كيفية عدّ البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في الذرات والأيونات

تفقد ذرة متعادلة إلكترونين. توقّع ما يحدث لشحنتها: هل تصبح موجبة أم سالبة أم تظل متعادلة؟

تصبح موجبة. تحمل الإلكترونات شحنة سالبة، ولذلك فإن إزالة إلكترونين تترك الذرة بشحنة \(2+\). لم تظهر بروتونات إضافية؛ بل أصبح عدد الشحنات السالبة أقل من أن يعادل الشحنات الموجبة. :chatgpt-content-reference{index=”0″}

هذا التمييز هو مفتاح عدّ الجسيمات في الذرات والأيونات: تتبّع ما تغيّر، بدلًا من التعامل مع إشارة الشحنة على أنها تعليمات لإضافة جسيمات.

01أين توجد الجسيمات

تخيّل الذرة على هيئة نواة مركزية صغيرة تحيط بها منطقة أكبر بكثير تحتوي على الإلكترونات. توجد البروتونات والنيوترونات داخل النواة، وليس بين الإلكترونات المحيطة بها. وتتركز تقريبًا كل كتلة الذرة في هذه النواة الصغيرة. :chatgpt-content-reference{index=”1″}

للجسيمات الثلاثة شحنات مختلفة. تقارن الشحنة النسبية بين شحناتها باستخدام شحنة أولية واحدة، أي مقدار شحنة البروتون، كوحدة قياس. :chatgpt-content-reference{index=”2″}

للبروتونات والنيوترونات كتل متقاربة، وكلاهما أثقل بكثير من الإلكترونات. يساهم النيوترون في الكتلة من دون أن يساهم في الشحنة الكهربائية. :chatgpt-content-reference{index=”3″}

عند حساب الشحنة، تخيّل مطابقة عدّادات موجبة وسالبة في أزواج. يساهم كل زوج بصفر في الشحنة الكلية. وتحدد العدّادات غير المتطابقة الشحنة الكلية.

هذه المطابقة ليست سوى تشبيه لجمع الشحنات. فالبروتونات والإلكترونات الحقيقية لا تقترن ماديًا ثم تختفي. بل تشغل مناطق مختلفة من الذرة.

وللصورة حد آخر أيضًا: فالإلكترونات ليست كواكب صغيرة تتحرك في مسارات دائرية ثابتة. تساعدنا الدوائر في مخططات الأغلفة على تنظيم الإلكترونات وعدّها. وبصورة أدق، توصف الإلكترونات بحالات طاقة مسموح بها وأوربيتالات تصف توزيعات احتمال وجودها في الفراغ. :chatgpt-content-reference{index=”4″}

02العدد الذري والعدد الكتلي يعدّان ما في النواة

لتحديد العنصر، احسب عدد بروتوناته. فتغيير عدد النيوترونات أو الإلكترونات لا يغيّر العنصر الذي تنتمي إليه الذرة.

العدد الذري، ويرمز إليه بـ \(Z\)، هو عدد البروتونات. ولكل ذرة من عنصر معين العدد الذري نفسه. :chatgpt-content-reference{index=”5″}

العدد الكتلي، ويرمز إليه بـ \(A\)، يحسب البروتونات والنيوترونات معًا. وتسمى هذه الجسيمات النووية مجتمعةً النيوكليونات، ولذلك يسمى العدد الكتلي أيضًا عدد النيوكليونات. :chatgpt-content-reference{index=”6″}

لنفترض أن \(p\) و\(n\) و\(e\) تمثل أعداد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات على الترتيب. عندئذٍ:

\[
\begin{aligned}
Z &= p \\
A &= p+n \\
n &= A-Z
\end{aligned}
\]

السطر الأخير مجرد عملية طرح: خذ جميع الجسيمات النووية، واطرح منها عدد البروتونات، وما يتبقى هو عدد النيوترونات.

هذه أعداد جسيمات، وليست كتلًا مقاسة بالغرام. فالعدد الكتلي 29 يعني وجود 29 نيوكليونًا، وليس 29 غرامًا.

في الرمز الذري الكامل، يوضع العدد الكتلي في أعلى اليسار، والعدد الذري في أسفل اليسار، وأي شحنة في أعلى اليمين. :chatgpt-content-reference{index=”7″}

03تكوين الأيون يغيّر عدد الإلكترونات

الأيون هو ذرة أو مجموعة ذرات لها شحنة كهربائية صافية. وهنا ندرس الأيونات أحادية الذرة، التي يتكوّن كل منها من ذرة واحدة.

