الدرس الثالث: بنية الذرة ومستويات الطاقة السبعة والعدد الذري والكتلي وقاعدة 2ن²
الذرة هي أصغر وحدة بنائية للمادة تشترك في التفاعلات الكيميائية دون أن تنقسم، ورغم ضآلة حجمها الذي يقدر بجزء من المليون من المليمتر، فإن بنيتها الداخلية تمثل تناسقاً فيزيائياً بديعاً. تتركز كتلة الذرة بأكملها تقريباً في نواتها المركزية موجبة الشحنة الكهربية، لاحتوائها على نوعين من الجسيمات دون الذرية: بروتونات ذات شحنة كهربية موجبة، ونيوترونات متعادلة الشحنة كهربياً. بينما تدور حول النواة بسرعة فائقة سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة ذات الكتلة الضئيلة المهملة، مما يفسر التعادل الكهربي للذرة في حالتها المستقرة العادية لتساوي عدد البروتونات الموجبة داخل النواة مع عدد الإلكترونات السالبة خارجها. ويحدد العدد الذري هوية العنصر وعدد بروتوناته، والعدد الكتلي مجموع كتل البروتونات والنيوترونات. وتتوزع الإلكترونات عبر سبعة مستويات طاقة رئيسية K و L و M و N و O و P و Q تخضع لقاعدة اثنين ن تربيع للمستويات الأربعة الأولى وقاعدة تشبع الغلاف الخارجي بثمانية إلكترونات كحد أقصى وفق معايير التقييم الوطنية.
1. مكونات النواة وتفسير خصائص الذرة
تتكون الذرة من نواة مركزية وإلكترونات مدارية:
- تركز الكتلة في النواة: لأن كتلة الإلكترونات ضئيلة جداً إذا ما قورنت بكتلة كل من البروتونات أو النيوترونات داخل النواة.
- شحنة النواة موجبة: لاحتوائها على بروتونات موجبة (+) ونيوترونات متعادلة (±).
- الذرة متعادلة كهربياً في حالتها العادية: لتساوي عدد البروتونات الموجبة داخل النواة مع عدد الإلكترونات السالبة التي تدور حولها.
2. العدد الذري والعدد الكتلي والرموز
المصطلحات الرياضية والنووية المميزة للعنصر:
| المصطلح | الرمز | التعريف العلمي | موقع الكتابة على الرمز |
|---|---|---|---|
| العدد الذري | Z | عدد البروتونات الموجبة داخل النواة (= عدد الإلكترونات) | أسفل يسار الرمز (₁₁Na) |
| العدد الكتلي | A | مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات داخل النواة | أعلى يسار الرمز (²³Na) |
| عدد النيوترونات | N | العدد الكتلي - العدد الذري (A - Z) | 23 - 11 = 12 نيوترون |
العدد الكتلي دائماً أكبر من أو يساوي العدد الذري (يتساويان فقط في ذرة الهيدروجين العادي لعدم احتوائها على نيوترونات).
3. مستويات الطاقة وقاعدة 2ن²
تدور الإلكترونات في مدارات وهمية تسمى مستويات الطاقة الرئيسية وعددها 7 مستويات في أثقل الذرات المعروفة:
| المستوى | رقم المستوى (ن) | قاعدة 2ن² | أقصى سعة تشبع |
|---|---|---|---|
| K | 1 | 2 × (1)² | 2 إلكترون |
| L | 2 | 2 × (2)² | 8 إلكترونات |
| M | 3 | 2 × (3)² | 18 إلكتروناً |
| N | 4 | 2 × (4)² | 32 إلكتروناً |
علل: لا تنطبق قاعدة 2ن² بعد المستوى الرابع N: لأن الذرة تصبح غير مستقرة إذا زاد عدد الإلكترونات في أي مستوى عن 32 إلكتروناً.
4. الكوانتم والذرة المثارة واستقرار الغلاف الخارجي
مفاهيم الطاقة والإثارة الذرية:
- الكوانتم (الكم): مقدار الطاقة التي يكتسبها أو يفقدها الإلكترون لكي ينتقل من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة آخر.
- الذرة المثارة: الذرة التي اكتسبت كماً من الطاقة (كوانتم) فانتقل إلكترون من مستواه الأصلي إلى مستوى أعلى.
- العودة للاستقرار: عندما يفقد الإلكترون طاقة الإثارة، يعود لمستواه الأصلي ويطلق طاقة في صورة إشعاع ضوئي (طيف).
- قاعدة الغلاف الخارجي: لا يتحمل مستوى الطاقة الخارجي لأي ذرة أكثر من 8 إلكترونات مهما كان رقم المستوى (باستثناء المستوى K الذي يتشبع بـ 2).
تمرين 1: التوزيع الإلكتروني لذرة الصوديوم (₁₁Na²³)
المسألة: حدد عدد البروتونات، النيوترونات، الإلكترونات، واكتب التوزيع الإلكتروني للصوديوم.
• عدد البروتونات = العدد الذري = 11، وعدد الإلكترونات = 11.
• عدد النيوترونات = 23 - 11 = 12 نيوتروناً.
• التوزيع الإلكتروني: K = 2 ، L = 8 ، M = 1.
• يحتوي المستوى الخارجي على إلكترون واحد (عنصر فلزي نشط كيميائياً).
تمرين 2: التوزيع الإلكتروني لذرة الكلور (₁₇Cl³⁵)
المسألة: وزع إلكترونات ذرة الكلور واذكر نشاطها الكيميائي.
• العدد الذري = 17 ⇐ عدد الإلكترونات = 17.
• التوزيع: K = 2 ، L = 8 ، M = 7.
• بما أن الغلاف الخارجي غير مكتمل (7 إلكترونات)، فالكلور عنصر نشط كيميائياً (لافلز يميل لاكتساب إلكترون).
تمرين 3: خمول ذرة النيون (₁₀Ne²⁰)
المسألة: علل: لا تدخل ذرة غاز النيون في تفاعلات كيميائية في الظروف العادية.
• التوزيع الإلكتروني لـ ₁₀Ne: K = 2 ، L = 8.
• لاكتمال مستوى طاقتها الخارجي (L) بـ 8 إلكترونات، فتكون الذرة مستقرة تماماً ولا تفقد أو تكتسب إلكترونات.
تمرين 4: التوزيع الإلكتروني للبوتاسيوم (₁₉K³⁹)
المسألة: فسر لماذا يوزع ₁₉K كـ 2 ، 8 ، 8 ، 1 وليس 2 ، 8 ، 9 ؟
• لأن مستوى الطاقة الخارجي لأي ذرة لا يتحمل أكثر من 8 إلكترونات مهما كان رقم المستوى، فيكتمل M بـ 8 إلكترونات ويفتح المستوى الرابع N بالإلكترون التاسع عشر: 2 ، 8 ، 8 ، 1.
تمرين 5: حساب العدد الذري والكتلي لذرة
المسألة: ذرة عنصر يدور في مستوى طاقتها الثالث (M) إلكترونان، ونواتها تحتوي على 12 نيوتروناً. احسب العدد الذري والكتلي.
• بما أن المستوى الثالث M به إلكترونان، إذن المستويان K و L مكتملان: K=2, L=8, M=2.
• العدد الذري = 2 + 8 + 2 = 12 (الماغنسيوم Mg).
• العدد الكتلي = البروتونات (12) + النيوترونات (12) = 24.
تمرين 6: ذرة الهيدروجين الاستثنائية
المسألة: علل: يتساوى العدد الذري والعدد الكتلي في ذرة الهيدروجين العادي (₁H¹).
• لعدم احتواء نواتها على أي نيوترونات (عدد النيوترونات = 1 - 1 = 0)، فتحتوي على بروتون واحد فقط.
تمرين 7: ذرة الأكسجين (₈O¹⁶)
المسألة: اكتب التوزيع الإلكتروني للأكسجين وحدد موقعه من النشاط الكيميائي.
• التوزيع: K = 2 ، L = 6.
• المستوى الخارجي غير مكتمل (به 6 إلكترونات ويحتاج 2 إلكترون للتشبع)، إذن هو عنصر نشط كيميائياً.
تمرين 8: ذرة الكالسيوم (₂₀Ca⁴⁰)
المسألة: اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة الكالسيوم واذكر عدد النيوترونات.
• التوزيع: K = 2 ، L = 8 ، M = 8 ، N = 2.
• عدد النيوترونات = 40 - 20 = 20 نيوتروناً.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: