هيكل الذرات - الجسيمات الأولية للمادة ، والإلكترونات ، والبروتونات ، والنيوترونات

تتكون جميع الأجسام المادية في الطبيعة من نوع من المادة يسمى المادة. تنقسم المواد إلى مجموعتين رئيسيتين - مواد بسيطة ومعقدة.

المواد المعقدة هي تلك المواد التي ، من خلال التفاعلات الكيميائية ، يمكن أن تتحلل إلى مواد أخرى أبسط. على عكس المواد المعقدة ، فإن المواد البسيطة هي تلك التي لا يمكن تقسيمها كيميائيًا إلى مواد أبسط.

مثال على مادة معقدة هو الماء ، والذي من خلال تفاعل كيميائي يمكن أن يتحلل إلى مادتين أخريين أبسط - الهيدروجين والأكسجين. بالنسبة إلى النوعين الأخيرين ، لم يعد من الممكن تحللها كيميائيًا إلى مواد أبسط ، وبالتالي فهي مواد بسيطة ، أو بعبارة أخرى ، عناصر كيميائية.

في النصف الأول من القرن التاسع عشر ، كان هناك افتراض في العلم أن العناصر الكيميائية هي مواد غير متغيرة وليس لها علاقة مشتركة مع بعضها البعض. ومع ذلك ، فإن العالم الروسي D.I Mendeleev (1834 - 1907) لأول مرة في عام 1869يكشف عن علاقة العناصر الكيميائية ، موضحًا أن الخاصية النوعية لكل منها تعتمد على خصائصها الكمية - الوزن الذري.

عند دراسة خصائص العناصر الكيميائية ، لاحظ D.I Mendeleev أن خواصها تتكرر بشكل دوري اعتمادًا على وزنها الذري. أظهر هذه الدورية في شكل جدول ، دخل العلم تحت اسم "جدول عناصر مندليف الدوري".

يوجد أدناه الجدول الدوري الحديث للعناصر الكيميائية لمندليف.

طاولة منديليف

الذرات

وفقًا للمفاهيم العلمية الحديثة ، يتكون كل عنصر كيميائي من مجموعة من أصغر جزيئات المادة (المادية) تسمى الذرات.

الذرة هي أصغر جزء من عنصر كيميائي لم يعد من الممكن تحلله كيميائيًا إلى جسيمات مادية أخرى أصغر وأبسط.

تختلف ذرات العناصر الكيميائية ذات الطبيعة المختلفة عن بعضها البعض في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبنية والحجم والكتلة والوزن الذري والطاقة الذاتية وبعض الخصائص الأخرى. على سبيل المثال ، تختلف ذرة الهيدروجين بشكل حاد في خصائصها وهيكلها عن ذرة الأكسجين ، والأخيرة عن ذرة اليورانيوم ، وهكذا.

تم العثور على ذرات العناصر الكيميائية لتكون صغيرة الحجم للغاية. إذا افترضنا بشكل شرطي أن الذرات لها شكل كروي ، فإن أقطارها يجب أن تساوي مئات المليون من السنتيمتر. على سبيل المثال ، قطر ذرة الهيدروجين - أصغر ذرة في الطبيعة - هو مائة مليون من السنتيمتر (10-8 سم) ، وقطر أكبر الذرات ، على سبيل المثال ، ذرة اليورانيوم ، لا يتجاوز ثلاثمائة جزء من المليون من السنتيمتر (3 10-8 سم).لذلك ، فإن ذرة الهيدروجين أصغر عدة مرات من الكرة التي يبلغ نصف قطرها سنتيمترًا واحدًا ، لأن الأخير أصغر من الكرة الأرضية.

نظرًا لصغر حجم الذرات ، فإن كتلتها صغيرة جدًا أيضًا. على سبيل المثال ، كتلة ذرة الهيدروجين m = 1.67 · 10-24 وهذا يعني أن جرامًا واحدًا من الهيدروجين يحتوي على حوالي 6 · 1023 ذرة.

بالنسبة للوحدة التقليدية لقياس الأوزان الذرية للعناصر الكيميائية ، يتم أخذ 1/16 من وزن ذرة الأكسجين. وفقًا لهذا الوزن الذري لعنصر كيميائي ، يتم استدعاء رقم مجرد ، يشير إلى عدد المرات التي يزيد فيها وزن عنصر كيميائي معين عن 1/16 من وزن ذرة الأكسجين.

