كيمياء: العناصر والمركبات ومبنى الذرة
الأفكار المركزية
العالم مبنيّ من موادّ. جزء من الموادّ هي موادّ نقيّة يمكن أن تكون عناصر أو مركَّبات؛ معظم الموادّ ليست نقيّة، وإنّما المخاليط من موادّ نقيّة؛ في حين أنّ المادّة النقيّة هي مادّة واحدة، إلاّ أنّ المركَّب يحوي مادّتين على الأقلّ موجودتين معًا.
1. حجارة بناء جميع الموادّ هي الذرّات؛ هناك عدد نهائي لأنواع الذرّات (أنواع العناصر).
2. نعرف اليوم حوالي 110 أنواع مختلفة من الذرّات؛ ذرّات نفس العنص الكيماوي هي متطابقة.
3. الذرّة مبنية من نواة مركَّبة من بروتونات ونيوترونات، ومن إلكترونات تتحرّك حول النواة. للبروتونات شحنة كهربائية موجبة، والنيوترونات متعادلة من ناحية الشحنة الكهربائية، وللإلكترونات شحنة كهربائية سالبة. في الذرّة المتعادلة عدد الإلكترونات مطابق لعدد البروتونات. الذرّة المشحونة بشحنة كهربائية تسمّة أيون.
4. من المعتاد التعبير عن العناصر الكيميائية في جدول يسمّى “الترتيب الدوري للعناصر”. يتحدّد موقع كلّ عنصر في الترتيب الدوري حسب عدد البروتونات التي في النواة وحسب صفات العنصر.
5. يمكن من عدد قليل نسبيًا من العناصر، إنتاج عدد هائل من إحتمالات التركيبات المختلفة التي تركّب تنوّع الموادّ في عالمنا.
6. لغة الكيمياء هي لغة عالمية مبنيّة من رموز الذرّات المختلفة التي ترد في الترتيب الدوري للعناصر. يمكن بواسطة هذه الرموز التعبير عن تركيبة الموادّ المختلفة بواسطة الصيغ المختلفة وصياغة ووصف التفاعلات الكيميائية.
7. المركَّب مبني من نوعَي ذرات على الأقلّ. توجد لكلّ مركَّب صيغة كيميائية ثابتة تمثّل ذرّات العناصر التي تركّب المركَّب والنسبة العددية بينها.
8. تتحدّد صفات الموادّ بواسطة نوع الجسيمات وتنظيمها في الفراغ وقوى التجاذب التي تعمل بينها.
9. نموذج الذرّة، ككلّ نموذج آخر، هو دينامي، ولذلك يكون ساري المفعول طالما يمكن بواسطته تفسير ظواهر مختلفة في المادّة، على سبيل المثال التوصيل الكهربائي ووجود القوى (التأثيرات المتبادلة في الكهرباء الساكنة- الإلكتروستاتية) بين الذرّات والتفاعلات الكيميائية وغير ذلك.

مقدّمة قصيرة: يمكن أن تكون الموادّ في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية. في كلّ واحدة من حالات المادّة، تكون الجسيمات منتظمة بصورة مغايرة وتتميّز بأنواع مختلفة من الحركة (أشكال الحركة: الاهتزاز والدوران والإزاحة) وبصفات مختلفة.

هل صفات جميع الموادّ الصلبة متشابهة؟
هل صفات جميع السوائل وجميع الغازات متشابهة؟

الموادّ المختلفة الموجودة في نفس الحالة، تتميّز عن بعضها في نوع الجسيمات المبنيّة منها، و/ أو في تنظّم الجسيمات. هذه الجسيمات هي ذرّات أو جزيئات أو أيونات (بحيث تكون حجارة البناء ذرّات دائمًا!) التي تبني الموادّ بتراكيب مختلفة وكثيرة، ومنتظمة في مبانٍ مختلفة- بحيث يتواجد تنوّع هائل من الموادّ في الحالة الصلبة، وتنوّع هائل من الموادّ في الحالة السائلة، وتنوّع هائل من الموادّ في الحالة الغازية (في درجات حرارة وفي ضغوط مختلفة) من ناحية تركيب ومبنى وصفات واستعمالات كلّ مادّة.

جميع الموادّ في العالم مبنيّة من ذرّات أو من جزيئات أو من أيونات (المبنية هي أيضًا من ذرّات).