في تكوين الأيونات المعتاد عن طريق اكتساب الإلكترونات أو فقدها، تظل النواة دون تغيير. وتظل أعداد البروتونات والنيوترونات ثابتة، ولذلك يبقى كل من العدد الذري والعدد الكتلي ثابتًا. بدءًا من ذرة متعادلة، يؤدي فقد الإلكترونات إلى تكوين أيون موجب، أو كاتيون، بينما يؤدي اكتساب الإلكترونات إلى تكوين أيون سالب، أو أنيون. :chatgpt-content-reference{index=”8″}

على سبيل المثال، تكون الذرة التي تحتوي على 12 بروتونًا و12 إلكترونًا متعادلة. وإذا فقدت إلكترونين، يتبقى فيها 12 بروتونًا و10 إلكترونات. وتكون شحنتها النسبية \(12-10=+2\).

لا تعني الإشارة الموجبة أنه تمت إضافة بروتونين. بل تصف عدم التوازن بين الشحنات الموجودة أصلًا.

احسب الشحنة دون حفظ قواعد منفصلة

ليكن \(q\) هو عدد الشحنة بإشارته. بالنسبة إلى أيون \(2+\)، يكون \(q=+2\). وبالنسبة إلى أيون \(2-\)، يكون \(q=-2\).

يساهم كل بروتون بوحدة شحنة موجبة واحدة، ويساهم كل إلكترون بوحدة شحنة سالبة واحدة. لذلك:

\[
\begin{aligned}
q &= p-e \\
e &= p-q=Z-q
\end{aligned}
\]

بالنسبة إلى أيون \(2+\)، يكون \(e=Z-2\): أي يوجد إلكترونان أقل من عدد البروتونات.

وبالنسبة إلى أيون \(2-\)، يكون \(e=Z-(-2)=Z+2\): فطرح عدد سالب يعني الجمع، ولذلك يوجد إلكترونان إضافيان.

يجب أن تتفق الإشارة مع أعداد الجسيمات: فالأيون الموجب يحتوي على إلكترونات أقل من البروتونات، بينما يحتوي الأيون السالب على إلكترونات أكثر.

04اختلاف أعداد النيوترونات يعني وجود نظائر مختلفة

تأمل ذرتين متعادلتين. تحتوي كل منهما على 12 بروتونًا، لكن إحداهما تحتوي على 12 نيوترونًا والأخرى على 14 نيوترونًا.

توقّع ما إذا كانت الذرة التي تحتوي على نيوترونين إضافيين تحتاج أيضًا إلى إلكترونين إضافيين كي تظل متعادلة.

لا تحتاج إلى ذلك. فالنيوترونات لا تحمل شحنة، ولذلك تحتاج كلتا الذرتين المتعادلتين إلى 12 إلكترونًا بالضبط. لكن عدديهما الكتليين يختلفان: \(12+12=24\) و\(12+14=26\).

تسمى الذرات التي لها عدد البروتونات نفسه ولكن أعداد نيوتروناتها مختلفة نظائر للعنصر نفسه. :chatgpt-content-reference{index=”9″}

في هاتين الذرتين، يعني ثبات عدد البروتونات أنهما كلتاهما من المغنيسيوم. ويجعلهما اختلاف عدد النيوترونات مغنيسيوم-24 ومغنيسيوم-26. ويمكن لأي من النظيرين أيضًا أن يفقد إلكترونين ويكوّن أيونًا بشحنة \(2+\).

لذلك، فالنظير والأيون ليسا وصفين متعارضين. إذ يمكن للجسيم نفسه أن يكون نظيرًا معينًا وأيونًا في الوقت نفسه.

العدد الكتلي ليس متوسط الجدول الدوري

الكتلة الذرية النسبية في الجدول الدوري هي متوسط مرجّح بوفرة النظائر لكتلها على مقياس كتلة نسبي. وليست العدد الكتلي لذرة معينة. لا تقرّب ذلك المتوسط لاختيار العدد الكتلي لذرة غير محددة النظير. :chatgpt-content-reference{index=”10″}

من دون معلومات عن النظير، لا يكفي العدد الذري وحده لتحديد عدد النيوترونات. ويُشرح حساب المتوسط في دليل tutorgum عن الكتلة الذرية النسبية من التركيب النظائري.