في الجدول الدوري لعناصر D. I. Mendeleev ، يتم إعطاء الأوزان الذرية لجميع العناصر الكيميائية (انظر الرقم تحت اسم العنصر). من هذا الجدول نرى أن أخف ذرة هي ذرة الهيدروجين ، التي يبلغ وزنها الذري 1.008. الوزن الذري للكربون هو 12 والأكسجين 16 وهكذا.

أما بالنسبة للعناصر الكيميائية الأثقل ، فإن وزنها الذري يفوق الوزن الذري للهيدروجين بأكثر من مائتي مرة. إذن فالقيمة الذرية للزئبق هي 200.6 والراديوم 226 وهكذا. كلما زاد ترتيب العدد الذي يشغله عنصر كيميائي في الجدول الدوري للعناصر ، زاد الوزن الذري.

يتم التعبير عن معظم الأوزان الذرية للعناصر الكيميائية بأرقام كسرية. يمكن تفسير هذا إلى حد ما من خلال حقيقة أن هذه العناصر الكيميائية تتكون من مجموعة من عدد أنواع الذرات ذات الأوزان الذرية المختلفة ولكن لها نفس الخصائص الكيميائية.

العناصر الكيميائية التي تحتل نفس العدد في الجدول الدوري للعناصر وبالتالي لها نفس الخصائص الكيميائية ولكن مع أوزان ذرية مختلفة تسمى النظائر.

توجد النظائر في معظم العناصر الكيميائية ، وهناك نظيران ، الكالسيوم - أربعة ، الزنك - خمسة ، القصدير - أحد عشر ، إلخ. يتم الحصول على العديد من النظائر من خلال الفن ، وبعضها له أهمية عملية كبيرة.

الجسيمات الأولية للمادة

لفترة طويلة ، كان يعتقد أن ذرات العناصر الكيميائية هي الحد من قابلية المادة للتجزئة ، أي ، كما كانت ، "اللبنات الأساسية" للكون. يرفض العلم الحديث هذه الفرضية من خلال إثبات أن ذرة أي عنصر كيميائي هي مجموع جزيئات مادية أصغر من الذرة نفسها.

وفقًا لنظرية الإلكترون في بنية المادة ، فإن ذرة أي عنصر كيميائي هي نظام يتكون من نواة مركزية تدور حولها جسيمات "أولية" من مادة تسمى الإلكترونات. تتكون نوى الذرات ، وفقًا لوجهات النظر المقبولة عمومًا ، من مجموعة من جسيمات المادة "الأولية" - البروتونات والنيوترونات.

من أجل فهم بنية الذرات والعمليات الفيزيائية والكيميائية فيها ، من الضروري على الأقل التعرف لفترة وجيزة على الخصائص الأساسية للجسيمات الأولية التي تتكون منها الذرات.

تم تحديد أن الإلكترون هو جسيم حقيقي مع أصغر شحنة كهربائية سالبة لوحظت في الطبيعة.

إذا افترضنا بشكل مشروط أن الإلكترون كجسيم له شكل كروي ، فإن قطر الإلكترون يجب أن يساوي 4 · 10-13 سم ، أي أنه أصغر بعشرات الآلاف من المرات من قطر كل ذرة.

الإلكترون ، مثل أي جسيم مادي آخر ، له كتلة. "كتلة الراحة" للإلكترون ، أي الكتلة التي يمتلكها في حالة من السكون النسبي ، تساوي mo = 9.1 · 10-28 G.

تشير "كتلة الراحة" الصغيرة جدًا للإلكترون إلى أن خصائص القصور الذاتي للإلكترون ضعيفة للغاية ، مما يعني أن الإلكترون ، تحت تأثير القوة الكهربائية المتناوبة ، يمكن أن يتأرجح في الفضاء بتردد عدة بلايين من الفترات لكل ثانية.

كتلة الإلكترون صغيرة جدًا لدرجة أن إنتاج جرام واحد من الإلكترونات يتطلب 1027 وحدة. من أجل الحصول على فكرة مادية على الأقل عن هذا العدد الهائل ، سنقدم مثالاً. إذا أمكن ترتيب جرام واحد من الإلكترونات في خط مستقيم قريب من بعضها البعض ، فسيكونون سلسلة بطول أربعة مليارات كيلومتر.

