الكتلة الذرية
الكتلة الذرية ( ma أو m ) هي كتلة ذرة واحدة . وتأتي الكتلة الذرية في الغالب من الكتلة الكلية للبروتونات والنيوترونات في النواة ، مع مساهمات طفيفة من الإلكترونات وطاقة الربط النووي . [ 1 ] الكتلة الذرية للذرات أو الأيونات أو النوى الذرية أقل بقليل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات المكونة لها، وذلك بسبب نقص الكتلة (الذي يُفسر بتكافؤ الكتلة والطاقة : E = mc² ) .
غالبًا ما تُقاس الكتلة الذرية بالدالتون (Da) ( المعروف أيضًا بوحدة الكتلة الذرية الموحدة ( u)). يساوي دالتون واحد + 1/12 كتلة ذرة الكربون-12 في حالتها الطبيعية، والتي تُعطى بثابت الكتلة الذرية m u = m ( 12 C) /12 = 1 Da ، حيث m ( 12 C) هي الكتلة الذرية للكربون-12. وبالتالي، فإن القيمة العددية للكتلة الذرية للنظير عند التعبير عنها بالدالتون قريبة من عدد كتلته .
يمكن الحصول على الكتلة النظيرية النسبية (انظر القسم أدناه) بقسمة الكتلة الذرية m <sub>a </sub> للنظير على ثابت الكتلة الذرية m <sub> u </sub> ، مما ينتج عنه قيمة بلا أبعاد . وبالتالي، فإن الكتلة الذرية لذرة الكربون-12 هي m ( 12C )12 Da بحسب التعريف، لكن الكتلة النظيرية النسبية لذرة الكربون-12 Ar ( 12 C ) هي ببساطة 12. مجموع الكتل النظيرية النسبية لجميع الذرات في الجزيء هو الكتلة الجزيئية النسبية .
تشير الكتلة الذرية للنظير والكتلة النظيرية النسبية إلى نظير محدد لعنصر ما. ولأن المواد عادةً لا تكون نقية نظائريًا، فمن الملائم استخدام الكتلة الذرية للعنصر ، وهي متوسط الكتلة الذرية للعنصر، مُرجّحة بوفرة النظائر. أما الوزن الذري القياسي (بدون وحدة) فهو متوسط الكتلة النظيرية النسبية المرجّحة لمزيج (نموذجي موجود في الطبيعة) من النظائر.
الكتلة النظائرية النسبية
لا ينبغي الخلط بين الكتلة النظيرية النسبية (وهي خاصية لذرة واحدة) وبين متوسط الوزن الذري (انظر أعلاه)، أي متوسط القيم للعديد من الذرات في عينة معينة من عنصر كيميائي.
بينما تُعدّ الكتلة الذرية كتلة مطلقة، فإن الكتلة النظيرية النسبية هي رقم بلا أبعاد ولا وحدات. وينتج فقدان الوحدات هذا عن استخدام نسبة قياس بالنسبة إلى معيار الكربون-12، وتشير كلمة "نسبية" في مصطلح "الكتلة النظيرية النسبية" إلى هذا القياس بالنسبة إلى الكربون-12.
إذن، الكتلة النظيرية النسبية هي كتلة نظير معين (أي نويدة منفردة تحديدًا )، عند ضرب هذه القيمة بكتلة الكربون-12 ، والتي يجب تحديدها تجريبيًا. وبعبارة أخرى، فإن الكتلة النظيرية النسبية لنظير أو نويدة هي كتلة النظير نسبةً إلى ½ من كتلة ذرة الكربون -12 .
على سبيل المثال، الكتلة النظيرية النسبية لذرة الكربون-12 هي 12 بالضبط. وللمقارنة، فإن الكتلة الذرية لذرة الكربون-12 هي 12 دالتون بالضبط . ويمكن التعبير عن الكتلة الذرية لذرة الكربون-12 بأي وحدة كتلة أخرى: على سبيل المثال، الكتلة الذرية لذرة الكربون-12 هي1.992 646 882 70 (62) × 10 −26 كجم .