كذلك، فإن ثبات العدد الكتلي لا يعني أن الكتلة الفعلية لم تتغير إطلاقًا. فللإلكترونات كتلة، رغم أن العدد الكتلي لا يحسبها. :chatgpt-content-reference{index=”11″}

05الأسئلة والحلول

السؤال 1

تحتوي نواة على سبعة بروتونات وثمانية نيوترونات. كم عدد الإلكترونات التي يجب أن تحيط بها لكي تكون الذرة متعادلة؟ حدّد العدد الذري والعدد الكتلي للذرة.

الحل 1

تحتاج الذرة المتعادلة إلى سبعة إلكترونات. عددها الذري 7، وعددها الكتلي 15.

يتطلب التعادل تساوي عددي البروتونات والإلكترونات، ولذلك \(e=p=7\). وتوفر الإلكترونات السبعة سبع وحدات من الشحنة السالبة، فتعادل وحدات الشحنة الموجبة السبع الناتجة عن البروتونات.

تعطي أعداد الجسيمات النووية:

\[
\begin{aligned}
Z &= p=7 \\
A &= p+n=7+8=15
\end{aligned}
\]

تساهم النيوترونات الثمانية في العدد الكتلي، لكنها لا تساهم في الشحنة. وتوجد الإلكترونات السبعة خارج النواة ولا تدخل في حساب العدد الكتلي.

السؤال 2

يحتوي أيون سيليكون-29 معزول على 12 إلكترونًا. ويكتسب إلكترونًا واحدًا من دون أي تغيير في نواته. العدد الذري للسيليكون هو 14.

حدّد شحنته قبل اكتساب الإلكترون وبعده، وعدد نيوتروناته، ورمزه الكامل بعد التغير.

الحل 2

تتغير شحنته من \(2+\) إلى \(1+\). ويظل لديه 15 نيوترونًا طوال العملية، ورمزه النهائي هو \(\ce{^{29}_{14}Si^+}\).

يحتوي السيليكون على \(p=Z=14\) بروتونًا. في البداية:

\[
q=p-e=14-12=+2
\]

بعد اكتساب إلكترون واحد، يصبح لديه \(e=12+1=13\) إلكترونًا:

\[
q=p-e=14-13=+1
\]

عدد النيوترونات هو:

\[
n=A-Z=29-14=15
\]

لم تتغير النواة، ولذلك يظل العدد الذري 14 والعدد الكتلي 29.

الخطأ المغري هو وصف الجسيم النهائي بأنه سالب لأنه اكتسب إلكترونًا. إن اكتساب إلكترون يجعل شحنته أكثر سلبية، لكن هذا يعني هنا الانتقال من \(+2\) إلى \(+1\)، وليس العبور إلى قيمة أقل من الصفر.

السؤال 3

يحتوي أيونان أحاديا الذرة على 18 إلكترونًا و20 نيوترونًا لكل منهما. شحنة الأول \(1-\)، بينما شحنة الثاني \(2+\).

حدّد كلا الأيونين باستخدام الرموز الكاملة، وقرّر ما إذا كانا نظيرين للعنصر نفسه. العدد الذري للكلور هو 17، وللكالسيوم 20.

الحل 3

الأيونان هما \(\ce{^{37}_{17}Cl^-}\) و\(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\). وهما ليسا نظيرين للعنصر نفسه.

بإعادة ترتيب \(q=p-e\) نحصل على \(p=e+q\).

بالنسبة إلى الأيون \(1-\):

\[
\begin{aligned}
p &= e+q=18+(-1)=17 \\
A &= p+n=17+20=37
\end{aligned}
\]

تحدد بروتوناته السبعة عشر أنه كلور. ويحتوي على 20 نيوترونًا و18 إلكترونًا، فيكون \(\ce{^{37}_{17}Cl^-}\).

بالنسبة إلى الأيون \(2+\):

\[
\begin{aligned}
p &= e+q=18+(+2)=20 \\
A &= p+n=20+20=40
\end{aligned}
\]

تحدد بروتوناته العشرون أنه كالسيوم. ويحتوي على 20 نيوترونًا و18 إلكترونًا، فيكون \(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\).

لا يكفي تساوي عدد الإلكترونات وتساوي عدد النيوترونات لإثبات أن جسيمين ينتميان إلى العنصر نفسه. يجب أن يكون للنظائر عدد البروتونات نفسه، وهذا غير متحقق في هذين الأيونين.