تعتمد كتلة الإلكترون ، مثل أي مادة أخرى ، على سرعة حركته. للإلكترون في حالة السكون النسبي "كتلة راحة" ذات طبيعة ميكانيكية ، تشبه كتلة أي جسم مادي. أما "كتلة حركة" الإلكترون ، التي تزداد مع زيادة سرعة حركته ، فهي من أصل كهرومغناطيسي. هذا بسبب وجود مجال كهرومغناطيسي في إلكترون متحرك كنوع من المادة ذات الكتلة والطاقة الكهرومغناطيسية.

كلما تحرك الإلكترون بشكل أسرع ، كلما تجلت خصائص القصور الذاتي للمجال الكهرومغناطيسي ، زادت كتلة الأخير ، وبالتالي طاقته الكهرومغناطيسية. نظرًا لأن الإلكترون مع مجاله الكهرومغناطيسي يمثل نظامًا عضويًا واحدًا من المواد ، فهو من الطبيعي أن تُنسب كتلة الزخم للمجال الكهرومغناطيسي للإلكترون مباشرة إلى الإلكترون نفسه.

الإلكترون ، بالإضافة إلى خصائص الجسيم ، له أيضًا خصائص موجية.ثبت تجريبياً أن تدفق الإلكترونات ، مثل تدفق الضوء ، ينتشر في شكل حركة تشبه الموجة. تتأكد طبيعة حركة الموجة لتدفق الإلكترون في الفضاء من خلال ظاهرة التداخل وانحراف موجات الإلكترون.

التداخل الإلكتروني هو ظاهرة تراكب إرادة الإلكترون على بعضها البعض وانحراف الإلكترون - وهي ظاهرة انحناء موجات الإلكترون عند حواف شق ضيق يمر من خلاله شعاع الإلكترون. لذلك ، فإن الإلكترون ليس مجرد جسيم ، ولكنه "موجة جسيمية" ، يعتمد طولها على كتلة الإلكترون وسرعته.

ثبت أن الإلكترون ، بالإضافة إلى حركته الانتقالية ، يؤدي أيضًا حركة دورانية حول محوره. يسمى هذا النوع من حركة الإلكترون "الدوران" (من الكلمة الإنجليزية "تدور" - المغزل). نتيجة لهذه الحركة ، يكتسب الإلكترون ، بالإضافة إلى الخواص الكهربائية الناتجة عن الشحنة الكهربائية ، أيضًا خصائص مغناطيسية تشبه في هذا الصدد مغناطيسًا أوليًا.

البروتون هو جسيم حقيقي بشحنة كهربائية موجبة تساوي في القيمة المطلقة الشحنة الكهربائية للإلكترون.

كتلة البروتون هي 1.67 · 10-24 ص ، أي حوالي 1840 مرة أكبر من "كتلة السكون" للإلكترون.

على عكس الإلكترون والبروتون ، فإن النيوترون ليس له شحنة كهربائية ، أي أنه جسيم مادة "أولي" متعادل كهربائيًا. كتلة النيوترون عمليا تساوي كتلة البروتون.

تتفاعل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات التي تشكل الذرات مع بعضها البعض. على وجه الخصوص ، تجذب الإلكترونات والبروتونات بعضها البعض كجسيمات ذات شحنات كهربائية معاكسة.في الوقت نفسه ، يتنافر الإلكترون من الإلكترون والبروتون من البروتون كجسيمات لها نفس الشحنات الكهربائية.

تتفاعل كل هذه الجسيمات المشحونة كهربائيًا عبر مجالاتها الكهربائية. هذه الحقول هي نوع خاص من المادة تتكون من مجموعة من جسيمات المواد الأولية تسمى الفوتونات. يحتوي كل فوتون على كمية محددة بدقة من الطاقة (كمية الطاقة) المتأصلة فيه.

يحدث تفاعل جسيمات المواد المشحونة كهربائيًا من خلال تبادل الفوتونات مع بعضها البعض. عادة ما تسمى قوة تفاعل الجسيمات المشحونة كهربيًا بالقوة الكهربائية.

تتفاعل النيوترونات والبروتونات في نوى الذرات أيضًا مع بعضها البعض. ومع ذلك ، فإن هذا التفاعل بينهما لم يعد يحدث من خلال مجال كهربائي ، لأن النيوترون هو جسيم محايد كهربائيًا للمادة ، ولكن من خلال ما يسمى المجال النووي.

هذا المجال هو أيضًا نوع خاص من المادة يتكون من مجموعة من جسيمات المواد الأولية تسمى الميزونات ... يحدث تفاعل النيوترونات والبروتونات من خلال تبادل الميزونات مع بعضها البعض. تسمى قوة التفاعل بين النيوترونات والبروتونات القوة النووية.

لقد ثبت أن القوى النووية تعمل في نوى الذرات على مسافات صغيرة للغاية - حوالي 10-13 سم.

تتجاوز القوى النووية بشكل كبير القوى الكهربائية للتنافر المتبادل للبروتونات في نواة الذرة. هذا يؤدي إلى حقيقة أنهم ليسوا قادرين فقط على التغلب على قوى التنافر المتبادل للبروتونات داخل نوى الذرات ، ولكن أيضًا لإنشاء أنظمة قوية جدًا من النوى من مجموعة البروتونات والنيوترونات.

يعتمد استقرار نواة أي ذرة على نسبة قوتين متعارضتين - النووية (الجذب المتبادل للبروتونات والنيوترونات) والكهربائية (التنافر المتبادل للبروتونات).

تساهم القوى النووية القوية التي تعمل في نوى الذرات في تحويل النيوترونات والبروتونات إلى بعضها البعض. تحدث تفاعلات النيوترونات والبروتونات نتيجة إطلاق أو امتصاص جسيمات أولية أخف ، مثل الميزونات.

تسمى الجسيمات التي ندرسها من قبلنا بالجسيمات الأولية لأنها لا تتكون من مجموعة من جسيمات المادة الأخرى الأبسط. لكن في الوقت نفسه ، يجب ألا ننسى أنهما قادران على التحول إلى بعضهما البعض ، والنشأة على حساب الآخر. وبالتالي ، فإن هذه الجسيمات هي بعض التكوينات المعقدة ، أي أن طبيعتها الأولية مشروطة.

التركيب الكيميائي للذرات

أبسط ذرة في بنيتها هي ذرة الهيدروجين. يتكون من مجموعة من جسيمين أساسيين فقط - بروتون وإلكترون. يلعب البروتون في نظام ذرة الهيدروجين دور النواة المركزية التي يدور حولها الإلكترون في مدار معين. في التين. يوضح الشكل 1 بشكل تخطيطي نموذجًا لذرة الهيدروجين.

أرز. 1. رسم تخطيطي لبنية ذرة الهيدروجين

هذا النموذج هو مجرد تقريب تقريبي للواقع. الحقيقة هي أن الإلكترون باعتباره "موجة من الجسيمات" ليس له حجم محدد بشكل حاد من البيئة الخارجية. وهذا يعني أنه لا ينبغي للمرء أن يتحدث عن بعض المدارات الخطية الدقيقة للإلكترون ، ولكن عن نوع من السحابة الإلكترونية. في هذه الحالة ، يحتل الإلكترون غالبًا بعض السطر الأوسط للسحابة ، وهو أحد مداراته المحتملة في الذرة.

يجب أن يقال أن مدار الإلكترون نفسه لا يتغير تمامًا وثابتًا في الذرة - إنه أيضًا ، بسبب التغير في كتلة الإلكترون ، يقوم بحركة دورانية معينة. لذلك ، فإن حركة الإلكترون في الذرة معقدة نسبيًا. نظرًا لأن نواة ذرة الهيدروجين (البروتون) والإلكترون الذي يدور حولها لهما شحنة كهربائية معاكسة ، فإنهما يجذبان بعضهما البعض.

في الوقت نفسه ، فإن الطاقة الحرة للإلكترون ، التي تدور حول نواة الذرة ، تولد قوة طرد مركزي تميل إلى إزالتها من النواة. لذلك ، فإن القوة الكهربائية للتجاذب المتبادل بين نواة الذرة والإلكترون وقوة الطرد المركزي التي تعمل على الإلكترون هي قوى متعارضة.

