خصائص الذرة و مكوناتها - فديو تفاعلي

تعدُّ الذرة اللبنة الأساسية في الكيمياء، وهي أصغر قطعة من المادة وفيها الخصائص المميزة لأي عنصر كيميائي مثل الهيدروجين والأكسجين والكالسيوم والحديد والذهب والنيون، ويوجد أكثر من 90 نوعًا من الذّرات في الطبيعة، ويشكل كل نوع عنصرًا مختلفًا، ويوجد بعض العناصر التي تحتوي على نوع واحد فقط من الذّرات مثل الذهب الذي يحتوي على ذّرات ذهب فقط، ويحتوي النيون على ذّرات نيون فقط وفي العناصر الأخرى تحتوي على خليط من أنواع مختلفة من الذّرات، وقد تتحد الذّرات كيميائيًا لتشكيل الجزيئات، وتتكون المادة من جزيئات وذّرات وأيونات (ذّرات مشحونة كهربائيًا أو مجموعات من الذّرات)، لذا فإن الذّرات هي المكون الأساسي للمادة، ونظرًا لأن الذّرات والأيونات والجزيئات صغيرة جدًا، فإن كوب من الماء على سبيل المثال يحتوي على كَمَيَّة كبيرة للغاية (حوالي 8 × 1024) من جزيئات الماء، ويتكون كل جزيء ماء بدوره من ذّرتي هيدروجين وذّرة أكسجين واحدة اندمجت مع بعضها كيميائيًا.

يُعدُّ فصل مجموعات كبيرة من الجزيئات أمرًا سهلًا، وذلك يحتاج كَمّيَّة من الطاقة لكسر الروابط الكيميائية التي تربط الذّرات ببعضها البعض في الجزيئات. اعتقد العلماء منذ فترة طويلة أن الذّرات عبارة عن جسيمات أولية ليس لها بنية يمكن تمييزها ولا يمكن تفكيكها، ومنذ نهاية القرن التاسع عشر تم اكتشاف أن الذّرات نفسها تتكون من جسيمات أصغر، ومع ذلك فهي تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة لتفكيك الذّرة إلى مكوناتها، ويتضمن تقسيم لب الذّرة تفاعلات نووية وليس تفاعلات كيميائية عادية، حيث تُطلق التفاعلات النووية كميات هائلة من الطاقة وتستخدم في محطات الطاقة النووية والأسلحة النووية.

جميع الذّرات لها نفس الحجم تقريبًا وهي بالغة الدِقة، فمثلًا تبلغ حوالي 50 مليون ذّرة من المادة الصلبة مصطفّة في صف واحد 1 سم، وبالتالي فإن الذّرات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة أو باستخدام المجاهر العادية، لذلك يستخدم العلماء تقنيات ومجاهر خاصة بما في ذلك مجاهر المسح النفقي للحصول على صور للذّرات، كما أنهم يدرسون الذّرات والأجزاء المكونة لها من خلال مجموعة متنوعة من الوسائل غير المباشرة.

أجزاء الذّرة
تتكون الذّرات من ثلاثة أنواع أساسية من الجسيمات، البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. وتُعرف هذه الجسيمات بالجسيمات دون الذّرية، ويكون اثنان من ثلاثة أنواع من هذه الجسيمات الأساسية في الذّرة مشحون كهربائيًا.

وتتكون معظم الذّرة من مساحة فارغة، تتركز كتلتها في المركز الذي يدعى النواة، وتتكون النواة من البروتونات والنيوترونات. وكما تشير أسماؤها فإن البروتونات لها شحنة كهربائية موجبة، بينما النيوترونات متعادلة كهربائيًا، وبشكل عام فالنواة لها شحنة موجبة، ويمكن أن تحتوي النوى على ما يقرب من 1 إلى 300 بروتون ونيوترون، لذلك تختلف كتلتها.

وتدور حول النواة سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة، والإلكترونات هي أخف الجسيمات المشحونة في الطبيعة أما البروتونات والنيوترونات فهي أكبر بنحو 1836 مرة، وتمثل النواة 99.9٪ من كتلة الذّرة.

إنًّ البروتونات والنيوترونات والإلكترونات هي جسيمات طويلة العمر موجودة في الذّرات العادية التي تتشكل بشكل طبيعي، ويمكن العثور على جسيمات دون ذّرية أخرى بالاشتراك مع هذه الأنواع الثلاثة من الجسيمات، ولا يمكن تشكيلها إلا بإضافة كميات هائلة من الطاقة. وبالإضافة إلى ذلك تتكون البروتونات والنيوترونات نفسها من جسيمات أصغر تُعرف باسم الكواركات. لا يمكن اختزال الإلكترونات والكواركات أو فصلها إلى مكونات أصغر لذا فهي جسيمات أولية.

الخصائص الأساسية للذرّة
العدد الذّري
يحتوي كل عنصر كيميائي على عدد مختلف من البروتونات في ذّراته، فتحتوي ذّرة الهيدروجين مثلًا وهي أبسط ذّرة وأخفها على بروتون واحد، بينما تحتوي ذّرة الهليوم على بروتونين وذّرة الكربون لها ستة وتحتوي ذّرة الفضة على 7، ويحتوي اليورانيوم وهو أثقل عنصر موجود بشكل طبيعي على 92 بروتونًا لكل ذّرة. وقد حدد العلماء لكل عنصر عددًا ذّريًا يساوي عدد البروتونات في نواة الذّرة، فالعدد الذري للهيدروجين هو 1 والهيليوم 2 والكربون 6.

وتحتوي الذّرة العادية على الإلكترونات والتي يكون عددها مساويًا لعدد البروتونات وبالتالي فإن العدد الذّري لعنصر ما يخبر أيضًا عدد الإلكترونات الموجودة في ذّراته. إن عدد الإلكترونات وترتيبها هو الذي يحدد كيفية تفاعل ذّرة ما مع أخرى، ونظرًا لأن العدد الذّري يحدد عدد الإلكترونات في الذّرة فإنه يكشف أيضًا عن السلوك الكيميائي للذّرة. ولهذا السبب فإن العدد الذّري هو أهم سمة من سمات الذّرة، وفي الجدول الدوري يتم ترتيب العناصر حسب أعدادها الذّرية.

الشحن الكهربائي والأيونات
ترتبط أجزاء الذرّة ببعضها البعض عن طريق القوى الكهربائية، ونظرًا لأن الشحنات الكهربائية المعاكسة تجتذب بعضها البعض فهناك قوة جذب بين الإلكترونات سالبة الشحنة والبروتونات موجبة الشحنة، هذه القوة هي التي تحافظ على الإلكترونات في مدار حول النواة، مثل الطريقة التي تبقي بها الجاذبية الأرض في مدار حول الشمس، ولا يمكن للإلكترونات أن تكون على مسافة عشوائية من النواة بل توجد فقط مواقع محددة معينة تسمى المدارات المسموح بها.

وتحتوي الذّرة على نفس عدد الإلكترونات والبروتونات ولكل منهما شحنة كهربائية من نفس الحجم، لذا تلغي الإلكترونات سالبة الشحنة والبروتونات موجبة الشحنة بعضها البعض وبالتالي فإن الذّرة ككل محايدة كهربائيًا، ومع ذلك ففي بعض الأحيان قد تكتسب أو تفقد الذّرة إلكترونات وتصبح ذات شحنة موجبة أو سالبة وتسمى أيون.