الذرّة هي جسيم صغير جدًّا، يصل حجمها إلى عشرات وحتّى مئات البيكومتر
(واحد على مليون من واحد على مليون من المتر) التي تشكّل حجر بناء جميع الموادّ؛
نعرف اليوم حوالي 110 أنواع من الذرّات فقط.
الجزيء الوحيد هو عدد محدّد من الذرّات (ذرّتين على الأقلّ) ترتبط فيما بينها برباط كيميائي محدّد.
كلّ جزيء محدّد بواسطة نوع الذرّات المبنيّ منها وعدد الذرّات من كلّ نوع، وبواسطة مبناه الهندسي
(انظروا الرسوم التوضيحية). هناك موادّ مبنية من جزيئات، وهناك موادّ ذات مبانٍ أخرى، كالمباني الضخمة (يرد تفسير مفصّل لاحقًا).

رغم أنّنا نعرف حوالي 110 أنواع ذرّات فقط، إلاّ أنّ الارتباطات المختلفة للذرّات وللمباني المختلفة التي تنتظم الذرّات فيها، تمكّن وجود وإنتاج عدد هائل من الموادّ المختلفة. هذا الموضوع الفرعي يتناول الموادّ النقيّة (العناصر والمركَّبات). سنتناول موضوع المخاليط لاحقًا في هذه الوحدة.

المادّة النقيّة يمكن أن تكون عنصرًا، أي مادّة مبنيّة من ذرّات من نوع واحد، أو مركَّبًا مبنيًّا من نوعَي ذرّات على الأقلّ (كما هو معروض في خارطة المصطلحات الجزئية).

المادّة النقيّة (العنصر أو المركَّب) هي مادّة تركيبها ثابت وصفاتها ثابتة.
وبشكل خاص اكثر:
• للمادّة النقيّة تركيب ثابت ينعكس في صيغة كيميائية محدّدة واحدة ووحيدة.
• تظهر في الصيغة الكيميائية للمادّة النقيّة رموز العناصر التي تركّب المادّة والنسب العددية بينها.
• للمادّة النقيّة صفات ثابتة تميّزها هي فقط. على سبيل المثال، درجة حرارة الانصهار والغليان هما صفتان خاصّتان وتميّزان مادّة نقيّة معيّنة بحيث يمكن تشخيصها، من ضمن مميّزات أخرى، حسب قيمتَي هاتين الصفتين.

ملاحظة: في حين أنّه يمكن تفكيك المركَّب إلى العناصر التي تركّبه، لا يمكن تفكيك العنصر بواسطة تفاعل كيميائي إلى “موادّ” أخرى. أثناء التفاعلات الكيميائية لا يطرأ تغيّر على تركيب النواة الذي يحدّد هوية العنصر. يمكن أن يتحوّل العنصر إلى عنصر آخر فقط في أعقاب تفاعل نووي (انشطار نووي أو مزج نووي). يرافق التفاعلات النووية انطلاق طاقة هائلة تفوق الطاقة التي تنطلق في التفاعلات الكيميائية بكمّية هائلة.

العناصر الكيميائية والترتيب الدوري
العنصر هو مادّة نقيّة مبنيّة من ذرّات من نوع واحد. الكلور والحديد والبروم هي أمثلة لعناصر مختلفة. نعرف اليوم أكثر من 110 عناصر كيميائية مرتَّبة في الترتيب الدوري للعناصر الكيميائية (انظروا الرسم التوضيحي التخطيطي للترتيب الدوري). لكلّ عنصر كيميائي رمز يمثّله، بحيث يعرض الترتيب الدوري جميع رموز العناصر. الرمز هو الحرف الأوّل أو الحرفان الأوّلان أو الأحرف الثلاثة الأولى من الاسم الأجنبي للعنصر. على سبيل المثال: عنصر الهيدروجين ممثَّل بواسطة الحرف- H، والفضّة ممثَّل بواسطة الحرفين- Ag، والصوديوم-Na ، والبروم- Br. يشكّل الترتيب الدوري “أداة عمل” في أيدي علماء الكيمياء خاصّةً وفي أيدي العلماء عامّةً (الموضوع الفرعي التالي يتناول الترتيب الدوري في مستوى الذرّات. العناصر مرتَّبة في أسطر (دورات) وفي أعمدة (مجموعات). عالِم الكيمياء الروسي، ديمتري مندليڤ هو أوّل مَن رتّب العناصر حسب صفاتها في جدول، وأسماه “الترتيب الدوري للعناصر”. نُشرت الصيغة الأولى للترتيب الدوري سنة 1869، ومنذ ذلك الحين مرّ بتغيّرات وتوسيعات ويستعمله العلماء والعاملون في التدريس في جميع أنحاء العالم.

مبنى الترتيب الدوري

يمكن بصورة غير دقيقة تقسيم العناصر المختلفة إلى فلزّات ولافلزّات (باستثناء بعض العناصر التي هي شبه فلزّية كالسيليكون). تتميّز العناصر الفلزّية بالقدرة على توصيل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة، في حين أنّ معظم العناصر اللافلزّية لا توصل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة. كذلك, تمتاز العناصر بانها قابلة للتطريق وباللمعان.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن التطرّق في الترتيب الدوري إلى “عائلات” الموادّ، أي إلى مجموعة عناصر موجودة في أعمدة في الترتيب الدوري، وتتشابه في عدد من المميّزات. فيما يلي ثلاث “عائلات” نركّز عليها في إطار هذه الوحدةسيتعلم الطالب وحدة الجدول الدوري بتوسع لاحقا.

توجد للعناصر المختلفة صفات مختلفة تتعلّق بنوع الذرّات وبتنظّمها وبالقوى التي تعمل بينها.

هناك حالات يكون فيها نوع الذرّات مختلفًا لكنّ تنظّمها متشابه. على سبيل المثال، لعنصر السيليكون في الحالة الصلبة (Si(s) سيليكون بلّوري) ولعنصر الكربون في الحالة الصلبة (C(s) في حالة الماس) تنظّم متشابه، في مبنى “ضخم” (مبنى ليس جزيئيًا)، الذي كلّ ذرّة فيه ترتبط بأربع ذرّات في مبنى رباعي السطوح (كما هو موصوف في الرسمين التوضيحيين)، لكنّ نوع الذرّات والقوى التي بينها مختلف، ولذلك صفاتهما أيضًا مختلفة. الماس عازل للكهرباء في درجة حرارة الغرفة، بينما السيليكون شبه موصل للكهرباء يُستعمل قاعدة لرقائق الحاسوب، الماس عديم اللون وشفّاف وبرّاق، بينما السيليكون لونه رماديّ لامع بشكل خاصّ، ولكلّ واحدة من المادّتين درجة حرارة انصهار ودرجة حرارة غليان مختلفتان. يمكن بنفس الطريقة المقارنة بين غاز الأوكسجين (O2(g)) وغاز الهيدروجين (H2(g))، لكليهما مبنى جزيئات ثنائية الذرّات، لكنّ نوع الذرّات مختلف وكذلك القوى التي تعمل بين الذرّات وبين الجزيئات، ولذلك صفاتهما مختلفة تمامًا.

هناك حالات يكون فيها نوع الذرّات متشابهًا لكنّ تنظّمها مختلف. تتواجد بعض العناصر في الطبيعة كموادّ
ذات مبنى مختلف (أشكال تآصلية مختلفة)؛ رغم أنّها مبنية من نفس النوع من الذرّات، إلاّ أنّ تنظّمها في الفراغ
مختلف. على سبيل المثال، عنصر الأوكسجين يظهر في الطبيعة بشكلين: الأوّل، الأوكسجين المبنيّ من جزيئات ثنائية
الذرّات، O2 (ذرّتا أوكسجين في الجزيء)، والثاني، الأوزون المبنيّ من جزيئات ثلاثية الذرّات، O3 (ثلاث ذرّات
أوكسجين في الجزيء). في هذه الحالة، نوع الذرّات المبنيّ منه الجزي متشابه، كلاهما مبنيان من ذرّات أوكسجين،
لكنّ التنظّم المختلف للذرّات في الجزيء (الذي ينعكس في عدد الذرّات المختلف في كلّ جزيء وفي مبناه) والقوى
المختلفة التي تعمل بين الجزيئات تؤثّر على صفات كلّ واحدة من المادّتين؛ ووفقًا لذلك، الأوكسجين هو غاز عديم اللون ضروري لوجود الحياة، بينما الأوزون هو غاز رائحته شديدة وبكمّيات كبيرة يكون سامًّا. لعنصرَي الكربون والفوسفور أيضًا عدّة أشكال تآصلية. في هذه المرحلة من التعلّم، لا يمكننا التطرّق إلى الاختلاف في القوى التي بين الجسيمات (القوى هي عمليًا الأربطة الكيميائية.

المركَّبات

المركَّب هو مادّة نقيّة تتركّب من عنصرين على الأقلّ. تلائم كلّ مركَّب صيغة كيميائية ثابتة تمثّل نوع الذرّات التي يتركّب منها المركَّب والنسبة العددية بين هذه الذرّات. الماء  (H2O)، الجلوكوز (C6H12O6)، أكسيد السيليكون (SiO2)، ملح الطعام (NaCl) هي أمثلة لمركَّبات مختلفة. الماء مبنيّ من جزيئات كلّ واحد منها مركَّب من ذرّة من عنصر الأوكسجين التي ترتبط برباط كيميائي مع ذرّتين من عنصر الهيدروجين. الجلوكوز مبنيّ من جزيئات كلّ واحد منها مركَّب من ذرّات من عناصر الكربون والهيدروجين والأوكسجين التي ترتبط فيما بينها. أكسيد السيليكون مبنيّ من ذرّات سيليكون كلّ واحدة منها ترتبط بأربع ذرّات أوكسجين، وكلّ ذرّة أوكسجين ترتبط بذرّتين من السيليكون- في مبنى ليس جزيئيًا النسبة فيه بين ذرّات السيليكون والأوكسجين هي 1:2 بالتلاؤم، أي توجد على كلّ ذرّة سيليكون ذرّتان من الأوكسجين. ملح الطعام مركَّب من "ذرّات" كلور ومن "ذرّات" صوديوم ترتبط فيما بينها في مبنى ليس جزيئيًا النسبة فيه بين ذرّات الصوديوم والكلور هي 1:1، أي توجد على كلّ ذرّة صوديوم ذرّة واحدة من الكلور. (عمليًا، نتحدّث هنا عن ذرّات مشحونة [أيونات]، التي سنتناولها لاحقًا). صفات المركَّبات المختلفة تختلف تمامًا عن صفات العناصر التي تركّبها. صحيح أنّ هناك حوالي 110 عناصر، لكنّ تركيباتها المختلفة تُنتِج تنوّعًا هائلاً من المركَّبات. يمكن إنتاج مركَّب مباشرةً من العناصر التي تركِّبه أو بواسطة تفاعلات أخرى (على سبيل المثال، في التفاعل بين مركَّبين مختلفين). يمكن تفكيك مركَّب إلى مركَّبات أبسط وحتّى إلى العناصر التي يتركّب منها.   
كيف يمكن معرفة أنّ مادّة معيّنة هي عنصر أم مركَّب؟

الإجابة عن هذا السؤال هي في مستويين:
1. فحص تجريبي- هل يمكن تفكيك المادّة؟ العناصر مبنيّة من نوع واحد من الذرّات، بينما المركَّب
مبنيّ من نوعين من الذرّات على الأقلّ، لذلك يمكن تفكيكه والحصول من التفكيك على العناصر
التي تركّبه. مقابل ذلك، لا يمكن بواسطة تفاعل كيميائي، تفكيك العنصر إلى عناصر أخرى.
2. فحص نظري- التطرّق إلى الصيغة الكيميائية للمادّة. المادّة التي يُمثَّل في صيغتها عنصران على الأقلّ
ليست عنصرًا، وإنّما مادّة يمكن تفكيكها إلى موادّ أبسط.

المبنى الميكروسكوبي للعناصر والمركَّبات- تنظّم الجسيمات
كما أسلفنا، يمكن أن تكون الموادّ في حالة صلبة أو سائلة أو غازية. في كلّ واحدة من حالات المادّة، تنتظم
الجسيمات بصورة مغايرة، وتتميّز بأنواع حركة مختلفة (اهتزاز ودوران وإزاحة)، لذلك تتميّز بسلوك مختلف.
هل تنتظم الجسيمات في جميع الموادّ الصلبة بصورة متشابهة؟ هل تنتظم الجسيمات في جميع السوائل بصورة متشابهة؟
الموادّ المختلفة الموجودة في نفس حالة المادّة مبنيّة من جسيمات مختلفة ووفقًا لذلك يمكن أن تكون ذات مبانٍ مختلفة تمامًا- أي، يمكن أن تكون الجسيمات في المادّة الصلبة منتظمة بأشكال مختلفة.
بصورة غير دقيقة، يمكن أن تكون المادّة النقيّة (العنصر أو المركَّب):
• ذات مبنى جزيئي، أي مبنيّة من جزيئات (كالماء؛ انظروا الرسم التوضيحي) أو
• ذات مبنى ليس جزيئيًا، أي ليست مبنيّة من جزيئات (كملح الطعام؛ انظروا الرسم التوضيحي).

الموادّ المبنيّة من جزيئات

الموادّ الجزيئية هي موادّ مبنيّة من مجموعة عدد هائل من الجزيئات. القوى التي بين الذرّات داخل الجزيئات أقوى من القوى التي بين الجزيئات.

ما هي الجزيئات؟
كما أسلفنا، الجزيء الوحيد هو عدد محدّد من الذرّات (ذرّتين على الأقلّ) ترتبط فيما بينها برباط كيميائي. يُحدَّد كلّ جزيء بواسطة نوع الذرّات التي يُبنى منها وعدد الذرّات من كلّ نوع ومبناه الهندسي، التي يمكن التعبير عنها بواسطة صيغة كيميائية ثابتة. الجزيء المبنيّ من نوع واحد من الذرّات هو جزيء لعنصر (مثلاً، جزيء الكلور Cl2، أو جزيء الكبريت S8، أو جزيء الفولران C60) بينما الجزيء المبنيّ من ذرّات من أنواع مختلفة هو جزيء لمركَّب (مثلاً، جزيء الماء أو جزيء ثاني أكسيد الكربون أو جزيء الأسبرين).
الجزيء المبنيّ من ذرّتين يسمّى جزيئًا ثنائي الذرّات (انظروا نموذج جزيء الكلور). يمكن أن يكون الجزيء أيضًا مبنيًا من عشرات وحتّى مئات وآلاف الذرّات. هناك ملايين التراكيب والمباني للجزيئات في عالمنا، والتي تحوي جزيئات صغيرة وثنائية الذرّات، كجزيئات الهيدروجين (H2) واليود (I2) وكلوريد الهيدروجين (HCl)؛ وجزيئات مبنيّة من عدد أكبر من الذرّات، كالإيثانول (كحول؛ C2H5OH) والجلوكوز (C6H12O6) والأسبرين؛ وجزيئات مبنيّة من عشرات وحتّى مئات الذرّات، كالفولران (C60) والزيوت والأحماض الدهنية؛ وهناك أيضًا جزيئات كبيرة جدًّا مبنيّة من آلاف الذرّات، كالزلاليات والـDNA. أحجام الجزيئات، بما فيها الجزيئات الكبيرة جدًّا، يصعب إدراكها. على سبيل المثال، جزيء الزلال، الذي يعتبر كبيرًا جدًّا نسبيًا، هو دائمًا أصغر بعدّة أضعاف من أيّة بكتيريا.
هناك الكثير من الموادّ المبنيّة من جزيئات: اليود (s) I2 والسكّر الذي نأكله C12O22H11 والشمعة والكثير من المنتجات البلاستيكية هي موادّ صلبة (في درجة حرارة الغرفة) مبنيّة من جزيئات. الماء H2O والإيثانول C2H5OH والزيت هي أمثلة لموادّ سائلة (في درجة حرارة الغرفة) مبنيّة من جزيئات هي أيضًا؛ الأوكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون هي غازات (في درجة حرارة الغرفة) مبنيّة من جزيئات.
كما تعلّمنا في الصفّ السابع، البلّورة (Crystal) هي مادّة صلبة ذات مبنى دون ميكروسكوبي منظّم ومتماثل. النموذج الذي يصف مبنى البلّورة بواسطة نقاط في الفراغ يسمّى مشبّكًا).

المشبّك الجزيئي (Molecular Lattice) هو الوصف الدون ميكروسكوبي للبلّورة الجزيئية (كاليود والجليد والجليد الجافّ)، أي طريقة تنظّم الجزيئات في البلّورة (انظروا الرسوم التوضيحية).

كما أسلفنا، القوى التي بين الذرّات في الجزيئات أقوى من القوى التي بين الجزيئات.
الموادّ التي ليست مبنيّة من جزيئات
هناك الكثير من الموادّ التي ليست مبنيّة من جزيئات، مثل: جميع العناصر الفلزّية (على سبيل المثال، الحديد والصوديوم والزئبق)، والمركَّبات الأيونية (على سبيل المثال، ملح الطعام والجير وكلوريد النحاس)، والموادّ الذرّية (على سبيل المثال، الماس والجرافيت وأكسيد السيليكون). في أغلب الحالات تكون الموادّ التي ليست مبنيّة من جزيئات صلبة في درجة حرارة الغرفة. في هذه الموادّ الصلبة، لا يمكن التطرّق إلى وحدات حقيقية محدّدة موجودة فيها؛ على سبيل المثال، لا توجد جزيئاتNaCl في بلّورة ملح الطعام ولا توجد جزيئات SiO2 في بلّورة أكسيد السيليكون. المبنى دون الميكروسكوبي للموادّ الصلبة التي ليست مبنيّة من جزيئات يسمّى المبنى الضخم. في المادّة ذات المبنى الضخم لا توجد وحدات نهائية (جزيئات)، وإنّما مبنى “لانهائي” من عدد هائل من الذرّات أو الأيونات المرتبطة فيما بينها في كلّ قطعة من المادّة الصلبة.
الرسوم التوضيحية التي تظهر في جانب الصفحة تجسّد ذلك. المشبّك الضخم (Giant Lattice) هو الوصف دون الميكروسكوبي لبلّورة أيونية (كملح الطعام) أو لبلّورة فلزّية (كالحديد) أو لبلّورة ذرّية (كالماس)؛ انظروا الرسوم التوضيحية.
للإجمال: يمكن وصف بلّورات من أنواع مختلفة بواسطة نموذج ملائم-
• المشبّك الجزيئي يصف اليود أو الجليد أو ثاني أكسيد الكربون الذي يسمّى الجليد الجافّ.
• المشبّك الأيوني يصف مركَّبات أيونية ككلوريد الصوديوم أو أكسيد الحديد.
• المشبّك الفلزّي يصف عناصر فلزّية كالحديد أو الصوديوم.
• المشبّك الذرّي يصف موادّ صلبة ذرّية كالماس أو الكوارتز.

خارطة مصطلحات إجمالية للموضوع الفرعي : العناصر والمركبات

2. نموذج الذرّة
جميع الموادّ مبنيّة من ذرّات. كلّ ذرّة مبنيّة من نواة شحنتها الكهربائية موجبة (+) ومن إلكترون واحد على الأقلّ، شحنته الكهربائية سالبة (-) موجودة بالقرب منه. النواة مبنيّة من بروتونات ونيوترونات (باستثناء نظير الهيدروجين الشائع الذي نواته هي عمليًا عبارة عن بروتون واحد). البروتون هو جسيم مشحون بشحنة كهربائية موجبة، بينما النيوترون متعادل من الناحية الكهربائية، لذلك نواة الذرّة مشحونة بشحنة موجبة. عدد الإلكترونات في الذرّة المتعادلة مساوٍ لعدد البروتونات.

أحجام الذرّات والجسيمات دون الذرّية
تُقاس الذرّات والجزيئات بأحجام نانو- سكوبية (النانو= 10-9 والقصد هو نانومتر، أي واحد على مليار من المتر). معظم الذرّة فارغ. في حين أنّ حجم نصف قطر الذرّة إنجسترم، أي 10-10 من المتر، حجم نصف قطر النواة هو 10-15 من المتر، وفي الحجم المتبقّي من الذرّة تتحرّك الإلكترونات التي حجمها قابل للإهمال بالنسبة للنواة. رغم أنّ الشحنة الكهربائية للإلكترون مساوية (وبالطبع مخالفة في الإشارة) لشحنة البروتون، إلاّ أنّ كتلة الإلكترون أصغر بحوالي 2000 ضعف من كتلة البروتون (كتلة البروتون وكتلة النيوترون متشابهتان جدًّا).

الإلكترونات في الذرّة
حسب النظرية الكمّية، يمكن وصف مكان الإلكترون في الذرّة بصورة احتمالية فقط. أي يمكن التطرّق إلى احتمال إيجاد الإلكترون في نقطة معيّنة في حيّز الذرّة. لذلك حسب الوصف الكمّي سيكون من الخطأ مواصلة عرض الإلكترون كجسيم يتحرّك في مسار محدّد (انظروا الرسم التوضيحي لنموذج المسارات).
توجد للإلكترونات في الذرّة كمّية طاقة. مستوى طاقة الإلكترون هو كمّية الطاقة المحدّدة التي توجد للإلكترون في الذرّة. كلّما كانت طاقة الإلكترون أعلى، كان احتمال إيجاده قريبًا من النواة أقلّ. التعبير “موجود في مستوى طاقة” يؤدّي إلى التفكير في موقع الإلكترون وإلى إدراك المسارات المحدّدة التي يتحرّك فيها الإلكترون في الذرّة. النموذج المقبول في أيّامنا لوصف الإلكترون هو “السحابة الإلكترونية”، التي تصف الأماكن في حيّز الذرّة التي هناك احتمال (ليس صفرًا) لإيجاد إلكترون ذي طاقة معيّنة فيها. لهذه السحب أشكال فراغية محدّدة تسمّى مدارات* (أوربيتالات) .

يمكن أن تشمل “السحابة الإلكترونية” أكثر من مسار واحد. تنتظم الإلكترونات في الذرّة حسب مستويات الطاقة. الإلكترونات التي طاقتها هي الأقلّ، تكون بالمعدّل أقرب من نواة الذرّة، والإلكترونات التي طاقتها هي الأعلى تكون بالمعدّل بعيدة عن النواة. هذه الإلكترونات، التي طاقتها هي الأعلى تسمّى: الإلكترونات التكافئية أو إلكترونات التكافؤ. من المعتاد تسميتها أيضًا الإلكترونات الخارجية أو الإلكترونات التي في المستوى الخارجي، لأنّها تتواجد بالمعدّل في أبعد مكان عن النواة بالنسبة للإلكترونات الأخرى في الذرّة.
في هذا السياق، العناصر الفلزّية موصلة للكهرباء في أعقاب وجود شحنات كهربائية متحرّكة- إلكترونات “حرّة” (التي تسمّى أيضًا “بحر الإلكترونات”) الموجودة في قطعة الفلزّ. هذه هي الإلكترونات التكافئية لذرّات العنصر الفلزّي الذي في أعقاب الجذب الضعيف نسبيًا لنوى الذرّة، تكون في الواقع مشتركة لجميع الذرّات في المادّة الفلزّية، أي تتحرّك بين الذرات، ولذلك لا “تتبع” لذرّة عينية في كتلة الفلزّ.

العدد الذرّي
عدد البروتونات في نواة الذرّة هو الذي يحدّد نوع الذرّة (العنصر). يسمّى هذا العدد: العدد الذرّي. على سبيل المثال: العدد الذرّي لعنصر الهيدروجين (H) هو 1، لأنّ نواة ذرّة الهيدروجين مبنيّة من بروتون واحد فقط؛ والعدد الذرّي لعنصر الحديد (Fe) هو 26، لأنّ نواة ذرّة الحديد مبنيّة من 26 بروتونًا؛ والعدد الذرّي لعنصر الأورانيوم (U) هو 92.

عدد الكتلة
عدد البروتونات والنيوترونات التي في نواة الذرّة يسمّى “عدد الكتلة”. في الجدول الدوري, يثعرض العدد الذري وليس اعدد الكتلة. من المعتاد, عندما يتم البحث في نظائر العناصر المختلفة, تعرض المعلومات التي تتعلّق بالعدد الذرّي وبعدد الكتلة لعنصر معيّن (X) على النحو التالي:

نواة الذرّة
كما أسلفنا، نواة الذرّة مبنيّة من بروتونات مشحونة بشحنة كهربائية موجبة ونيوترونات عديمة الشحنة الكهربائية (متعادلة من الناحية الكهربائية). توجد بين البروتونات قوى تنافر كهربائية.
يُطرح السؤال: كيف يمكن أن تتواجد البروتونات قريبة من بعضها رغم قوى التنافر الكهربائية؟
طابع القوى الكهربائية لا يمكّن تفسير لماذا نوى الذرّات يمكنها التواجد بهذه الطريقة. فالبروتونات جميعها مشحونة بشحنة كهربائية موجبة، بحيث تعمل بينها قوى تنافر كهربائية. من الواضح أنّ البروتونات الموجودة في نفس النواة قريبة جدًّا من بعضها البعض (لأنّ أبعاد النواة صغيرة جدًّا)، بحيث تكون قوى التنافر الكهربائية بينها كبيرة جدًّا. بغياب قوّة أخرى تستطيع التغلّب على قوى التنافر هذه، ستتفكّك النواة، وجسيماتها المتنافرة كانت ستتطاير بكلّ الاتّجاهات. بما أنّ هذا الأمر لا يحدث، يتوجّب علينا أن نفترض أنّ هناك قوى إضافية من نوع آخر تعمل بين مكوّنات النواة، وهذه القوى تجذب هذه المكوّنات إلى بعضها البعض وتتيح وجود النواة. تسمّى هذه القوى “قوى نووية”. يصفون في الفيزياء أربع قوى أساسية، حسب تسلسل شدّتها: قوّة نووية شديدة، قوّة كهربائية، قوّة نووية ضعيفة، قوّة الجاذبية. القوّة التي بين البروتونات في نواة الذرّة هي القوّة النووية الشديدة، التي شدّتها 100 ضعف القوّة الكهربائية، وهي تعمل في مجالات قصيرة جدًّا (في أحجام 10-15 متر).

أجرى الفيزيائيون تجارب كثيرة لبحث القوى النووية. نورد فيما يلي بعضًا من صفاتها الهامّة:
‌أ. تعمل القوى النووية بشدّة متساوية بين كلّ جسيمين نوويين (بين بروتون وآخر، وبين نيوترون وآخر، وبين نيوترون وبروتون).
‌ب. القوى النووية أشدّ من القوى الكهربائية، فبخلاف ذلك لن تستطيع التغلّب على التنافر الكهربائي وأن تؤدّي إلى استقرار النواة.
‌ج. القوى النووية هي قوى “قصيرة المدى”. أي أنّها تعمل فقط عندما يكون جسيمان نوويان قريبين جدًّا من بعضهما البعض. في بُعد أكبر من 10-12 سم بالتقريب، لا تعمل القوى النووية بينهما.