في حالة التوازن ، يحتل إلكترونهم موقعًا مستقرًا نسبيًا في بعض المدارات في الذرة. نظرًا لأن كتلة الإلكترون صغيرة جدًا ، فمن أجل موازنة قوة الجذب لنواة الذرة ، يجب أن تدور بسرعة هائلة تساوي حوالي 6 · 1015 دورة في الثانية. هذا يعني أن إلكترونًا في نظام ذرة الهيدروجين ، مثل أي ذرة أخرى ، يتحرك على طول مداره بسرعة خطية تتجاوز ألف كيلومتر في الثانية.

في ظل الظروف العادية ، يدور الإلكترون في ذرة من النوع الموجود في المدار الأقرب للنواة. في نفس الوقت ، لديها أقل قدر ممكن من الطاقة. إذا كان الإلكترون لسبب أو لآخر ، على سبيل المثال ، تحت تأثير الجسيمات المادية الأخرى التي غزت النظام الذري ، يتحرك إلى مدار أبعد عن الذرة ، فسيكون لديه بالفعل كمية أكبر قليلاً من الطاقة.

ومع ذلك ، يبقى الإلكترون في هذا المدار الجديد لفترة زمنية ضئيلة ، وبعد ذلك يدور عائداً إلى المدار الأقرب إلى نواة الذرة.خلال هذه الدورة ، تتخلى عن طاقتها الزائدة في شكل كمية من الإشعاع المغناطيسي - طاقة مشعة (الشكل 2).

أرز. 2. عندما ينتقل إلكترون من مدار بعيد إلى مدار أقرب إلى نواة الذرة ، فإنه يصدر كمية من الطاقة المشعة

كلما زادت الطاقة التي يتلقاها الإلكترون من الخارج ، زاد تحركه في المدار الأبعد عن نواة الذرة ، وزادت كمية الطاقة الكهرومغناطيسية التي ينبعث منها عندما يدور إلى المدار الأقرب للنواة.

من خلال قياس كمية الطاقة المنبعثة من الإلكترون أثناء الانتقال من مدارات مختلفة إلى أقرب مدارات لنواة الذرة ، كان من الممكن إثبات أن الإلكترون في نظام ذرة الهيدروجين ، كما هو الحال في أي نظام آخر ذرة ، لا يمكن أن تذهب إلى مدار عشوائي ، إلى درجة محددة بدقة وفقًا لهذه الطاقة التي تتلقاها تحت تأثير قوة خارجية. المدارات التي يمكن أن يشغلها الإلكترون في الذرة تسمى المدارات المسموح بها.

نظرًا لأن الشحنة الموجبة لنواة ذرة الهيدروجين (شحنة البروتون) والشحنة السالبة للإلكترون متساوية عدديًا ، فإن شحنتهما الإجمالية تساوي صفرًا. هذا يعني أن ذرة الهيدروجين في حالتها الطبيعية هي جسيم متعادل كهربائيًا.

هذا صحيح بالنسبة لذرات جميع العناصر الكيميائية: ذرة أي عنصر كيميائي في حالته الطبيعية هي جسيم متعادل كهربائيًا بسبب المساواة العددية بين الشحنات الموجبة والسالبة.

نظرًا لأن نواة ذرة الهيدروجين تحتوي على جسيم "أولي" واحد فقط - بروتون ، فإن ما يسمى بعدد كتلة هذه النواة يساوي واحدًا. العدد الكتلي لنواة ذرة أي عنصر كيميائي هو العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات التي تشكل تلك النواة.

يتكون الهيدروجين الطبيعي بشكل أساسي من مجموعة من الذرات ذات عدد كتلي يساوي واحدًا. ومع ذلك ، فإنه يحتوي أيضًا على نوع آخر من ذرات الهيدروجين ، مع عدد كتلته يساوي اثنين. تتكون نوى ذرات الهيدروجين الثقيلة ، التي تسمى الديوترونات ، من جسيمين ، بروتون ونيوترون. يسمى هذا نظير الهيدروجين الديوتيريوم.

