما القيمة العشرية في الجدول الدوري فهي عادةً الكتلة الذرية النسبية. وتتأثر بكتل النظائر الموجودة طبيعيًا لذلك العنصر ووفرتها النسبية.

إذن فهذه مفاهيم مختلفة:

كون الكتلة الذرية النسبية ليست عددًا صحيحًا في كثير من الأحيان لا يمثل مشكلة. فهي متوسط، وليست عدد الجسيمات في نواة واحدة.

يمكنك تطوير هذه الفكرة أكثر في الكتلة الذرية النسبية من التركيب النظائري.

06قاعدة سريعة لاتخاذ القرار

عندما ترى ترميزًا نوويًا، اطرح هذه الأسئلة بالترتيب:

1. ما قيمة \(Z\)؟ تعطيك عدد البروتونات وتحدد العنصر.
2. ما قيمة \(A\)؟ تعطيك العدد الكلي للبروتونات والنيوترونات.
3. هل تحتاج إلى عدد النيوترونات؟ احسب \(A – Z\).
4. هل تقارن بين نظائر؟ تحقق من أن \(Z\) متماثل وأن \(A\) مختلف.
5. هل توجد شحنة في أعلى اليمين؟ تعامل معها بصورة منفصلة. فالشحنة تغيّر عدد الإلكترونات، لا أعداد البروتونات أو النيوترونات في النظير.

07الأسئلة والحلول

السؤال 1

بالنسبة إلى النظير \(\ce{^{27}_{13}Al}\)، اذكر العدد الذري، والعدد الكتلي، وعدد البروتونات، وعدد النيوترونات.

الحل 1

للنظير عدد ذري 13، وعدد كتلي 27، و13 بروتونًا، و14 نيوترونًا.

العدد الموجود في أسفل اليسار هو العدد الذري:

\[
Z = 13
\]

إذن يوجد 13 بروتونًا.

العدد الموجود في أعلى اليسار هو العدد الكتلي:

\[
A = 27
\]

عدد النيوترونات هو:

\[
N = A – Z = 27 – 13 = 14
\]

إذن يحتوي \(\ce{^{27}_{13}Al}\) على 13 بروتونًا و14 نيوترونًا. والخطأ الشائع هو اعتبار 27 عدد النيوترونات. لكنه في الحقيقة العدد الكلي للبروتونات والنيوترونات.

السؤال 2

تحتوي ذرة على 20 بروتونًا و22 نيوترونًا. كوّن رمز نظيرها.

الحل 2

رمز النظير هو \(\ce{^{42}_{20}Ca}\).

العدد الذري هو عدد البروتونات:

\[
Z = 20
\]

العدد الذري 20 يقابل الكالسيوم، \(\ce{Ca}\).

العدد الكتلي هو:

\[
A = Z + N = 20 + 22 = 42
\]

إذن:

\[
\ce{^{42}_{20}Ca}
\]

وهذا هو الكالسيوم-42. والخطوة المهمة هي تحديد العنصر من \(Z = 20\)، وليس من العدد الكتلي 42.

السؤال 3

تأمل \(\ce{^{35}_{17}Cl}\) و\(\ce{^{37}_{17}Cl}\).

هل هما نظيران للعنصر نفسه؟ اذكر عدد النيوترونات في كل نواة واشرح استنتاجك.

الحل 3

نعم. إنهما نظيران للكلور، ويحتويان على 18 و20 نيوترونًا على الترتيب.

كلتا النواتين لهما:

\[
Z = 17
\]

إذن تحتوي كل منهما على 17 بروتونًا. وتساوي عدد البروتونات يعني أنهما للعنصر نفسه.

بالنسبة إلى \(\ce{^{35}_{17}Cl}\):

\[
N = 35 – 17 = 18
\]

وبالنسبة إلى \(\ce{^{37}_{17}Cl}\):

\[
N = 37 – 17 = 20
\]

لهما العدد الذري نفسه ولكن عدداهما الكتليان مختلفان لأنهما يحتويان على عددين مختلفين من النيوترونات. وهذا بالضبط ما يجعلهما نظيرين.

السؤال 4

يريد طالب تمثيل الأرجون-40 ويكتب \(\ce{^{18}_{40}Ar}\).

اشرح الخطأ في هذا الترميز واكتب رمز النظير الصحيح.

الحل 4

لقد عُكس موضع العددين. الرمز الصحيح هو \(\ce{^{40}_{18}Ar}\).

