هناك عدة مصطلحات مهمة في الكيمياء والتي تختص بموضوع الأعداد الذرية والكتلية، ويجب أن نتطرق إليها قبل البدء، مصطلح الكتلة الذرية (atomic mass): وهو عبارة عن متوسط كتلة الذرة، ويتم ذلك مع مراعاة جميع نظائرها الطبيعية، مصطلح العدد الكتلي (mass number): وهو عبارة عن مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في الذرة، مصطلح العدد الذري (atomic number): وهو عبارة عن عدد البروتونات في الذرة.
النقاط الرئيسية التي يجب معرفتها عن الذرات:
- تحتوي الذرات المتعادلة لكل عنصر على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات.
- حيث يحدد عدد البروتونات العدد الذري للعنصر ويستخدم لتمييز العنصر الكيميائي عن العنصر الآخر.
- عدد النيوترونات هو عبارة عن عدد متغير، مما ينتج عنه نظائر مختلفة، وهي عبارة عن أشكال مختلفة من نفس الذرة، والتي تختلف فقط في عدد النيوترونات التي تمتلكها هذه الذرة.
- يحدد عدد البروتونات وعدد النيوترونات لعنصر معا العدد الكتلي لهذا العنصر.
- نظرًا لأن نظائر عنصر ما تمتلك أعداد كتلية مختلفة قليلا، فإنه يتم حساب الكتلة الذرية وذلك عن طريق الحصول على متوسط أعداد الكتلة لنظائرها.
ما هو العدد الذري؟
تحتوي الذرات المتعادلة أو المحايدة لأي عنصر كيميائي موجود في الجدول الدوري على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات، حيث يقوم عدد البروتونات بتحديد العدد الذري للعنصر الكيميائي، حيث يرمز للعدد الذري بالرمز (Z) وبه يتم تميز العناصر الكيميائية عن بعضها البعض.
على سبيل المثال، فإن العدد الذري (Z) لعنصر الكربون (C) يساوي 6، وذلك لأنه يحتوي على 6 بروتونات، ومن الممكن أن يختلف عدد النيوترونات في الذرة مما يؤدي إلى إنتاج نظائر مختلفة لذلك العنصر، والنظائر هي عبارة عن ذرات من نفس العنصر تمتلك أعداد مختلفة من النيوترونات.
كما وأنه من الممكن أن يختلف عدد الإلكترونات أيضًا في ذرات نفس العنصر، مما ينتج عنه أيونات (أو ما يعرف بالذرات المشحونة)، مثلا، يمكن أن يتواجد الحديد في حالته المتعادلة أو في على شكل أيونات تتضمن الحالتين التاليتين +2 و +3.
ما هو العدد الكتلي؟
- أما بالنسبة لرقم كتلة العنصر أو العدد الكتلي فيرمز له بالرمز (A)، وهو عبارة عن مجموع أعداد كلا من البروتونات والنيوترونات، حيث يتم تجاهل المساهمة الصغيرة القادمة من كتلة الإلكترونات عند حساب العدد الكتلي؛ وذلك لأنها صغيرة جدا نوعا ما.
- كما أنه من الممكن أن يتم استخدام هذا التقريب للكتلة لحساب عدد النيوترونات بسهولة، وذلك يتم عن طريق طرح عدد البروتونات من الرقم الكتلي.
- تزن كلا من البروتونات والنيوترونات حوالي وحدة كتلة ذرية واحدة ويرمز لهذه الوحدة بـ (amu)، كما أنه سيكون لنظائر العنصر الكيميائي نفسه نفس العدد الذري ولكن بأرقام كتلية مختلفة.
مثال حسابي على الكتلة الذرية والكتلية:
يحتوي عنصر الكربون على عدد ذري مقداره ستة، كما وأنه يمتلك نظيران مستقران بأعداد كتلية تساوي اثني عشر وثلاثة عشر، على التوالي. متوسط كتلته الذرية هو 12.11.
يحدد العلماء الكتلة الذرية عن طريق حساب متوسط أعداد الكتلة لنظائرها التي تحدث بشكل طبيعي، حيث أنه غالبًا ما يحتوي الرقم الناتج على رقم عشري، فعلى سبيل المثال، الكتلة الذرية لعنصر الكلور (Cl) هي عبارة عن 35.45 وحدة كتلة ذرية؛ وذلك لأن عنصر الكلور يتكون من عدة نظائر، بعضها أي ما يقارب الغالبية منها كتلته الذرية تساوي 35 وحدة كتلة ذرية، حيث أنها تتكون من 17 بروتونًا و 18 نيوترونًا، والبعض الآخر يمتلك كتلة ذرية مقدارها 37 وحدة كتلة ذرية، حيث أنها تتكون من 17 بروتون و 20 نيوترون.
والآن بالنظر إلى العدد الذري (Z) والعدد الكتلي (A) لجميع العناصر الكيميائية في الجدول الدوري، فإنه يمكننا من خلالهما أن نقوم بإيجاد عدد البروتونات وعدد النيوترونات وعدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة، فعلى سبيل المثال، تحتوي ذرة الليثيوم على عدد ذري مقداره 3، وتحتوي على عدد كتلي مقداره 7 وحدة كتلة ذرية، اذا نستطيع أن نستنتج من خلال ذلك أن عنصر الليثيوم يمتلك ثلاثة بروتونات.
ولقد علمنا ذلك من خلال العدد الذري لعنصر الليثيوم؛ حيث أن العدد الذري للعنصر يساوي عدد البروتونات الموجودة في نواة ذلك العنصر، وأيضا استنتجنا أن عنصر الليثيوم يمتلك ثلاثة إلكترونات، حيث أن عدد البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات في الذرة، كما ويمكننا استنتاج أن عنصر الليثيوم يمتلك أربعة نيوترونات، وذلك لأن عدد النيوترونات يساوي العدد الكتلي مطروحا منه العدد الذري (4 = 3-7). وبنفس الطريقة يمكننا الحساب لجميع بقية عناصر الجدول الدوري.