يحتوي الهيدروجين الطبيعي على كميات صغيرة جدًا من الديوتيريوم. لكل ستة آلاف ذرة هيدروجين خفيف (عدد الكتلة يساوي واحدًا) ، هناك ذرة ديوتيريوم واحدة فقط (هيدروجين ثقيل). هناك نظير آخر للهيدروجين ، هيدروجين شديد الثقل يسمى التريتيوم. في نواة ذرة من نظير الهيدروجين هذا ، هناك ثلاثة جسيمات: بروتون ونيوترونان ، مرتبطان ببعضهما البعض بواسطة قوى نووية. عدد كتلة نواة ذرة التريتيوم هو ثلاثة ، أي أن ذرة التريتيوم أثقل بثلاث مرات من ذرة الهيدروجين الخفيفة.

على الرغم من أن ذرات نظائر الهيدروجين لها كتل مختلفة ، إلا أنها لا تزال تتمتع بنفس الخصائص الكيميائية ، على سبيل المثال ، يدخل الهيدروجين الخفيف في تفاعل كيميائي مع الأكسجين ، ويشكل معه مادة معقدة - الماء. وبالمثل ، فإن نظير الهيدروجين ، الديوتيريوم ، يتحد مع الأكسجين لتكوين الماء ، والذي ، على عكس الماء العادي ، يسمى الماء الثقيل. يستخدم الماء الثقيل على نطاق واسع في إنتاج الطاقة النووية (الذرية).

لذلك ، لا تعتمد الخواص الكيميائية للذرات على كتلة نواتها ، ولكن فقط على بنية غلاف الإلكترون للذرة. نظرًا لأن ذرات الهيدروجين الخفيف والديوتيريوم والتريتيوم لها نفس عدد الإلكترونات (واحد لكل ذرة) ، فإن هذه النظائر لها نفس الخصائص الكيميائية.

ليس من قبيل الصدفة أن يحتل الهيدروجين العنصر الكيميائي الرقم الأول في الجدول الدوري للعناصر.الحقيقة هي أن هناك علاقة ما بين عدد كل عنصر في الجدول الدوري للعناصر وحجم الشحنة على نواة ذرة ذلك العنصر. يمكن صياغتها على النحو التالي: الرقم التسلسلي لكل عنصر كيميائي في الجدول الدوري للعناصر يساوي عدديًا الشحنة الموجبة لنواة ذلك العنصر ، وبالتالي عدد الإلكترونات التي تدور حوله.

بما أن الهيدروجين يحتل الرقم الأول في الجدول الدوري للعناصر ، فإن هذا يعني أن الشحنة الموجبة لنواة الذرة تساوي واحدًا وأن الإلكترون الواحد يدور حول النواة.

العنصر الكيميائي الهيليوم هو الثاني في الجدول الدوري للعناصر. هذا يعني أن لها شحنة كهربائية موجبة للنواة تساوي وحدتين ، أي أن نواتها يجب أن تحتوي على بروتونين ، وفي غلاف الإلكترون للذرة - قطبان.

يتكون الهيليوم الطبيعي من نظيرين - هيليوم ثقيل وخفيف. العدد الكتلي للهيليوم الثقيل هو أربعة. هذا يعني أنه بالإضافة إلى البروتونين المذكورين أعلاه ، يجب أن يدخل نيوترونان إضافيان إلى نواة ذرة الهيليوم الثقيلة. أما بالنسبة للهيليوم الخفيف ، فإن عدد كتلته هو ثلاثة ، أي بالإضافة إلى بروتونين ، يجب أن يدخل نيوترون واحد في تكوين نواته.

لقد وجد أن عدد ذرات الهيليوم الخفيف في الهيليوم الطبيعي هو ما يقرب من واحد من المليون من ذرات الجينات الثقيلة. في التين. يوضح الشكل 3 نموذجًا تخطيطيًا لذرة الهليوم.

أرز. 3. رسم تخطيطي لبنية ذرة الهليوم

يرجع التعقيد الإضافي لبنية ذرات العناصر الكيميائية إلى زيادة عدد البروتونات والنيوترونات في نوى هذه الذرات وفي نفس الوقت زيادة في عدد الإلكترونات التي تدور حول النوى (الشكل 4). باستخدام الجدول الدوري للعناصر ، من السهل تحديد عدد الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات التي تشكل الذرات المختلفة.

