بحث في الكيمياء عن الدراة

الدرة
الذرة هي أصغر جزء من العنصر الكيميائي الذي يحتفظ بالخصائص الكيميائية لذلك العنصر. يرجع أصل الكلمة الإنجليزية (بالإنجليزية: Atom) إلى الكلمة الإغريقية أتوموس، وتعني غير القابل للانقسام؛ إذ كان يعتقد أنه ليس ثمة ما هو أصغر من الذرة. تتكون الذرة من سحابة من الشحنات السالبة (الإلكترونات) تحوم حول نواة موجبة الشحنة صغيرة جدا في الوسط. تتكون النواة الموجبة هذه من بروتونات موجبة الشحنة، و نيوترونات متعادلة. الذرة هي أصغر جزء من العنصر يمكن أن يتميز به عن بقية العناصر؛ إذ كلما غصنا أكثر في المادة لنلاقي البنى الأصغر لن يعود هناك فرق بين عنصر و آخر. فمثلاً، لا فرق بين بروتون في ذرة حديد و بروتون آخر في ذرة يورانيوم مثلاً، أو ذرة أي عنصر آخر. الذرة، بما تحمله من خصائص؛ عدد بروتوناتها، كتلتها، توزيعها الإلكتروني...، تصنع الفروقات بين العناصر المختلفة، و بين الصور المختلفة للعنصر نفسه (المسماة بالنظائر)، و حتى بين كون هذا العنصر قادراً على خوض تفاعل كيميائي ما أم لا.
ظل تركيب الذرة و ما يجري في هذا العالم البالغ الصغر، ظل و ما زال يشغل العلماء و يدفعهم إلى اكتشاف المزيد. و من هنا أخذت تظهر فروع جديدة في العلم حاملة معها مبادئها و نظرياتها الخاصة بها، بدءاً بمبدأ عدم التأكد (اللاثقة)، مروراً بنظريات التوحيد الكبرى، و انتهاءً بنظرية الأوتار الفائقة.

تركيب الذرة

أكثر النظريات التي لاقت قبولا لتفسير تركيب الذرة هي النظرية الموجية للإلكترون . وهذا التصور مبني على تصور بوهر مع الأخذ في الاعتبار الاكتشافات الحديثة والتطويرات في ميكانيكا الكم .
و التي تنص على :
تتكون الذرة من جسيمات تحت ذرية ( البروتونات ،الإلكترونات ،النيوترونات.
مع العلم بأن معظم حجم الذرة يحتوى على فراغ .
في مركز الذرة توجد نواة موجبة الشحنة تتكون من البروتونات ،النيوترونات ( ويعرفوا على أنهم نويات )
النواة أصغر 100,000 مرة من الذرة . فلو أننا تخيلنا أن الذرة بإتساع مطار هيثرو فإن النواة ستكون في حجم كرة الجولف
دالة الطول الموجي للمدار الإلكترونى للهيدروجين . عدد الكم الرئيسي على اليمين من كل صف وعدد الكم المغزلي موضح موجود على هيئة حرف في أعلى كل عمود .]]
معظم الفراغ الذري تشغله مدارات تحتوى على الإلكترونات في توزيع إلكترونى محدد .
كل مدار من نوع s يمكن أن يتسع لعدد 2 إلكترون ، محكومين بأربعة أرقام للكم ، عدد الكم الرئيسي ، عدد الكم الثانوي ، عدد الكم المغناطيسي ، وعدد الكم المغزلي.
كل إلكترون في أي من المدارات له قيمة واحدة لعدد الكم الرابع والذي يسمى عدد الكم المغزلي المغناطيسي ، وقيمته إما s=+1/2 ( متجه إلى أعلى) أو s=-1/2 (متجه إلى أسفل) .
المدارات ليست ثابتة ومحددة في الاتجاه وإنما هي مناطق حول النواة تمثل احتمال تواجد 2 إلكترون لهم نفس الثلاث أعداد الأولى للكم ، وتكون آخر حدود هذا المدار هي المناطق التي يقل تواجد الإلكترون فيها عن 90 % .

حجم الذرة

لا يمكن تحديد حجم الذرة بسهولة حيث أن المدارات الإلكترونية ليست ثابتة ويتغير حجمها بدوران الإلكترون فيها . ولكن بالنسبة للذرات التي تكون في شكل بلـّورات صلبة ، يمكن تحديد المسافة بين نواتين متجاورتين وبالتالى يمكن عمل حساب تقديري لحجم الذرة . والذرات التي لا تشكل بلـّورات صلبة يتم استخدام تقنيات أخرى تتضمن حسابات تقديرية . فمثلا حجم ذرة الهيدروجين تم حسابها تقريبيا على أنه 1.2× 10−10 م . بالمقارنة بحجم البروتون وهو الجسيم الوحيد في نواة ذرة الهيدروجين 0.87× 10−15 م . وعلى هذا فإن النسبة بين حجم ذرة الهيدروجين وحجم نواتها تقريبا 100,000 .وتتغير أحجام ذرات العناصر المختلفة ، ويرجع ذلك لأن العناصر التي لها شحنات موجبة أكبر في نواتها تقوم بجذب إلكترونات بقوة أكبر ناحية النواة .




[عدل]التكافؤ والترابط

تكون الذرات متعادلة كهربائياً عندما يكون عدد ما تحمله من شحنات موجبة ( بروتونات) يساوي تماماً عدد ما تحويه من شحنات سالبة (إلكترونات). عندما تفقد الذرة أو تكسب الإلكترونات، فإنها تتحول إلى أيونات. عندما تكتسب الذرة الإلكترونات فإن شحنتها السالبة تفوق شحنتها الموجبة و بذا تتحول إلى أيون سالب لأن عدد الإلكترونات فيها أصبح أكثر من عدد البروتونات وعندما تفقد الذرة الإلكترونات، فإنها تتحول إلى أيون موجب لأن عدد البروتونات فيها أصبح أكثر من عدد الإلكترونات.
لا توجد الذرات في الطبيعة عادة بصورة حرة (باستثناء ذرات العناصر الخاملة)، و إنما توجد ضمن مركبات كيميائية متحدةً مع غيرها من الذرات سواء أكانت ذرات العنصر نفسه أو ذرات عناصر أخرى. فذرة الأكسجين مثلاً لا تتواجد عادة بصورة حرة، و إنما ترتبط أكسجين أخرى مكونة جزيء الأكسجين في الهواء الذي نستنشقه، أو تتحد مع ذرتين من الهيدروجين مكونةً جزيء ماء، وهكذا.
سلوك الذرة الكيميائي يرجع في الأصل بصورة كبيرة للتفاعلات بين الإلكترونات . والإلكترونات الموجودة في الذرة تكون في شكل إلكترونى محدد ومتوقع . وتقع الإلكترونات في أغلفة طاقة معينة طبقا لبعد تلك الأغلفة عن النواة ( راجع "التركيب الذري" ) . ويطلق على الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي إلكترونات التكافؤ ، والتي لها تأثير كبير على السلوك الكيميائي للذرة . والإلكترونات الداخلية تلعب دور أبضا ولكنه ثانوى نظرا لتأثير الشحنة الموجبة الموجودة في نواة الذرة .
كل غلاف من أغلفة الطاقة يتم ترتيبها تصاعديا بدأ من أقرب الاغلفة للنواة والذي يرقم برقم 1 ويمكن لكل غلاف أن يمتلئ بعدد معين من الإلكترونات طبقا لعدد المستويات الفرعية ونوع المدارات التي يحتويها هذا الغلاف :
الغلاف الأول : من 1 : 2 إلكترون - مستوى فرعى s - عدد 1 مدار .
الغلاف الثاني : من 2 : 8 إلكترون - مستوى فرعى p, s - عدد 4 مدارات .
الغلاف الثالث : من 3 : 18 إلكترون - مستوى فرعى d, p, s - عدد 9 مدارات .
الغلاف الرابع : من 4 : 32 إلكترون - مستوى فرعى f d, p, s - عدد 16 مدار .
يمكن تحديد كثافة الإلكترونات لأى غلاف طبقاً للمعادلة : 2 n2 حيث " n " هي رقم الغلاف ، ( رقم الكم الرئيسي )وتقو الإلكترونات بملئ مستويات الطاقة القريبة من النواة أولا . ويكون الغلاف الأخير الذي به الإلكترونات هو غلاف التكافؤ حتى لو كان يحتوى على إلكترون واحد .
وتفسير شغل أغلفة الطاقة الداخلية أولا هو أن مستويات طاقة الإلكترونات في الأغلفة القريبة من النواة تكون أقل بكثير من مستويات طاقة الإلكترونات في الأغلفة الخارجية . وعلى هذا لإنه في حالة وجود غلاف طاقة داخلى غير ممتلئ ، يقوم الإلكترون الموجود في الغلاف الخارجى بالتنقل بسرعة للغلاف الداخى (ويقوم بإخراج إشعاع مساوى لفرق الطاقة بين الغلافين).
تقوم الإلكترونات الموجودة في غلاف الطاقة الخارجى بالتحكم في سلوك الذرة عند عمل الروابط الكيميائية . ولذا فإن الذرات التي لها نفس عدد الإلكترونات في غلاف الطاقة الخارجي (إلكترونات التكافؤ) يتم وضعها في مجموعة واحدة في الجدول الدوري .المجموعة هي عبارة عن عامود في الجدول الدوري ، وتكون المجموعة الأولي هي التي تحتوى على إلكترون واحد في غلاف الطاقة الخارجي ، المجموعة الثانية تحتوي على 2 إلكترون ، المجموعة الثالثة تحتوي على 3 إلكترونات ، وهكذا . وكقاعدة عامة ، كلما قلت عدد الإلكترونات في مستوى في غلاف تكافؤ الذرة كلما زاد نشاط الذرة وعلى هذا تكون فلزات المجموعة الأولى أكثر العناصر نشاطا وأكثرها سيزيوم ، روبديوم ، فرنسيوم .
وتكون الذرة أكثر استقرارا ( أقل في الطاقة ) عندما يكون غلاف التكافؤ ممتلئ . ويمكن الوصول لهذا عن طريق الآتي: يمكن للذرة المساهمة بالإلكترونات مع ذرات متجاورة ( رابطة تساهمية ) . أو يمكن لها أن تزيل الإلكترونات من الذرات الأخرى ( رابطة أيونية ) . عملية تحريك الإلكترونات بين الذرات تجعل الذرات مرتبطة معا ، ويعرف هذا بالترابط الكيميائي وعن طريق هذا الترابط يتم بناء الجزيئات والمركبات الأيوينة . وتوجد خمس أنواع رئيسية للروابط :
الرابطة الأيونية
الرابطة التساهمية
الرابطة التناسقية
الرابطة الهيدروجينية
الرابطة الفلزية
[عدل]الذرات في الكون و الكرة الأرضية

