تاريخ ونشأة التركيب الذري، تعد الذرة الوحدة الأساسية في علم الكيمياء وهي أصغر وحدات البناء التي تشكل أي مادة.
مفهوم الذرة
- تعتبر حبة الذرة من أصغر الأشياء التي يمكن الحصول عليها من المادة، وخاصة عند تجزئتها، كما أنها غير مرئية بالعين المجردة.
- إنها ذات توزيع متعادل للشحنات الكهربائية، ولكن عند تفكيكها، تكتسب جزيئاتها شحنات كهربائية سواء كانت سالبة أو موجبة.
- تعتبر الذرة أساس علم الكيمياء وهي أصغر جزء في تكوين المادة وتتميز بخصائصها الكيميائية المتغيرة.
- تدخل الذرات في تكوين أي مادة موجودة على سطح الكون، وتتميز كل عنصر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية بتركيبه الذري الفريد الذي يختلف عن العناصر الأخرى.
- بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية الفيزيائية التي تميزه عن غيره من العناصر، تعتمد هذه الخصائص بشكل كبير على كتلة العنصر الذري.
- تعود أصل كلمة ذرة إلى الكلمة اللاتينية `أتوموس`، وتعني غير قابلة للانقسام، حيث كان العلماء في ذلك الوقت يعتقدون أنه لا يوجد شيء أصغر من المادة في هذا الكون، وبالتالي فهي لا تقسم.
- وتتألف غالبية جسم الذرة من فراغ يحتوي على سحب إلكترونية صغيرة الحجم تدور حول النواة في مساحة صغيرة جدا مقارنة بحجم الذرة الكامل.
مكونات المادة
على عكس المعتقدات السابقة، المادة تتألف من عدة أجزاء صغيرة لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، وأهم مكونات المادة هي:
1- البروتونات
- إنها مجموعة من الأجسام الصغيرة الموجبة الشحنة الكهربائية لها نفس مقدار شحنة الإلكترون الذري.
- في حين يكون وزن البروتونات حوالي 1.673×10-27 كيلوجرام، أي مضاعفة لوزن الإلكترون الذري، وبالإضافة إلى ذلك، يمثل عدد البروتونات العدد الذري لكل عنصر في جدول العناصر الدوري.
- تقوم البروتونات بتحديد ترتيب وموقع العناصر في الجدول الدوري، وفي نهاية القرن العشرين، انتشرت بين العلماء بعض المعتقدات بأن البروتونات هي جسيمات أولية خالية تماما ولا يمكن تقسيمها.
- ذلك دفع بعض علماء الفيزياء للبحث عن تركيب البروتونات، حيث تم تصنيف البروتونات ضمن مجموعة الباريونات التي تعتبر جسيمات صغيرة جدا تتألف من ثلاث جسيمات أساسية تعرف بالكواركات.
- حيث يوجد هذه الكواركات المكونة للبروتونات اثنان منها في الجزء العلوي وواحد في الجزء السفلي، وقد تم اكتشاف البروتونات من قبل العالم الفيزيائي رذرفورد.
2- النيوترونات
- هي تمثل هيئات صغيرة غير ذرية الحجم متواجدة في كافة أنوية العناصر الفيزيائية، باستثناء الهيدروجين العادي حيث يحتوي على نواة واحدة فقط.
- النيوترونات لا تحمل أي شحنة كهربائية وتكون كتلتها حوالي 1.67493×10-27 كج، لذلك فهي أكبر قليلا من كتلة البروتونات وتكون ما يقرب من ضعف كتلة الإلكترون بحوالي 1839 مرة.
- يطلق على النيوترونات والبروتونات اسم النيوكليونات نظرا لوجودهما في نواة صغيرة جدا تعرف باسم النواة، وتشكل النيوكليونات حوالي ٩٩.٩% من كتلة الذرة.
- استمر الاعتقاد السائد بأن النيوترونات هي جسيمات أولية حتى أنهى علماء الفيزياء هذا الاعتقاد الخاطئ في نهاية القرن الماضي.
