الذرات والعناصر الكيميائية

بيولوجي للمبتدئين: الذرات والعناصر الكيميائية، شرح 3

ربما تكون على دراية بمفهوم الذرات، إنها الوحدة الأساسية للمادة، فكل شيء مادي(له كتلة وحجم) يتكون من ذرات تجمعت معًا بأسلوب فريد.

قبل أن تتمكن من فهم التفاعلات الكيميائية، عليك أولاً فهم طريقة عمل الذرات.

على مر السنين، وبتطور مفهوم وإدراك البشرية عن الذرات، استخدم البشر نماذج متعددة لمحاولة دراسة وتفسير ماهية الذرة، قد تكون على دراية ببعض النماذج الواردة في (منظر 1). تذكر أننا سنستخدم في دورتنا التدريبية نموذج بور بشكل أوسع.

نماذج تطور الذرات
منظر 1. تطور النماذج الذرية عبر السنين: مع تطور فهمنا للذرات، تغيرت النماذج التي نستخدمها لتصورها، النموذج الأول هو نموذج طومسون، يليه نموذج رذرفورد، نموذج بور، وأخيراً نموذج هايزنبرغ/شرودنغر.

مخرجات التعلم

  • التعرف على العناصر الشائعة داخل الكائنات الحية.
  • شرح بنية الذرة ومكوناتها.
  • معرفة خصائص عناصر الجدول الدوري.
  • تعريف مصطلح “النظير”.

عناصر في الكائنات الحية

تتكون الحياة في أبسط مستوياتها من“المادة”تبعاً للفيزياء الكلاسيكية.

مفهوم: المادة هي: أي شيء له كتلة وحجم يشغل حيز مُحدد.

مفهوم: العناصر هي: أشكال فريدة للمادة ذات خصائص كيميائية وفيزيائية، ولا يمكن تقسيمها لمواد أصغر بواسطة التفاعلات الكيميائية العادية.

هناك 118 عنصراً معروفاً حتى الآن، لكن 92 عنصر فقط موجودين في الطبيعة، بينما العناصر المتبقية يُجرى تصنيعها في المعامل وتُصبح عناصر مشعة غير مستقرة.

يحصل كل عنصر على رمز كيميائي فريد، قد يتكون الرمز من حرف واحد كبير أو من حرفين (الأول كبير والثاني صغير)، وهناك بعض العناصر التابعة للتسمية الإنجليزية مثل الرمز “C، ويشير إلى أول حرف من كلمة “Carbon” لعنصر الكربون، والرمز “Ca” لعنصر الكالسيوم “Calcium”.

تشتق رموز العناصر الباقية في الجدول الدوري من أسمائِها اللاتينية، على سبيل المثال، رمز الصوديوم هو “Na” وقد خرج من الكلمة اللاتينية “natrium” ومعناها الصوديوم.

العناصر الرئيسية المشتركة في تكوين جميع الكائنات الحية:

  • الأكسجين “O”
  • الكربون “C”
  • الهيدروجين”H
  • النيتروجين “N

توجد تلك العناصر الأربع بمقادير مختلفة بين الكائنات الحية كما توجد بصورة نادرة في بعض الأماكن على الأرض ككل، كما هو موضح في الجدول التالي.

العنصرالكائن الحي(البشر)الغلاف الجويالقشرة الأرضية
الأكسجين “O”65%21%46%
الكربون “C”18%مقدار ضئيل جداًمقدار ضئيل جداً
الهيدروجين”H”10%مقدار ضئيل جداً0.1%
النيتروجين “N”3%78%مقدار ضئيل جداً
النسبة التقريبية للعناصر الرئيسية في الكائنات الحية (البشر) مقارنة بالغلاف الجوي والأرض

فمثلاً: لدى الغلاف الجوي كمية وفيرة من عنصري النيتروجين والأكسجين، ولكنه يحتوي على القليل من الكربون والهيدروجين، في حين أن القشرة الأرضية، على الرغم من احتوائها على الأكسجين وكمية صغيرة من الهيدروجين، إلا أنها تمتلك كمية ضئيلة جداً من النيتروجين والكربون.

بالرغم من التباين الشاسع بين كمية العناصر لدى الأرض والإنسان والغلاف الجوي، إلا أن جميع العناصر تخضع لنفس القوانين الكيميائية والفيزيائية في الأرض والغلاف الجوي والإنسان على حدٍ سواء.

الذرات

لفهم كيفية إتحاد العناصر معًا، يتطلب أولاً فهم الوحدة البنائية للعنصر وهي “الذرة”.

مفهوم: الذرة هي: أصغر جزء يمكن الوصول إليه من العنصر الكيميائي، ولديها كافة الخصائص الكيميائية لذلك العنصر.

فمثلاً تمتلك ذرة ذهب واحدة كل خصائص عنصر الذهب من حيث كونه معدن صلب في درجة حرارة الغرفة وخصائصه أخرى.

العملة الذهبية عبارة عن عدد كبير جدًا من ذرات الذهب المصبوبة على شكل عملة معدنية، وتحتوي على كميات صغيرة من عناصر أخرى تُسمى الشوائب، كما لا يمكن تقسيم ذرات الذهب إلى أي شيء أصغر مع الاحتفاظ بخصائص الذهب.

التكوين الداخلي للنواة
منظر 2. العنصر مثل الهيليوم، يتكون من ذرات، تتكون الذرات من البروتونات والنيوترونات الموجودة داخل النواة، ويحيط بالنواة بعض الإلكترونات.

تحتوي كل الذرات على وحدات أصغر هي (منظر 2):

  • البروتونات
  • الإكترونات
  • النيوترونات

ملاحظة: ذرة الهيدروجين (H) هي الذرة الوحيدة ذات بروتون واحد، وإلكترون واحد.

✅ مفهوم: البروتون: هو جُسيم موجب الشحنة يتواجد في نواة الذرة، وله كتلة، وشحنته الكهربية موجبة.

مفهوم: النيوترون: جُسيم مثل البروتون، يتواجد في نواة الذرة وله كتلة، ولكنه لا يمتلك شحنة كهربية.

مفهوم: الإلكترون: هو جُسيم سالب الشحنة يدور حول النواة، وكتلته ضئيلة، وله شحنة كهربية سالبة.

الشحنات الموجبة (البروتونات) الموجودة داخل النواة تساوي الشحنات السالبة (الالكترونات) التي تدور خارج النواة، فتكون شحنة الذرة كاملة تساوي متعادلة.

ونظرًا لأن البروتونات والنيوترونات لهما كتلة متقاربة جداً، فإن كتلة الذرة تساوي عدد البروتونات والنيوترونات معاً في تلك الذرة، بينما لا يؤثر عدد الإلكترونات على الكتلة لأن كتلتها ضئيلة مقارنة بالبروتونات والنيوترونات.

خواص عناصر الجدول الدوري

العدد الذري والكتلي

كل عنصر يمتاز بخصائص فريدة، فلدى كل عنصر عدد مختلف من البروتونات والنيوترونات مما يعطيه أرقاماً فريده تُسمى بالعدد الذري والعدد الكتلي على السواء، لذلك يمكن معرفة عدد النيوترونات داخل أي عنصر بطرح العدد الذري من العدد الكتلي.

مفهوم: العدد الذري: هو عدد بروتونات العنصر.

مفهوم: العدد الكتلي: هو عدد البروتونات مضافاً إليه عدد نيوترونات ذلك العنصر.

يوفر الرقم الذري والكتلي معلومات حول العناصر وطريقة تفاعلها مع بعضها، فلكل عنصر نقطة انصهار وغليان مختلفة، وله حالات متعددة في درجة حرارة الغرفة (سائل، صلب، غاز).

تُشكل بعض العناصر أنواعًا خاصة من الروابط الكيميائية، في حين أن البعض الآخر لا يفعل ذلك، كما تعتمد طريقة اتحاد تلك العناصر مع بعضها على عدد الإلكترونات الموجودة لدى كُلًا منها.

وبسبب إختلاف خصائص كل عنصر عن الآخر، تخضع العناصر لترتيب محدد في الجدول الدوري(مخطط للعناصر يتضمن رمز العنصر وعدده الذري والكتلي).

يوفر الجدول الدوري معلومات أساسية حول خصائص العناصر (منظر 3)، ولدى كل لون دلاله محددة.

يوضح الترتيب الفريد للجدول كيفية تنظيم الإلكترونات في كل عنصر وطريقة تفاعل الذرات مع بعضها لتشكيل الجزيئات.

الجدول الدوري
منظر 3: يوفر الجدول الدوري الذي تم ترتيبه في أعمدة وصفوف بناءً على خصائص العناصر، معلومات أساسية حول العناصر وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.

بالنظر إلى الجدول الدوري مرة أخرى (منظر3)، ستلاحظ وجود سبعة صفوف تتوافق مع عدد المدارات السبعة الموجودة لدى عناصر كل صف، وتترتب العناصر إعتماداً على أعداد الإلكترونات المتزايدة من الأصغر للأكبر مما يعمل على ترتيب الأعمدة بالتدريج من اليسار إلى اليمين.

تفاعلات العناصر

تعتمد كيفية تفاعل العناصر مع بعضها البعض على:

  • طريقة ترتيب إلكترونات كل عنصر.
  • عدد فتحات الإلكترونات الموجودة في المنطقة الخارجية للذرة(توجد الإلكترونات داخل الذرة).

تتواجد الإلكترونات في مستويات الطاقة التي تمثلها مدارات تُحيط بالنواة، ويمكن للمدار الأقرب للنواة أن يستوعب إلكترونين فقط.

دائمًا ما يمتلء المدار القريب للنواة أولاً قبل ملء أي مدار آخر، كما يحتوي الهيدروجين على إلكترون واحد، لذلك لديه موضع واحد فقط مشغول داخل المدار الأول.

الهليوم لديه إلكترونان، لذلك يمكن ملئ المدار الأول بإلكترونين.