[استخدام نظرية التضخم الكوني ، فإن عدد الذرات في الكون يتراوح من 4×1078 and 6×1079 تقريبا . وبصفة عامة نظرا لأن الكون لا نهائي فإن عدد الذرات أيضا يمكن أن يكون لا نهائي . و هذا لا يتنافى مع العدد الذي تم حسابه نظرا لأن الكون الخاضع للدراسة يقع ضمن 14 مليار سنة ضوئية .
[عدل]الذرة في الصناعة

تقوم الذرة بدور غاية في الأهمية في الصناعة ، يتضمن ذلك الصناعات النووية ، علم المواد الصناعية ، وأيضا في الصناعات الكيميائية .
[عدل]الذرة في العلم

ظلت الذرة محل أنظار تركيز العلماء لعقود . وكان للنظرية الذرية تأثير كبير على كثير من فروع العلم ، مثل الفيزياء النووية ، الطيف وكل فروع الكيمياء تقريبا . ويتم دراسة الذرة هذه الأيام في مجال ميكانيكا الكم و الجسيمات تحت-الذرية .
و قد تمت دراسة الذرة بدون قصد مباشر في القرن 19 و القرن 20 وفى السنين الحالية ، وبظهور تقنيات جديدة أصبحت دراسة الذرة أسهل وأدق . فعن استخدام الميكروسكوب الإلكتروني الذي تم اكتشافه في عام 1931 تم تصوير ذرات مفردة . كما تم استحداث طرق جديدة للتعرف على الذرات والمركبات . فمثلا يتم استخدام مطياف الكتلة لتحديد الذرات والمركبات . كما يتم استخدام جي سي إم إس " كروماتوجرافى الغاز و مطياف الكتلة " لمعرفة المواد . وأيضا التأكد من وجود ذرات أو جزيئات معينة عن طريق أشعة إكس كريستالوجرافى .
[عدل]الذرة تاريخيا

[عدل]النظريات التاريخية
قام كل من ديموقراطس و ليسيوبوس ، " فلاسفة إغريق من القرن الخامس قبل الميلاد" بتقديم أول الإفتراضات بخصوص الذرة . فقد إفترضا أن لكل ذرة شكل محدد مثل الحصوات الصغيرة ، وهذا الشكل هو ما يحكم خواص تلك الذرة . وقام دالتون في القرن 19 بإثبات أن المادة تتكون من ذرات ولكنه لم يعرف شيئا عن تركيبها . وقد كان هذا الفرض مضاد لنظرية الانقسام اللانهائي ، التي كانت تنص على أن المادة يمكن أن تنقسم دائما إلى أجزاء أصغر .
وخلال هذا الوقت ، كانت الذرة تعتبر أنها أصغر جزء في المادة ، وقد تغير هذا الفرض لاحقا إلى أن الذرة نفسها تتكون من جسيمات تحت الذرية وتم اكتشاف الإلكترون عن طريق تجربة طومسونوكانت عن أول الجسيمات التي يتم اكتشافها . وقد أدى ذلك لإثبات أن الذرة يمكن أن تنقسم . كما ساهمت اكتشافات راذرفورد في إثبات وجود النواة وأنها تحمل شحنة موجبة . وكل الدراسات الحديثة للذرة تأخذ في الاعتبار أن الذرة تتكون من جسيمات تحت ذرية .
ومنذ عهد ديموقراطس تم اقتراح نظرات عديدة لتركيب الذرة منها :
نظرية البودينج
نظرية الذرة المكعبة
تصور بوهر
التصور الموجي وهو التصور المقبول حاليا راجع تركيب الذرة .
وبينما تم إثبات خطأ نظرية ديموقراطس تماما ، فإن كثير من النظريات الحديثة مبنية على أفكار مشابهه مثل الشكل والإهتزاز وهذه الأفكار تماثل خواص الجسيمات تحت الذرية .
[عدل]أصل تسمية الذرة
يرجع أصل كلمة الذرة إلى الكلمة الإغريقية أتوموس ، وتعنى غير قابل للانقسام . وحتى القرن 19 حيث تم عرض تصور بوهر كان الاعتقاد السائد أن الذرات جسيمات دقيقة للغاية وغير قابلة للانقسام