كما هو الحال بالنسبة للكتلة الذرية النسبية عند التعبير عنها بالدالتون ، فإن أعداد الكتل النظيرية النسبية للنويدات الأخرى غير الكربون-12 ليست أعدادًا صحيحة، ولكنها دائمًا ما تكون قريبة من الأعداد الصحيحة. سيتم مناقشة هذا بالتفصيل أدناه.
مصطلحات مماثلة لكميات مختلفة
يُخلط أحيانًا بين الكتلة الذرية والكتلة النظيرية النسبية، أو يُستخدمان بشكل خاطئ، كمرادفين للكتلة الذرية النسبية (المعروفة أيضًا بالوزن الذري) أو الوزن الذري القياسي (وهو نوع خاص من الوزن الذري، كونه معياريًا). مع ذلك، وكما ذُكر في المقدمة، فإن الكتلة الذرية هي كتلة مطلقة، بينما جميع المصطلحات الأخرى عديمة الأبعاد. تمثل الكتلة الذرية النسبية والوزن الذري القياسي متوسطات (مرجحة بوفرة) الكتل الذرية النسبية في عينات العناصر، وليس للنوى المفردة. تتطابق الكتلة الذرية النسبية والوزن الذري القياسي مع الكتلة النظيرية النسبية فقط للعناصر التي لها نظير مستقر واحد.
تُعرَّف الكتلة الذرية (الكتلة النظيرية النسبية) بأنها كتلة ذرة واحدة، وهي نظير واحد فقط (نوى)، وليست متوسطًا مرجحًا بوفرة العناصر، كما هو الحال في الكتلة الذرية النسبية/الوزن الذري. ولذلك، فإن الكتلة الذرية أو الكتلة النظيرية النسبية لكل نظير ونواة من عنصر كيميائي هي قيمة يمكن قياسها بدقة عالية، لأن كل عينة من هذه النواة متطابقة في الكتلة مع كل عينة أخرى، حيث أن جميع ذرات نوع معين في نفس حالة الطاقة، وكل عينة من نواة معينة، متطابقة في الكتلة. على سبيل المثال، كل ذرة من الأكسجين-16 لها نفس الكتلة الذرية (الكتلة النظيرية النسبية) تمامًا.
بالنسبة للعناصر التي لها نظير واحد موجود طبيعيًا ( العناصر أحادية النواة ) أو نظير سائد واحد، يكون الفرق بين الكتلة الذرية للنظير الأكثر شيوعًا والكتلة الذرية النسبية (القياسية) أو الوزن الذري (القياسي) معدومًا، أو صغيرًا بما يكفي لعدم التأثير على معظم الحسابات. أما بالنسبة للعناصر التي لها أكثر من نظير بكميات كبيرة، فإن كتلة الذرات الفردية تختلف عن المتوسط لجميع النظائر.
بالنسبة للعناصر التي لها أكثر من نظير شائع، قد يصل الفرق العددي في الكتلة الذرية النسبية (الوزن الذري) حتى عن الكتلة الذرية النسبية للنظير الأكثر شيوعًا إلى نصف وحدة كتلة أو أكثر (انظر على سبيل المثال حالة الكلور حيث يبلغ وزنه الذري ووزنه الذري القياسي حوالي 35.45). ويمكن أن تختلف الكتلة الذرية (الكتلة النظيرية النسبية) لنظير غير شائع عن الكتلة الذرية النسبية أو الوزن الذري أو الوزن الذري القياسي بعدة وحدات كتلة.
تكون الكتل النظيرية النسبية قريبة دائمًا من قيم الأعداد الصحيحة، ولكنها لا تكون أبدًا (باستثناء حالة الكربون-12) عددًا صحيحًا تمامًا، وذلك لسببين:
- للبروتونات والنيوترونات كتل مختلفة، [ 2 ] [ 3 ] وللنظائر المختلفة نسب مختلفة من البروتونات والنيوترونات.