أرز. 4. مخططات بناء النوى الذرية: 1- الهيليوم ، 2- الكربون ، 3- الأكسجين

العدد العادي لعنصر كيميائي يساوي عدد البروتونات في نواة الذرة وفي نفس الوقت عدد الإلكترونات التي تدور حول النواة. بالنسبة للوزن الذري ، فهو يساوي تقريبًا عدد كتلة الذرة ، أي عدد البروتونات والنيوترونات معًا في النواة. لذلك ، بطرح عدد مساو للعدد الذري للعنصر من الوزن الذري للعنصر ، يمكن تحديد عدد النيوترونات الموجودة في نواة معينة.

ثبت أن نوى العناصر الكيميائية الخفيفة ، التي تحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات والنيوترونات في تركيبها ، تتميز بقوة عالية جدًا ، لأن القوى النووية فيها كبيرة نسبيًا. على سبيل المثال ، نواة ذرة هيليوم ثقيلة متينة للغاية لأنها تتكون من بروتونين ونيوترونين مرتبطين ببعضهما البعض بواسطة قوى نووية قوية.

تحتوي نوى ذرات العناصر الكيميائية الأثقل بالفعل في تركيبها على عدد غير متساوٍ من البروتونات والنيوترونات ، وهذا هو السبب في أن روابطها في النواة أضعف من نوى العناصر الكيميائية الخفيفة. يمكن أن تنقسم نوى هذه العناصر بسهولة نسبيًا عند قصفها بـ "مقذوفات" ذرية (نيوترونات ، نوى هيليوم ، إلخ).

أما بالنسبة لأثقل العناصر الكيميائية ، وخاصة المشعة منها ، فإن نواتها تتميز بقوة منخفضة لدرجة أنها تتفكك تلقائيًا إلى مكوناتها. على سبيل المثال ، تتحلل ذرات عنصر الراديوم المشع ، والتي تتكون من مزيج من 88 بروتونًا و 138 نيوترونًا ، تلقائيًا ، لتصبح ذرات عنصر الرادون المشع. ذرات الأخير ، بدورها ، تنقسم إلى الأجزاء المكونة لها ، وتنتقل إلى ذرات العناصر الأخرى.

بعد أن تعرفنا بإيجاز على الأجزاء المكونة لنواة ذرات العناصر الكيميائية ، دعونا نفكر في بنية غلاف الإلكترون للذرات. كما تعلم ، يمكن للإلكترونات أن تدور حول نوى الذرات فقط في مدارات محددة بدقة. علاوة على ذلك ، فهي متجمعة في غلاف الإلكترون لكل ذرة بحيث يمكن تمييز قذائف الإلكترون الفردية.

يمكن أن تحتوي كل قذيفة على عدد معين من الإلكترونات ، والتي لا تتجاوز عددًا محددًا بدقة. لذلك ، على سبيل المثال ، في غلاف الإلكترون الأول الأقرب إلى نواة الذرة يمكن أن يكون هناك إلكترونان كحد أقصى ، في الثاني - لا يزيد عن ثمانية إلكترونات ، إلخ.

تلك الذرات التي تمتلئ فيها قذائف الإلكترون الخارجية بالكامل لها غلاف إلكترون أكثر استقرارًا. هذا يعني أن الذرة تمسك بقوة بجميع إلكتروناتها ولا تحتاج إلى تلقي كمية إضافية منها من الخارج. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الهليوم على إلكترونين يملآن تمامًا غلاف الإلكترون الأول ، وتحتوي ذرة النيون على عشرة إلكترونات ، تملأ الذرتان الأوليتان تمامًا غلاف الإلكترون الأول والباقي - الثاني (الشكل 5).

أرز. 5. رسم تخطيطي لبنية ذرة النيون

لذلك ، تحتوي ذرات الهيليوم والنيون على أغلفة إلكترونية مستقرة إلى حد ما ، ولا تميل إلى تغييرها بأي طريقة كمية. هذه العناصر خاملة كيميائيًا ، أي أنها لا تدخل في تفاعل كيميائي مع عناصر أخرى.