- النيوترونات تعتبر جزءا من مجموعة الباريونات، وهي تتألف من ثلاثة كواركات تختلف ترتيبها عن ترتيب البروتونات، حيث يوجد اثنان في الجزء السفلي وواحد في الجزء العلوي.
3- الإلكترونات
- الإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة الكهربائية، وهي جسيمات أولية وأساسية، حيث لا تحتوي على أي مكونات ولا يمكن تجزئتها.
- عالم الفيزياء طومسون اكتشف الإلكترونات عن طريق دراسة أشعة المهبط، وساعد هذا اكتشاف الإلكترونات في فهم تركيب النواة الذرية.
- تتم حركة الإلكترونات في مدارات مختلفة حول النواة وهذه المدارات تسمى مستويات الطاقة، ويتميز الإلكترونات بكونها من أخف الجسيمات الموجودة في الذرة.
- عندما يتم إزالة الإلكترون من مداره حول النواة، تكون الذرة في حالة ثابتة وتعرف بالأيون.
- بالإضافة إلى ذلك، الإلكترونات موجودة في حالة البلازما، وهي المادة التي تتميز بوجود الإلكترونات والأيونات بحرية دون أن تكون مقيدة بمداراتها الطاقوية.
- تصنف الإلكترونات وفقا لمجموعة الفيرميونات، ويتم وصف سلوكها بواسطة إحصاء فيرمي ديراك.
4- النموذج الذري
- تتكون معظم المواد من جزيئات يمكن فصلها عن بعضها بسهولة، وتلك الجزيئات تتكون من مجموعة من الذرات مترابطة ببعضها عن طريق روابط كيميائية صعبة الفصل.
- تتألف كل ذرة من مجموعة من الإلكترونات ونواة، وهما مرتبطتان ببعضهما بقوة كهربائية كبيرة، ولكي يتم فصلهما عن بعضهما البعض، يجب على الإلكترونات اكتساب طاقة كهربائية كبيرة حتى تستطيع الخروج من المدار الخاص بها في مستويات الطاقة.
تاريخ نشأة الذرة
- في عام ٤٤٠ قبل الميلاد، افترض الفيلسوف ديموقريطوس أن جميع المواد الموجودة في الكون تتكون من مجموعة من جسيمات صغيرة لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة ولا يمكن تقسيم تلك الجسيمات.
- أطلق ديموقريطوس على هذه الجسيمات اسم الذرة، بالإضافة إلى أن الكون بأكمله يحتوي على عدد كبير من الذرات التي تكون في حالة حركة مستمرة.
- تتفاعل جميع الذرات مع بعضها البعض لتشكيل المادة، ولكنها غير قادرة على الاندماج مع بعضها البعض.
- في ذلك الوقت، قدم العالم ديموقريطوس نظريته للعالم، لكنها تم رفضها، خاصة من قبل الفيلسوف أرسطو الذي كان يعتقد أن كل شيء في هذا الكون يتكون من الماء والهواء والنار.
- في عام ١٨٠٣، قدم الكيميائي البريطاني جون دالتون نظريته الذرية بعد دراسة أفكار ديموقريطوس وصياغة فروضها.
- تشمل النظرية الفيزيائية لدالتون الافتراض بأن جميع ذرات عنصر واحد تكون متطابقة، ومع ذلك، تختلف العناصر الفيزيائية عن بعضها البعض في الوزن والخصائص الفيزيائية، وتتكون المادة من تجمع مجموعة من الذرات التي تترافق مع بعضها البعض.
- في عام ١٨٩٧، أثبت العالم الفيزيائي طومسون، الذي اكتشف الإلكترون، أن الذرة قابلة للتقسيم، وفي نفس العام قدم مثال فطيرة الزبيب.
- هذا النموذج يشير إلى أن الذرة تمثل بشكل كرة تحمل شحنات موجبة، وتحتوي على بعض الشحنات السالبة المتناثرة فيها مثل حبات الزبيب على سطح الفطيرة، ونتيجة لذلك، تصبح الذرة متعادلة من حيث الشحنات.