- يتم تقليل الكتل الذرية عن طريق طاقات الربط بين البروتونات والنيوترونات.
تتفاوت نسبة الكتلة الذرية إلى العدد الكتلي (عدد النيوكليونات) من0.998 838 1346 (51) لـ 56 Fe إلى1.007 825 031 898 (14) لـ 1 ساعة.
أي نقص في الكتلة ناتج عن طاقة الربط النووي يمثل تجريبياً جزءاً صغيراً (أقل من 1%) من كتلة عدد مماثل من النيوكليونات الحرة. وعند مقارنته بمتوسط كتلة النيوكليون الواحد في الكربون-12، المرتبط بقوة متوسطة مقارنةً بالذرات الأخرى، فإن نقص كتلة الربط لمعظم الذرات يمثل جزءاً أصغر من دالتون. وبما أن البروتونات والنيوترونات الحرة تختلف عن بعضها البعض في الكتلة بجزء صغير من دالتون (1.388 449 33 (49) × 10 −3 Da ), [ 4 ] بتقريب الكتلة النظيرية النسبية، أو الكتلة الذرية لأي نويدة معينة مُعطاة بالدالتون إلى أقرب عدد صحيح، نحصل دائمًا على عدد النيوكليونات، أو العدد الكتلي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن اشتقاق عدد النيوترونات ( العدد النيوتروني ) عن طريق طرح عدد البروتونات ( العدد الذري ) من العدد الكتلي (عدد النيوكليونات).
عيب في الكتلة
مقدار انحراف نسبة الكتلة الذرية إلى العدد الكتلي عن 1 هو كما يلي: يبدأ الانحراف موجبًا عند الهيدروجين -1، ثم يتناقص حتى يصل إلى حد أدنى محلي عند الهيليوم-4. نظائر الليثيوم والبريليوم والبورون أقل ارتباطًا من الهيليوم، كما يتضح من تزايد نسب الكتلة إلى العدد الكتلي لديها.
عند الكربون، تُعرَّف نسبة الكتلة (بالدالتون) إلى العدد الكتلي بأنها 1، وبعد الكربون تصبح أقل من واحد حتى تصل إلى أدنى قيمة لها عند الحديد-56 (مع قيم أعلى قليلاً للحديد-58 والنيكل-62 )، ثم ترتفع إلى قيم موجبة في النظائر الثقيلة، مع ازدياد العدد الذري. يتوافق هذا مع حقيقة أن الانشطار النووي في عنصر أثقل من الزركونيوم يُنتج طاقة، بينما يتطلب الانشطار في أي عنصر أخف من النيوبيوم طاقة. من ناحية أخرى، يُنتج الاندماج النووي لذرتين من عنصر أخف من السكانديوم (باستثناء الهيليوم) طاقة، بينما يتطلب الاندماج في العناصر الأثقل من الكالسيوم طاقة. يتطلب اندماج ذرتين من الهيليوم-4 لإنتاج البريليوم-8 طاقة، وسيتفكك البريليوم بسرعة مرة أخرى. يمكن للهيليوم -4 أن يندمج مع التريتيوم ( الهيدروجين -3 ) أو مع الهيليوم -3 ؛ وقد حدثت هذه العمليات خلال عملية التخليق النووي في الانفجار العظيم . يتطلب تكوين العناصر التي تحتوي على أكثر من سبعة نيوكليونات اندماج ثلاث ذرات من 4 He في عملية ألفا الثلاثية ، متجاوزة الليثيوم والبريليوم والبورون لإنتاج الكربون-12.