ومع ذلك ، فإن معظم العناصر الكيميائية لها ذرات حيث لا تمتلئ أغلفة الإلكترون الخارجية بالكامل بالإلكترونات. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة البوتاسيوم على تسعة عشر إلكترونًا ، ثمانية عشر منها تملأ بالكامل الأصداف الثلاثة الأولى ، والإلكترون التاسع عشر في غلاف الإلكترون التالي غير المملوء. يؤدي الملء الضعيف لقشرة الإلكترون الرابعة بالإلكترونات إلى حقيقة أن نواة الذرة تحتفظ بشكل ضعيف جدًا بالجزء الخارجي - الإلكترون التاسع عشر ، وبالتالي يمكن إزالة الأخير بسهولة من الذرة. ...

أو ، على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الأكسجين على ثمانية إلكترونات ، اثنان منها يملأان الغلاف الأول بالكامل ، والستة المتبقية تقع في الغلاف الثاني. وبالتالي ، من أجل الانتهاء الكامل من بناء غلاف الإلكترون الثاني في ذرة الأكسجين ، فإنه يفتقر إلى إلكترونين فقط. لذلك ، فإن ذرة الأكسجين لا تحمل إلكتروناتها الستة بقوة في الغلاف الثاني فحسب ، بل لديها أيضًا القدرة على جذب إلكترونين مفقودين إلى نفسها لملء غلافها الإلكتروني الثاني. يحقق ذلك عن طريق التوليف الكيميائي مع ذرات هذه العناصر التي ترتبط فيها الإلكترونات الخارجية ارتباطًا ضعيفًا بنواتها.

العناصر الكيميائية التي لا تحتوي ذراتها على طبقات إلكترونية مملوءة بالكامل بالإلكترونات تكون ، كقاعدة عامة ، نشطة كيميائيًا ، أي أنها تدخل عن طيب خاطر في تفاعل كيميائي.

لذلك ، يتم ترتيب الإلكترونات الموجودة في ذرات العناصر الكيميائية بترتيب محدد بدقة ، وأي تغيير في ترتيبها المكاني أو كميتها في غلاف الإلكترون للذرة يؤدي إلى تغيير في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرة.

إن تساوي عدد الإلكترونات والبروتونات في النظام الذري هو السبب في أن إجمالي شحنتها الكهربائية يساوي صفرًا. إذا تم انتهاك المساواة بين عدد الإلكترونات والبروتونات في النظام الذري ، تصبح الذرة نظامًا مشحونًا كهربائيًا.

يُطلق على الذرة في النظام التي يتم فيها اضطراب توازن الشحنات الكهربائية المعاكسة بسبب حقيقة أنها فقدت جزءًا من إلكتروناتها أو ، على العكس من ذلك ، اكتسبت فائضًا منها ، أيونًا.

على العكس من ذلك ، إذا اكتسبت الذرة أي عدد زائد من الإلكترونات ، فإنها تصبح أيونًا سالبًا. على سبيل المثال ، تتحول ذرة الكلور التي تلقت إلكترونًا إضافيًا إلى أيون كلور سالب فردي الشحنة Cl -... ذرة الأكسجين التي تلقت إلكترونين إضافيين تصبح أيون أكسجين سالب مضاعف الشحن O ، وهكذا.
تصبح الذرة التي أصبحت أيونًا نظامًا مشحونًا كهربائيًا فيما يتعلق بالبيئة الخارجية. وهذا يعني أن الذرة بدأت تمتلك مجالًا كهربائيًا ، والتي تشكل معه نظام مادة واحد ، ومن خلال هذا المجال تقوم بتفاعل كهربائي مع جزيئات المادة المشحونة كهربائيًا - الأيونات والإلكترونات ونواة الذرات موجبة الشحنة ، إلخ.

إن قدرة الأيونات المختلفة على جذب بعضها البعض هي السبب في أنها تتحد كيميائيًا ، وتشكل جزيئات أكثر تعقيدًا من المادة - الجزيئات.

في الختام ، تجدر الإشارة إلى أن أبعاد الذرة كبيرة جدًا مقارنة بأبعاد الجسيمات الحقيقية التي تتكون منها. تحتل نواة أكثر الذرة تعقيدًا ، مع كل الإلكترونات ، واحدًا من المليار من حجم الذرة. تظهر عملية حسابية بسيطة أنه إذا أمكن ضغط متر مكعب واحد من البلاتين بإحكام بحيث تختفي الفراغات داخل الذرة وبين الذرية ، فسيتم الحصول على حجم يساوي حوالي ملليمتر مكعب واحد.