للأرجون العدد الذري:

\[
Z = 18
\]

ولذلك يجب أن يظهر العدد الذري في أسفل اليسار.

ويخبرنا الاسم أرجون-40 أن عدده الكتلي هو:

\[
A = 40
\]

وينتمي العدد الكتلي إلى أعلى اليسار.

إذن الترميز الصحيح هو:

\[
\ce{^{40}_{18}Ar}
\]

نسخة الطالب ليست مجرد ترميز غير مرتب. فلو كانت \(Z\) تساوي بالفعل 40، لكانت النواة تحتوي على 40 بروتونًا، وبالتالي لما كانت أرجونًا أصلًا. يجب أن يتوافق الرمز الكيميائي مع العدد الذري.

السؤال 5

تظهر ثلاثة أنواع كيميائية:

\[
\ce{^{40}_{18}Ar}
\qquad
\ce{^{40}_{19}K+}
\qquad
\ce{^{41}_{19}K+}
\]

حدّد أي نوعين هما نظيران للعنصر نفسه. ثم حدّد زوجًا له العدد الكتلي نفسه ولكنه ليس زوجًا من النظائر. واشرح لماذا لا تؤثر الشحنة \(+\) في أي من القرارين.

الحل 5

\(\ce{^{40}_{19}K+}\) و\(\ce{^{41}_{19}K+}\) نظيران. أما \(\ce{^{40}_{18}Ar}\) و\(\ce{^{40}_{19}K+}\) فلهما العدد الكتلي نفسه ولكنهما ليسا نظيرين.

نوعا البوتاسيوم لهما:

\[
Z = 19
\]

إذن لهما العدد نفسه من البروتونات وينتميان إلى العنصر نفسه. لكن عدديهما الكتليين مختلفان:

\[
A = 40 \quad \text{و} \quad A = 41
\]

ولذلك فهما نظيران.

لكل من الأرجون-40 والبوتاسيوم-40:

\[
A = 40
\]

لكن عدديهما الذريين مختلفان:

\[
Z_{\ce{Ar}} = 18
\qquad
Z_{\ce{K}} = 19
\]

إذن فهما عنصران مختلفان. ولا يجعل تساوي العدد الكتلي نواتين نظيرتين.

تخبرنا الشحنة \(+\) بأن نوع البوتاسيوم قد فقد إلكترونًا. وفقدان إلكترون لا يغيّر النواة، ولذلك لا يغيّر \(A\) أو \(Z\) أو هوية النظير.

الخطأ المغري هنا هو التركيز على تطابق العدد 40. وعند مقارنة النظائر، فإن أول ما يجب مقارنته دائمًا هو \(Z\).

السؤال 6

تحتوي ذرتان متعادلتان على 20 نيوترونًا لكل منهما. للذرة P عدد كتلي يساوي 39، بينما للذرة Q عدد كتلي يساوي 40.

يجادل طالب بأنه لا بد أن تكونا نظيرين لأن لديهما العدد نفسه من النيوترونات. حدّد هوية كل ذرة وقيّم ادعاء الطالب.

الحل 6

الذرة P هي البوتاسيوم-39، والذرة Q هي الكالسيوم-40، وليستا نظيرين.

بالنسبة إلى الذرة P:

\[
Z = A – N = 39 – 20 = 19
\]

العدد الذري 19 هو للبوتاسيوم، إذن الذرة P هي:

\[
\ce{^{39}_{19}K}
\]

بالنسبة إلى الذرة Q:

\[
Z = A – N = 40 – 20 = 20
\]

العدد الذري 20 هو للكالسيوم، إذن الذرة Q هي:

\[
\ce{^{40}_{20}Ca}
\]

يفشل استدلال الطالب لأن النظائر تُعرَّف بأن لها عدد البروتونات نفسه، لا عدد النيوترونات نفسه.

تصادف أن كلتا الذرتين تحتويان على 20 نيوترونًا، لكن إحداهما تحتوي على 19 بروتونًا والأخرى على 20. وعدداهما الذريان مختلفان، ولذلك فهما عنصران مختلفان.

يصبح هذا التمييز مفيدًا بصورة خاصة عند دراسة التفاعلات النووية. ففي المعادلة النووية، يتيح لك تتبع العدد الكتلي والعدد الذري معرفة الجسيمات أو النوى التي لا بد أن تكون قد تكوّنت، وتحديد ما إذا كانت المعادلة موزونة.