إذا نظرت إلى الجدول الدوري، سترى الهيدروجين والهيليوم هما العنصران الوحيدان في الصف الأول، وهذا بسبب إحتواء الغلاف الأول على إلكترون واحد أو إثنين فقط، ونلاحظ أن الهيدروجين والهيليوم هما العنصران الوحيدان اللذان لهما أقل عدد من المدارت (مستوى طاقة واحد) وليس لهما مدارات أخرى.

يستوعب مستوي الطاقة الثاني والثالث ما يصل إلى ثماني إلكترونات، وتتجمع هذه الإلكترونات الثمانية في أربعة أزواج، وتمتلئ الأزواج الأربع بالترتيب حيث تبدأ بالزوج الأول ثم الثاني وهكذا.

مستويات الطاقة في الذرات
منظر4: مخططات بور للهيدروجين والهيليوم، الليثيوم، الكربون، الفلور، النيون، الصوديوم، السيليكون، الكلور والأرجون.

على الرغم من تساوي عدد المدارات في كل العناصر، إلا أنها لا تمتلئ كلها بالإلكترونات.

إذا نظرت إلى الصف الثاني من الجدول الدوري (منظر 3)، ستجد عناصر لديها إلكترونات تشغل المدارين الأول والثاني فقط، وتلك العناصر هي:

  • الليثيوم “Li
  • البريليوم “Be
  • البورون “B
  • الكربون “C
  • النيتروجين “N
  • الأكسجين “O
  • الفلور “F
  • النيون “Ne

يحتوي الليثيوم على إلكترون واحد فقط في المدار الخارجي، ويحتوي البريليوم على إلكترونين، والبورون ثلاثة، وهكذا حتى يمتلئ المدار الخارجي بالكامل بثماني إلكترونات، وتنتهي بعنصر النيون.

النظائر

مفهوم: النظائر: هي أشكال مختلفة من نفس العنصر، لها نفس عدد البروتونات، لكن عدد النيوترونات مختلف.

بعض العناصر مثل الكربون والبوتاسيوم واليورانيوم لها نظائر طبيعية، فمثلاً الكربون -12 أكثر نظائر الكربون إنتشاراً، وعدده الكتلي يساوي 12 (ستة بروتونات وستة نيوترونات)، وعدده الذري 6.

ولدينا نظير آخر مشهور وهو الكربون 14، ويحتوي على:

  • ستة بروتونات
  • ثمانية نيوترونات

لذلك لديه عدد كُتلي 14 وعدد ذري 6، مما يعني أنه لا يزال عنصر الكربون ولكن نظير.

تكون بعض النظائر غير مستقرة، وتفقد مع الوقت بعض البروتونات أو الطاقة لتكوين عناصر أكثر استقرارًا وتسمى حينها بالنظائر المشعة.

مفهوم: الكربون 14: هو نظير مشع طبيعي يتكون في الغلاف الجوي عن طريق الأشعة الكونية، وتلك العملية مستمرة، لذلك يتكون دائمًا المزيد من الكربون 14.

تحديد العمر بالكربون 14

مع نمو الكائن حي، فإن المستوى النسبي للـكربون 14 يتزايد في جسد الكائن حتى يساوي تركيز الكربون 14 الموجود في الغلاف الجوي (نعم لدينا عناصر مشعة في أجسادنا 😮).

وعندما يموت الكائن الحي، تتوقف زيادة نسبة الكربون 14 في جسده، ويتحلل الكربون 14 بالتدريج إلى نيتروجين 14 من خلال عملية تسمى تحلل بيتا، وبالتالي تنخفض نسبة الكربون 14 بالتدريج لتنتج طاقة في عملية إشعاعية بطيئة.

بعد ما يقرب من 5730 عام، يتحلل نصف الكربون 14 الموجود في الكائن الحي ويتحول إلي نيتروجين 14، ويُطلق على الوقت المُستغرق في تحول نصف كمية الكربون إلى نيتروجين بعمر النصف.

نظرًا لأن عمر النصف لـلكربون 14 طويل، يتم استخدامه لقياس عمر الكائنات الميتة كالأحافير.

منظر 5: يمكن تحديد عمر الحفريات والبقايا الحية التي تحتوي على الكربون بشرط أن يقل عمرها عن خمسين ألف عام مثل الماموث.

تتحدد كمية النظير(الكربون 14) التي لم تتحلل بعد من خلال قياس نسبة تركيز الكربون 14 الموجود في جسم الكائن ومقارنتها بكمية الكربون 14 الموجوده في الغلاف الجوي، وعند معرفة كمية النظير المتبقي، يمكن حساب عمر الحفرية بحوالي خمسين ألف سنة (منظر 5).

أيضاً لدينا البوتاسيوم 40، يٌستفاد منه في حساب أعمار الحفريات القديمة جداً بسبب إمتلاكه فترات عمر نصف أطول بكثير من الكربون 14.

من خلال استخدام الكربون في التاريخ، يمكن للعلماء معرفه الجغرافيا الحيوية للكائنات الحية وإعادة بناء البيئة التي عاش فيها الكائن قبل خمسين ألف سنة ماضية أو أكثر.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

انتقل إلى أعلى