فيما يلي بعض قيم نسبة الكتلة الذرية إلى العدد الكتلي: [ 5 ]
| نوكليود | نسبة الكتلة الذرية إلى العدد الكتلي |
|---|---|
| 1 ساعة | 1.007 825 031 898 (14) |
| 2 ساعة | 1.007 050 888 9220 (75) |
| 3 ساعات | 1.005 349 760 440 (27) |
| 3 هو | 1.005 343 107 322 (20) |
| 4 هو | 1.000 650 813 533 (40) |
| 6 لي | 1.002 520 481 24 (26) |
| 12 درجة مئوية | 1 |
| 14 شمالاً | 1.000 219 571 732 (17) |
| 16 O | 0.999 682 163 704 (20) |
| 56 Fe | 0.998 838 1346 (51) |
| 210 بو | 0.999 918 4461 (59) |
| 232 Th | 1.000 164 0242 (66) |
| 238 يو | 1.000 213 3905 (67) |
قياس الكتل الذرية
يتم تحقيق المقارنة المباشرة وقياس كتل الذرات باستخدام مطياف الكتلة .
العلاقة بين الكتل الذرية والجزيئية
تنطبق تعريفات مماثلة على الجزيئات . يمكن حساب الكتلة الجزيئية لمركب ما بجمع الكتل الذرية (وليس الأوزان الذرية القياسية) لذراته المكونة له. في المقابل، تُحسب الكتلة المولية عادةً من الأوزان الذرية القياسية (وليس من الكتل الذرية أو كتل النوى). لذا، تختلف الكتلة الجزيئية والكتلة المولية اختلافًا طفيفًا في القيمة العددية، وتمثلان مفهومين مختلفين. الكتلة الجزيئية هي كتلة الجزيء، وهي مجموع الكتل الذرية لمكوناته. أما الكتلة المولية فهي متوسط كتل الجزيئات المكونة في مجموعة نقية كيميائيًا ولكنها غير متجانسة نظائريًا. في كلتا الحالتين، يجب مراعاة تعدد الذرات (عدد مرات ظهورها)، وذلك عادةً بضرب كل كتلة فريدة في تعددها.
| الكتلة المولية لـ CH 4 | |||
|---|---|---|---|
| الوزن الذري القياسي | رقم | الكتلة المولية الكلية [جم/مول] أو الوزن الجزيئي (بدون وحدة) | |
| ج | 12.011 | 1 | 12.011 |
| ح | 1.008 | 4 | 4.032 |
| الفصل 4 | 16.043 | ||
| الكتلة الجزيئية لـ 12 C 1 H 4 | |||
| كتلة النظير (دالتون أو وحدة كتل ذرية) | رقم | الكتلة الجزيئية الكلية (دالتون أو وحدة كتل ذرية) | |
| 12 درجة مئوية | 12.0000 | 1 | 12.0000 |
| 1 ساعة | 1.007825 | 4 | 4.0313 |
| الفصل 4 | 16.0313 | ||
تاريخ
كان جون دالتون وتوماس طومسون أول العلماء الذين حددوا الكتل الذرية النسبية بين عامي 1803 و1805، ثم يونس ياكوب بيرزيليوس بين عامي 1808 و1826. وقد عُرّفت الكتلة الذرية النسبية ( الوزن الذري ) في الأصل نسبةً إلى وزن أخف العناصر، وهو الهيدروجين، الذي اعتُبرت كتلته 1.00. وفي عشرينيات القرن التاسع عشر، افترض براوت أن الكتل الذرية لجميع العناصر ستكون مضاعفات دقيقة لكتلة الهيدروجين. إلا أن بيرزيليوس سرعان ما أثبت أن هذا غير صحيح، وأن بعض العناصر، مثل الكلور، تبلغ كتلتها الذرية النسبية حوالي 35.5، أي أنها تقع تقريبًا في منتصف المسافة بين مضاعفين صحيحين لكتلة الهيدروجين. وفي وقت لاحق، تبيّن أن هذا يعود في معظمه إلى مزيج من النظائر، وأن الكتل الذرية للنظائر النقية، أو النوى ، هي مضاعفات لكتلة الهيدروجين، بدقة تصل إلى حوالي 1%.
