النظائر ومعدّل الكتلة الذرية
يحدد عدد البروتونات والنيوترونات في نظائر العنصر ويكتب رموزها، ويحسب معدّل الكتلة الذرية للعنصر من كتل نظائره ونسب وجودها في الطبيعة.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: المظائر و الكتلة الذرية — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٢): جهاز مطياف الكتلة — ص ٣٤
- نشاط (٣): نظائر العنصر — ص ٣٤
خطوات التجربة
افتح شاشة «النظائر»، واختر «كربون» من الجدول الدوري. سجّل عدد البروتونات و«عدد الكتلة» والرمز الظاهر.
أضف نيوترونًا واحدًا ثم آخر، وسجّل بعد كل إضافة عدد النيوترونات و«عدد الكتلة» والرمز، وهل النظير «ثابت/مستقر» أم «غير مستقر»، ونسبة «الوفرة في الطبيعة».
أكمل جدولًا لنظائر الكربون الثلاثة يضم: العدد الذري Z، والعدد الكتلي A، وعدد النيوترونات، والرمز على صورة X مع A وZ.
افتح شاشة «مخاليط»، واختر «نيون»، ثم اختر «مزيج الطبيعة». سجّل عدد نظائر النيون ونسبة كل منها من «النسبة المئوية للتركيب»، ورتّبها حسب وفرتها، وسجّل «متوسط الكتلة الذرية».
اختر «مخلوطي»، ثم اختر «كلورين»، وضع في الحجرة ذرات من النظيرين بنسبة تقارب 3 إلى 1، وقارن «متوسط الكتلة الذرية» الناتج بكتلة الكلور في الجدول الدوري.
غيّر النسبة بزيادة ذرات النظير الأثقل، ولاحظ اتجاه تغيّر متوسط الكتلة الذرية.
الفكرة العلمية
النظائر ذرات للعنصر نفسه تتشابه في العدد الذري Z، أي عدد البروتونات، وتختلف في عدد النيوترونات، فيختلف عددها الكتلي A. ويُكتب النظير على صورة X مع A في الأعلى وZ في الأسفل، وعدد النيوترونات = A − Z. فالكربون له ثلاثة نظائر في الطبيعة أعدادها الكتلية 12 و13 و14، وكلها فيها 6 بروتونات. ويُستدل على النظائر ونسب وجودها بجهاز مطياف الكتلة. ولأن العنصر يوجد في الطبيعة خليطًا من نظائره، فالكتلة الذرية في الجدول الدوري معدّل لا كتلة ذرة بعينها: معدّل الكتلة الذرية = (كتلة النظير الأول × نسبة وجوده) + (كتلة النظير الثاني × نسبة وجوده) + ... ولذلك تقع قيمته بين أصغر كتلة وأكبرها، وتقترب من كتلة النظير الأوفر، وتكون غالبًا عددًا عشريًا. والمحاكاة تعطي نسب الوجود والمعدّل مباشرة، ولا تمثّل جهاز مطياف الكتلة نفسه.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
أضفت نيوترونين إلى نواة الكربون 12. ماذا يتغيّر؟
- العدد الذري فيصير العنصر نيتروجينًا
- عدد الإلكترونات فتصير الذرة أيونًا سالبًا
- لا يتغيّر شيء لأن النيوترونات متعادلة
- العدد الكتلي فيصير 14 ويبقى العنصر كربونًا
اعرض الإجابة
د) العدد الكتلي فيصير 14 ويبقى العنصر كربونًا
النيوترونات تزيد العدد الكتلي فقط، والعنصر يتحدد بعدد البروتونات الذي بقي 6، فينتج النظير كربون 14. ومن قال إن العنصر تغيّر خلط بين النيوترون والبروتون، ومن قال إن الذرة صارت أيونًا خلط بين النظير والأيون.
للكلور نظيران: 34.97 u بنسبة 75.77% و36.97 u بنسبة 24.23%. ما معدّل الكتلة الذرية للكلور؟
- 35.97 u
- 35.45 u
- 36.48 u
- 71.94 u
اعرض الإجابة
ب) 35.45 u
المعدّل = (34.97 × 0.7577) + (36.97 × 0.2423) ≈ 26.50 + 8.96 = 35.45 u. ومن اختار 35.97 حسب المتوسط البسيط للكتلتين متجاهلًا نسب الوجود، ومن اختار 71.94 جمع الكتلتين دون ضرب في النسب.
في «مزيج الطبيعة» للنيون، يقع متوسط الكتلة الذرية قريبًا من 20. ما التفسير؟
- لأن نظير النيون 20 هو الأوفر في الطبيعة
- لأن للنيون نظيرًا واحدًا فقط
- لأن النظائر الثقيلة غير مستقرة فلا تُحسب
- لأن متوسط 20 و21 و22 هو 20
اعرض الإجابة
أ) لأن نظير النيون 20 هو الأوفر في الطبيعة
المعدّل مرجّح بنسب الوجود، والنيون 20 يشكل نحو 90% من النيون الطبيعي، فيجذب المعدّل نحو كتلته. وللنيون ثلاثة نظائر مستقرة كلها داخلة في الحساب، ومتوسط 20 و21 و22 البسيط هو 21 لا 20.
كيف يتعارض وجود النظائر مع نظرية دالتون؟
اعرض الإجابة
افترض دالتون أن ذرات العنصر الواحد متماثلة في كل خصائصها ومنها الكتلة. لكن النظائر ذرات للعنصر نفسه تختلف في عدد النيوترونات فتختلف كتلها، كما رأينا في الكربون 12 و13 و14. فذرات العنصر الواحد تتفق في عدد البروتونات لا في الكتلة.
لماذا تكون الكتلة الذرية للكربون في الجدول الدوري 12.01 لا 12 تمامًا؟
اعرض الإجابة
لأن الكربون في الطبيعة خليط من نظائره، ومعظمه كربون 12 مع نسبة صغيرة من الكربون 13 وأثر ضئيل من الكربون 14. والكتلة في الجدول معدّل مرجّح بنسب الوجود، فتكون أكبر قليلًا من 12 وقريبة منه لأن الكربون 12 هو الأوفر.