تشريح الذرة

أجزاء الذرة

تتكون كل ذرة من ثلاثة أنواع من الجسيمات:

البروتونات: مشحونة بشحنة موجبة، وتوجد في النواة (المركز)

النيوترونات: بدون شحنة، وتوجد أيضًا في النواة

الإلكترونات: مشحونة بشحنة سالبة، وتدور حول النواة في سحابة إلكترونية

النواة صغيرة جدًا مقارنة بالذرة بأكملها. لو كانت الذرة بحجم ملعب كرة قدم، لكانت النواة بحجم كرة صغيرة على خط الـ50 ياردة. أما الإلكترونات فستكون كالبعوض يطن حول المقاعد العلوية.

الحقيقة الأساسية هي: عدد البروتونات يحدد نوع العنصر الذي يكونه الذرة. ويُطلق على هذا العدد اسم العدد الذري.

كل ذرة من الهيدروجين تحتوي على بروتون واحد بالضبط. وكل ذرة من الكربون تحتوي على 6 بروتونات بالضبط. وكل ذرة من الذهب تحتوي على 79 بروتوناً بالضبط.

تغيير عدد البروتونات يعني تغيير العنصر بالكامل.

ما الذي يجعل العنصر؟

الذهب يحتوي على 79 بروتوناً. والحديد يحتوي على 26 بروتوناً. ويبدو كل منهما مختلفاً، ويشعر بطريقة مختلفة، ويتصرف بطريقة مختلفة.

لكنهما كلاهما مجرد مجموعات من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

خريطة مندلييف

أقوى ورقة غش في العلوم

في عام 1869، قام كيميائي روسي يُدعى ديمتري مندلييف بشيء عبقري. كتب العناصر المعروفة على بطاقات ورتبها حسب الوزن الذري.

لاحظ أن العناصر ذات الخصائص المتشابهة تظهر على فترات منتظمة: نمط دوري.

رتبها في جدول يحتوي على صفوف (دورات) وأعمدة (مجموعات).

الحركة العبقرية: ترك مندلييف فراغات. وتوقع أن العناصر غير المكتشفة ستُملأ هذه الفراغات: وكان محقاً. فقد اكتُشفت الغاليوم والجرمانيوم بعد سنوات، وتطابقت خصائصهما مع توقعاته بشكل مثالي تقريباً.

الدورات (الصفوف): كل صف يمثل غلاف إلكتروني جديد يتم ملؤه.

المجموعات (الأعمدة): العناصر في نفس العمود لها نفس عدد الإلكترونات الخارجية: ولهذا السبب تتصرف بشكل مشابه.

تنقسم الجدول تقريباً إلى فلزات (اليسار والوسط: لامعة، موصلة، قابلة للطرق)، لافلزات (أعلى اليمين: غازات، مواد صلبة هشة)، وأشباه الفلزات (على طول خط الدرج: خصائص كليهما).

وهناك أيضاً الغازات النبيلة في العمود الأيمن البعيد: الهيليوم، النيون، الأرجون. لديها أغلفة إلكترونية خارجية مكتملة، لذا فهي لا تكاد تتفاعل مع أي شيء. هي المنعزلون في جدول الدوري.

أنماط في الجدول

الليثيوم، الصوديوم، والبوتاسيوم جميعهم في العمود 1 من جدول الدوري. جميعهم فلزات طرية تتفاعل بعنف مع الماء.

الفلور، الكلور، والبروم جميعهم في العمود 17. جميعهم لافلزات شديدة التفاعل تحب انتزاع الإلكترونات من ذرات أخرى.

كيف تتصل الذرات

لماذا تترابط الذرات

معظم الذرات لا تكون مستقرة بمفردها. فهي ترغب في الحصول على غلاف إلكتروني خارجي مكتمل: مثلما هو الحال مع الغازات النبيلة.

ولتحقيق ذلك، تترابط الذرات مع ذرات أخرى بطريقتين رئيسيتين:

الروابط الأيونية: تقوم ذرة بنقل الإلكترونات إلى ذرة أخرى.

ملح الطعام (NaCl) هو المثال الكلاسيكي. يمتلك الصوديوم إلكترونًا خارجيًا واحدًا يرغب في التخلص منه. أما الكلور فيمتلك 7 إلكترونات خارجية ويرغب في الحصول على واحد إضافي. يمنح الصوديوم إلكترونه للكلور. والآن يمتلك كلاهما غلافًا إلكترونيًا خارجيًا مكتملًا: لكن الصوديوم أصبح مشحونًا بشحنة موجبة (فقد إلكترونًا) والكلور مشحونًا بشحنة سالبة (كسب إلكترونًا). تتجاذب الشحنات المتعاكسة،并锁在一起.

الروابط التساهمية: تشارك الذرات الإلكترونات.

يعمل الماء (H₂O) بهذه الطريقة. يحتاج الأكسجين إلى إلكترونين إضافيين. ولكل هيدروجين إلكترون واحد يمكنه مشاركته. لذا يشارك الأكسجين الإلكترونات مع اثنين من الهيدروجين. لا يتخلى أحد عن أي شيء: إنهم يتعاونون.

تميل المركبات الأيونية إلى تكوين بلورات وتذوب في الماء. بينما تميل المركبات التساهمية إلى تكوين جزيئات: وحدات فردية مثل H₂O أو CO₂.

لماذا يذوب الملح

عندما تسقط بلورة من الملح في كوب من الماء، تختفي. يتفكك الصلب وتنتشر أيونات الصوديوم والكلور في الماء.

يحدث هذا لأن الماء جزيء قطبي: نهاية الأكسجين سالبة قليلاً والنهايات الهيدروجينية موجبة قليلاً.

ما هو التفاعل؟

تتحول المتفاعلات إلى النواتج

يحدث التفاعل الكيميائي عندما تعيد الذرات ترتيب روابطها لتشكيل مواد جديدة.

تُسمى المواد الأولية المتفاعلات. وتُسمى النتائج النواتج.

قاعدة مطلقة: لا تُخلق الذرات ولا تُفنى في التفاعل الكيميائي. هذا هو قانون حفظ الكتلة. كل ذرة تدخل يجب أن تخرج: فقط تُعاد ترتيبها.

يمكن أن تكون التفاعلات طاردة للحرارة (تطلق طاقة: النار، الانفجارات، مدفآت اليد) أو ماصة للحرارة (تمتص الطاقة: أكياس باردة، البناء الضوئي، طهي البيضة).

الكيمياء في كل مكان:

- الصدأ: حديد + أكسجين → أكسيد الحديد. بطيء، طارد للحرارة.

- الاحتراق: وقود + أكسجين → ثاني أكسيد الكربون + ماء. سريع، طارد للحرارة جداً.

- البناء الضوئي: ثاني أكسيد الكربون + ماء + ضوء الشمس → جلوكوز + أكسجين. ماص للحرارة: يخزن النبات طاقة الشمس في الروابط الكيميائية.

كل واحدة من هذه مجرد ذرات تكسر روابط قديمة وتكوّن روابط جديدة.

كيمياء الصدأ

ربما رأيت الصدأ على السيارات القديمة، أو الأدوات، أو المسامير. يتشكل الصدأ ببطء،但它是反应 حقيقي.

المعادلة الكيميائية هي: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

أي: أربع ذرات حديد تتفاعل مع ثلاث جزيئات أكسجين لإنتاج وحدتين من أكسيد الحديد (الصدأ).

الكيمياء في حياتك

أنت تعيش داخل مختبر كيمياء

الكيمياء ليست مجرد شيء يحدث في الأنابيب. إنها تحدث من حولك، طوال الوقت.

الطبخ: عندما تُحمّر اللحم أو تُحمّص الخبز، فذلك هو تفاعل ميلارد: الأحماض الأمينية والسكريات تُعيد ترتيب نفسها لتكوين مئات المركبات الجديدة ذات النكهة.

الطب: كل دواء هو جزيء مصمم ليتناسب مع مستقبل معين في جسمك، مثل المفتاح في القفل.

المواد: الشاشة التي تقرأ عليها هذا موجودة بسبب أن الكيميائيين اكتشفوا كيفية صنع البلورات السائلة، وأشباه الموصلات، وأغشية البوليمرات.

البطاريات: يعمل هاتفك بكيمياء أيونات الليثيوم: ذرات الليثيوم تنقل الإلكترونات ذهابًا وإيابًا بين الأقطاب الكهربائية.

جسمك: في هذه اللحظة، تقوم الإنزيمات في خلاياك بتحفيز آلاف التفاعلات الكيميائية في الثانية الواحدة: هضم الطعام، بناء البروتينات، ونسخ الحمض النووي.

كل مادة، وكل دواء، وكل تقنية تعود إلى ذرات تشكل روابط.

دورك

اربط الكيمياء بعالمك

لقد تعلمت الآن عن الذرات، والعناصر، والروابط، والتفاعلات. لديك المفردات اللازمة لوصف أصل الأشياء وسبب سلوكها كما هي.