في ستينيات القرن التاسع عشر، قام ستانيسلاو كانيزارو بتحسين مفهوم الكتل الذرية النسبية بتطبيق قانون أفوجادرو (وخاصةً في مؤتمر كارلسروه عام 1860). وقد صاغ قانونًا لتحديد الكتل الذرية النسبية للعناصر: حيث أن الكميات المختلفة من العنصر نفسه الموجودة في جزيئات مختلفة هي جميعها مضاعفات صحيحة للوزن الذري ، وحدد الكتل الذرية والجزيئية النسبية بمقارنة كثافة بخار مجموعة من الغازات مع كثافة جزيئات تحتوي على عنصر كيميائي واحد أو أكثر من العناصر المعنية. [ 6 ]
في القرن العشرين، وحتى ستينيات القرن نفسه، استخدم الكيميائيون والفيزيائيون مقياسين مختلفين للكتلة الذرية. استخدم الكيميائيون مقياس "وحدة الكتلة الذرية" (amu)، حيث كانت الكتلة الذرية للمزيج الطبيعي لنظائر الأكسجين تساوي 16، بينما خصص الفيزيائيون الرقم 16 نفسه للكتلة الذرية لنظير الأكسجين الأكثر شيوعًا ( 16O ، الذي يحتوي على ثمانية بروتونات وثمانية نيوترونات). ومع ذلك، ولأن الأكسجين-17 والأكسجين -18 موجودان أيضًا في الأكسجين الطبيعي، فقد أدى ذلك إلى وجود جدولين مختلفين للكتلة الذرية. وقد لبّى المقياس الموحد القائم على الكربون-12 ( 12C ) حاجة الفيزيائيين إلى بناء المقياس على نظير نقي، مع كونه قريبًا عدديًا من مقياس الكيميائيين. وقد اعتُمد هذا المقياس كـ"وحدة الكتلة الذرية الموحدة". والتوصية الأساسية الحالية للنظام الدولي للوحدات (SI) لتسمية هذه الوحدة هي دالتون ورمزها "Da". يُعدّ اسم "وحدة الكتلة الذرية الموحدة" والرمز "u" اسمين ورمزين معترف بهما لنفس الوحدة. [ 7 ]
يُستغنى تدريجياً عن مصطلح " الوزن الذري" ويُستبدل بمصطلح "الكتلة الذرية النسبية" في معظم الاستخدامات الحالية. يعود هذا التحول في التسمية إلى ستينيات القرن الماضي، وكان مصدراً لنقاشات واسعة في الأوساط العلمية، والتي انطلقت مع اعتماد وحدة الكتلة الذرية الموحدة وإدراك أن مصطلح "الوزن" غير مناسب في بعض النواحي. وكانت الحجة الأساسية للإبقاء على مصطلح "الوزن الذري" هي أنه مصطلح مفهوم جيداً لدى المختصين في هذا المجال، وأن مصطلح "الكتلة الذرية" كان مستخدماً بالفعل (بتعريفه الحالي)، وأن مصطلح "الكتلة الذرية النسبية" قد يُخلط بسهولة مع مصطلح " الكتلة النظيرية النسبية " (كتلة ذرة واحدة من نواة معينة، معبر عنها بلا أبعاد نسبةً إلى 1/12 من كتلة الكربون-12؛ انظر القسم أعلاه).
في عام 1979، وكحل وسط، تم إدخال مصطلح "الكتلة الذرية النسبية" كمرادف ثانوي للوزن الذري. وبعد عشرين عامًا، انعكست أولوية هذين المرادفين، وأصبح مصطلح "الكتلة الذرية النسبية" هو المصطلح المفضل.
ومع ذلك، لم يتم تغيير مصطلح " الأوزان الذرية القياسية " (في إشارة إلى الأوزان الذرية المتوقعة القياسية للعينات المختلفة)، [ 8 ] لأن الاستبدال البسيط لـ "الوزن الذري" بـ "الكتلة الذرية النسبية" كان سيؤدي إلى مصطلح "الكتلة الذرية النسبية القياسية".
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ "وزارة الطاقة الأمريكية تشرح...النوى النووية" . Energy.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أبريل 2023 .
- ↑ "كتلة البروتون بوحدة الكتلة الذرية" (u) . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . مايو 2019. مