المفاهيم الأساسية للذرات في الكيمياء

في الكيمياء، يتم استخدام كلمة الذرة (atom) بشكل واسع، تعد الذرة عبارة عن جسيم من جسيمات المادة والتي تحدد العنصر الكيميائي بشكل فريد.

مقدمة عن الذرة:

• تتكون الذرة من نواة مركزية، حيث أن عادة ما تكون هذه النواة محاطة بإلكترون واحد أو أكثر، حيث أن كل إلكترون يكون سالب الشحنة، بينما تكون النواة موجبة الشحنة، كما وتحتوي النواة على واحد أو أكثر من الجسيمات الثقيلة نسبيًا والتي تعرف بالبروتونات والنيوترونات.

• البروتون (p) يمتلك شحنة موجبة، حيث أن عدد البروتونات في نواة الذرة هو عبارة عن العدد الذري للعنصر الكيميائي، كما ويمتلك البروتون كتلة سكونية، يشار إليها بـ mp، وهذه الكتلة تبلغ حوالي (1.673 × 10^-27) كيلو جراما (كجم)، ويوجد داخل النواة.

• يعرف عن النيوترون (n) أنه متعادل كهربائيًا، كما ويعرف أن له كتلة سكون يشار إليها بـ mn، حيث تبلغ هذه الكتلة تقريبًا (1.675 × 10^-27) كيلو جراما، ويوجد داخل النواة.

• تزداد كتلة كلا من البروتون أو النيوترون عندما يصل الجسيم إلى السرعة القصوى، على سبيل المثال، يصل الجسيم إلى السرعة القصوى في السيكلوترون أو المسرع الخطي.

• طور الفيزيائي إرنست رذرفورد نموذجا مبكرا للذرة في عام 1912 ميلادي، وكان أول من اقترح أن الذرات تشبه الأنظمة الشمسية المصغرة، باستثناء أن القوة الجاذبة لا تنتج عن الجاذبية، ولكن عن طريق الشحنات الكهربائية المتعارضة.

• في ما يسمى بذرة رذرفورد، تدور الإلكترونات حول النواة في مسارات دائرية، راجع نيلز بور نظرية رذرفورد في عام 1913 ميلادي. في ذرة بور، تدور الإلكترونات سالبة الشحنة حول النواة عند مسافات وسيطة محددة، حيث أنه يتم تمثيل هذه المسافات بواسطة كرات، تسمى الأفلاك، وهذه الأفلاك تحيط بالنواة.

• يمكن أن تنتقل الإلكترونات من فلك إلى آخر، وذلك عندما يمتص الإلكترون طاقة كافية تسمح له بالانتقال، عندها فإنه ينتقل إلى الفلك الأكبر أو الأعلى، وعندما يفقد قدرا معينا من الطاقة، فإنه ينتقل إلى الفلك الأدنى والأقل طاقة.

• الكتلة الكلية للذرة، بما في ذلك كتلة البروتونات وكتلة النيوترونات وكتلة الإلكترونات، هي عبارة عن الكتلة الذرية أو ما يسمى الوزن الذري، حيث تساهم الإلكترونات بجزء ضئيل فقط من هذه الكتلة.

• بالنسبة لمعظم الأغراض العملية، فإنه يمكننا اعتبار الوزن الذري على أنه عدد البروتونات بالإضافة إلى عدد النيوترونات فقط، ونظرًا لأن عدد النيوترونات في الذرة يمكن أن يختلف، لذا فإنه يمكن أن يكون هناك العديد من الأوزان الذرية المختلفة لمعظم العناصر.

• البروتونات والإلكترونات لهما شحنتان متساويتان في القيمة ومتعاكستان في الإشارة، وعادة ما يكون للذرة أعداد متساوية من كليهما، وهكذا، فإن الذرات عادة ما تكون محايدة.

• إذا كانت الذرة بها إلكترونات إضافية أو بها نقص في عدد الإلكترونات، يؤدي ذلك إلى كونها مشحونة كهربائيًا، الأيون الذي يحتوي على إلكترونات زائدة ويمتلك شحنة سالبة يسمى أنيون، بينما الأيون الذي يحتوي على نقص في الإلكترونات ويمتلك شحنة موجبة يسمى الكاتيون.

• أمثلة على النظائر المختلفة لعنصر ما، أولا نظير الكربون 12 (وهو يعد أكثر نظائر الكربون غير المشعة شيوعًا)، وثانيا، نظير الكربون 14 (وهو يعد نظير الكربون المشع الأقل شيوعًا).

• تُعرَّف وحدة الكتلة الذرية (1u) بأنها عبارة عن (1/12) من كتلة ذرة كربون 12 بقيمة 1.660×10^-27 كيلو غرام  وتساوي كتلة البروتون وتساوي كتلة النيوترون.

حركة الإلكترونات وموقعها:

• أولا، حركة الإلكترون حول نفسه:

تتحرك الإلكترونات حول نفسها بحركة مغزلية (Spin)، وتكون حركته إما باتجاه عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة، وغالبا ما يتم تمثيل المجال الإلكتروني أو الرمز إليه بمربع أو دائرة في بعض الأحيان، بينما يتم الرمز للإلكترون بسهم، يتم وضع الأسهم باتجاه معاكس حتى لا تتنافر الإلكترونات، كما في التالي [↑↓]، وهذه الحركة المعاكسة تسبب قوتان مغناطيسيتان متعاكستان في الاتجاه، وينتج عنها تجاذب الإلكترونات بقوة أكبر من قوة تنافرهما.

• ثانيا، حركة الإلكترون حول النواة:

تبعا لنظرية بور وتوزيع الإلكترونات في مستويات الطاقة، وتفسيره لأبسط ذرات العناصر في الجدول الدوري، وهو عنصر الهيدروجين، علمنا أن لكل مستوى من المستويات قدرة استيعابية محددة للإلكترونات، حيث أن أقصى عدد ممكن من الإلكترونات الذي يمكن أن يوجد في المدار أو المستوى يمكن حسابه من خلال قاعدة هوند التالية:

عدد الإلكترونات ع = (2n^2)، حيث أن n هو عبارة عن رقم المدار.

النظائر والتآصل في الكيمياء:

• النظائر هي: عبارة عن نوكليدات من نفس العنصر تختلف في عدد النيوترونات، وتعرف بأنها عبارة عن الذرات التي تحتوي على نفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات، فإنها تمثل نفس العنصر، وتكون مختلفة من عنصر لآخر، حيث يتم تحديد نظائر العنصر من خلال مجموع عدد البروتونات والنيوترونات.

• -تعرف المتآصلات بانها عبارة عن تعديلات هيكلية مختلفة للعنصر الواحد، مثل متآصلات الكبريت: S6 و S8 و Sx، ومتآصلات الكربون والتي هي تتمثل على شكل الماس وجرافيت و C60 و C70 وأنابيب الكربون النانوية.