ملاحظة هامّة: لا يمكن تفكيك عنصر بواسطة تفاعل كيميائي إلى “موادّ” أخرى. أثناء التفاعلات الكيميائية تطرأ تغيّرات على الأربطة التي بين الذرّات (تغيّرات في القوى الكهربائية- الإلكتروستاتية) لكن لا يطرأ تغيّر على تركيبة النواة التي تحدّد هوية العنصر (المنوطة بتغيّرات في القوى النووية). يمكن أن يتحوّل العنصر إلى عنصر آخر فقط في أعقاب تفاعل نووي (انحلال إشعاعي- (انشطار نووي) أو صهر (مزج) نووي)، العملية التي تمرّ فيها نواة الذرّة بتغيّر. بما أنّنا نتحدّث عن قوى نووية شديدة، فإنّ التفاعلات النووية يرافقها انطلاق كمّية هائلة من الطاقة (كالمزج النووي الذي يحدث في الشمس وفي تفعيل قنبلة هيدروجينية والانشطار النووي الذي يحدث في تفعيل القنبلة الذرّية وفي المفاعلات النووية)، التي تُقدَّر بمقادير تختلف تمامًا عن الطاقة التي ترافق التفاعلات الكيميائية (كتفاعل الاحتراق).

جسيمات دون ذرّية أخرى(اثراء)
الجسيم دون الذرّي، في الفيزياء، هو جسيم حجمه أصغر من حجم الذرّة. هذه الجسيمات هي التي تركّب الذرّة: الإلكترون والبروتون والنيوترون، وتوجد بالإضافة إليها عشرات جسيمات دون ذرّية (التي تسمّى جسيمات أساسية) التي تنتج في عمليات تسليط الأشعّة وفي منشطّات الجسيمات (مثل الفوتون والنيوترينو والميوئون والكواركيم والباريونيم والمزونيم). بحث الجسيمات دون الذرّية هو مجال البحث الأكثر فاعلية في فيزياء الجسيمات. لن نتطرّق إلى هذه الجسيمات في إطار هذه الوحدة.

الذرّات المشحونة- الأيونات
في الذرّة المتعادلة عدد الإلكترونات مساوٍ لعدد البروتونات. الذرّة التي يُضاف إليها إلكترون (أو إلكترونات) في أعقاب تفاعل كيميائي، تكون مشحونة بشحنة كهربائية سالبة (عدد الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات)، وتسمّى أيونًا سالبًا (أنيون). عندما تفقد الذرّة إلكترونًا أو إلكترونات، تكون مشحونة بشحنة كهربائية موجبة (عدد الإلكترونات أقلّ من عدد البروتونات)، وتسمّى أيونًا موجبًا (كاتيون).
عادةً أثناء التفاعلات الكيميائية (التي سنتحدّث عنها في الموضوع الثالث)، التي ينتج فيها مركَّب أيوني (كملح الطعام وكلوريد الصوديوم)، تميل ذرّات العناصر اللافلزّية إلى جذب إلكترونات والتحوّل إلى أيونات سالبة، في حين تميل ذرّات العناصر الفلزّية إلى فقد إلكترونات والتحوّل إلى أيونات موجبة.

هل يمكن رؤية الذرّات؟

حتّى النصف الثاني من القرن الماضي، لم تكن “رؤية” الذرّة الوحيدة ممكنة، ووجود الذرّات كان بمثابة نظرية علمية. التطوّرات التكنولوجية الحديثة في العلوم، كالمجهر النفقي الماسح (STM; Scanning Tunneling Microscope) تمكّن “رؤية” الذرّات. تمّ تطوير مجهر الـ STM لأوّل مرّة سنة 1981 في مختبرات يبام في زيوريخ، على يد الفيزيائيين بينيغ ورورر اللذين حازا على اختراعهما على جائزة نوبل للفيزياء سنة 1986.
مجهر الـSTM يمسح مساحة المادّة الصلبة المفحوصة ويكوّن صورة- imaging (وليس simulation) للذرّات الموجودة في السطح. التمثيل المحوسب- الذي نراه على شاشة الحاسوب- يعرض الذرّات ككرات كثيفة و”صلبة”. الصورة هي عمليًا “ترجمة” تخطيطية للجهد الكهربائي للطبقة الخارجية للمدارات الإلكترونية. هكذا رغم أنّ هذه المدارات هي فراغ في معظمها، إلاّ أنّ المخطّط المحوسب يعرض تلالاً وأغوارًا في مقاطع مختلفة. من المهمّ ذكره أنّ الكثير من هذه المخطّطات التي تمّ نشرها وطباعتها، تشكّل أحيانًا مصدرًا لتوجّهات خاطئة لدى الطلاّب، الذين يحصلون على تأكيد لفكرة أنّ الذرّات هي كرات صلبة.

مجلوبة من «https://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=مستخدم:Khalid_naghmouche&oldid=31736499»