السؤال 4

يعطي سجل لأيون أحادي الذرة مجهول ثلاث معلومات: عدده الكتلي 40، ويحتوي على 18 إلكترونًا، وشحنته موجبة.

يحدده طالب على أنه \(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\). هل تفرض الأدلة هذا التحديد؟ أعطِ أيونين محتملين متوافقين مع السجل، وحدّد قياسًا إضافيًا واحدًا يمكنه تحديد العنصر.

الأعداد الذرية ذات الصلة هي: الأرجون 18، والبوتاسيوم 19، والكالسيوم 20.

الحل 4

هذا التحديد غير مؤكد. يتوافق كل من \(\ce{^{40}_{19}K^+}\) و\(\ce{^{40}_{20}Ca^2+}\) مع السجل. ومن شأن قياس الشحنة الأيونية بدقة أن يحدد العنصر.

بالنسبة إلى البوتاسيوم-40:

\[
\begin{aligned}
p &= Z=19 \\
n &= A-Z=40-19=21 \\
q &= p-e=19-18=+1
\end{aligned}
\]

يحتوي على 19 بروتونًا و21 نيوترونًا و18 إلكترونًا. وعدده الكتلي 40 وشحنته موجبة.

بالنسبة إلى الكالسيوم-40:

\[
\begin{aligned}
p &= Z=20 \\
n &= A-Z=40-20=20 \\
q &= p-e=20-18=+2
\end{aligned}
\]

يحتوي على 20 بروتونًا و20 نيوترونًا و18 إلكترونًا. وهو أيضًا يحقق المعلومات الثلاث جميعًا.

أما جسيم الأرجون-40 الذي يحتوي على 18 إلكترونًا فسيكون متعادلًا، ولذلك لا يحقق شرط الشحنة الموجبة.

إن معرفة أن الشحنة موجبة فقط تخبرنا بأن \(p>18\). لكنها لا تخبرنا بالعدد الدقيق للبروتونات. ومن شأن قياس الشحنة بدقة أن يسمح لنا بحساب \(Z=p=e+q\)، ومن ثم تحديد العنصر.

السؤال 5

يجري تتبع الجسيم الفردي نفسه قبل عملية وبعدها. والسجلات دقيقة:

يدّعي تقرير: «فقد الجسيم واحدًا من إلكتروناته المحيطة. وظلت نواته دون تغيير لأن عدده الكتلي ظل 40.»

قيّم هذا الادعاء بتحديد عددي البروتونات والنيوترونات قبل العملية وبعدها.

الحل 5

الادعاء غير صحيح. تتغير النواة من 19 بروتونًا و21 نيوترونًا إلى 20 بروتونًا و20 نيوترونًا، بينما يظل عدد الإلكترونات المحيطة 18. ولذلك يلزم حدوث تغير نووي.

قبل العملية:

\[
\begin{aligned}
p &= e+q=18+1=19 \\
n &= A-p=40-19=21
\end{aligned}
\]

بعد العملية:

\[
\begin{aligned}
p &= e+q=18+2=20 \\
n &= A-p=40-20=20
\end{aligned}
\]

لو كان أحد الإلكترونات الثمانية عشر الأصلية قد غادر بينما ظلت النواة دون تغيير، لأصبح لدى الجسيم 17 إلكترونًا محيطًا. وهذا يناقض السجل.

هنا تنتج زيادة الشحنة الموجبة عن زيادة عدد البروتونات، لا عن انخفاض عدد الإلكترونات المحيطة.

يبقى العدد الكتلي 40 لأن هناك بروتونًا إضافيًا ونيوترونًا أقل. فالعدد الكتلي يحسب هذين النوعين من الجسيمات معًا. وثبات المجموع لا يثبت أن النواة لم تتغير.

06ما الذي يمكنك استنتاجه بعد ذلك

قبل إجراء أي حساب، افصل المعلومات: يحدد \(Z\) عدد البروتونات، ويعطي \(A-Z\) عدد النيوترونات، وتخبرك الشحنة بكيفية اختلاف عدد الإلكترونات عن عدد البروتونات.

بعد أن تعرف عدد الإلكترونات التي يحتوي عليها الجسيم، تكون الخطوة التالية هي تحديد ترتيبها. ينتقل دليل التوزيع الإلكتروني للذرات والأيونات من عدّ الإلكترونات إلى وضعها في مستويات الطاقة والمستويات الفرعية المسموح بها، وهو الأساس لتفسير السلوك الكيميائي. :chatgpt-content-reference{index=”12″}