- في عام ١٩١١، قام العالم رذرفورد بتطوير نظريته الذرية ونشرها. تقترح النظرية أن الذرة تتكون من نواة موجبة الشحنة صغيرة جدا يدور حولها الإلكترونات السالبة في مساحة صغيرة جدا، بينما تكون مساحة الذرة فارغة تماما.
- ثم اكتشف العالم نيلز بور خصائص الإلكترونات، وقدم شرودنغر بعده نموذج الكم للذرة.
- أوضح العالم فيرنر أنه من غير الممكن تحديد سرعة ومكان الإلكترون في نفس الوقت.
حجم الذرة
- تعتبر تحديد حجم ثابت للذرة من الأمور الصعبة التحقيق، لأن المسارات الإلكترونية متحركة وغير ثابتة في مكان محدد، بل تختلف هذه المسارات اعتمادا على عدد الإلكترونات المحيطة بها.
- تم تحويل عدد كبير من الذرات الصغيرة إلى بلورات صلبة صغيرة باستخدام تقنيات معقدة، بهدف التقريب بين نواتين.
- تختلف حجم الذرة بناء على التركيب الكيميائي المختلف الموجود في الجدول الدوري، ويرجع ذلك إلى قوة جاذبية الشحنات الموجبة الموجودة داخل الإلكترونات. وكلما زاد عدد الشحنات الموجبة، زادت قوة الجذب على الإلكترونات.
الخصائص الرئيسية للذرة
تحتوي حبوب الذرة على العديد من الخصائص الرئيسية التي تساهم في تحديد سماتها وسلوكها، وتشمل هذه الخصائص:
1- العدد الذري
- يعتبر العدد الذري أحد أهم الخصائص التي تميز الذرة، وهو عبارة عن عدد الشحنات الكهربائية الموجبة الموجودة في النواة، أي عدد البروتونات.
- بالإضافة إلى ذلك، العدد الذري يمثل عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة الشحنات الكهربائية. على سبيل المثال، الكربون له عدد ذري يساوي ٦، بينما اليورانيوم له عدد ذري يصل إلى ٩٢.
- ترتبط كمية الإلكترونات ارتباطا وثيقا بالتفاعلات الكيميائية، وبالتالي يعتبر العدد الذري للعناصر أمرا مهما جدا في هذه التفاعلات الكيميائية.
2- الكتلة الذرية
- تعتبر مجموعة الشحنات الموجبة، وهي البروتونات وعدد النيوترونات الموجودة في نواة الذرة، وتقاس بوحدة كتلة ذرية وتساوي نصف كتلة ذرة الكربون.
- تعتبر كتلة الذرة أكبر من الكتلة الذرية، حيث تتكون من كتلة النواة وكتلة الإلكترونات، والتي تعتبر قليلة مقارنة بكتلة النيوترونات والبروتونات.
أهم خصائص الذرة
- إحدى خصائص الذرة الأهم هي قدرتها على تحقيق الاستقرار والثبات عند فقدانها أو اكتسابها إلكترونات، وعند مشاركتها هذه الإلكترونات.
- لا تفقد الذرات ولا تكتسب أي إلكترونات أثناء عملية التفاعل، خاصة إذا كانت تحتوي على أربع إلكترونات في القشرة الخارجية.
- عندما يتفاعل الذرات التي تحتوي على إلكترون واحد أو اثنين أو ثلاثة في المدار الأخير مع الذرات التي تحتوي على خمسة إلى سبعة إلكترونات في المدار الأخير، فإن هذه الذرة ستفقد هذه الإلكترونات لإكمال عملية التفاعل.
- عندما تتفاعل الذرات التي يوجد في مدارها الأخير من خمس إلى سبع إلكترونات مع الذرات الأخرى التي يحتوي مدارها على إلكترون أو اثنين أو ثلاثة، تحصل على إلكترونات إضافية.
في نهاية المقال عن تركيب الذرة وتاريخها ونشأتها، قدمنا كافة المعلومات عن الذرة وتركيبها وتاريخ نشأتها، وأهم خصائصها التي تميزها.
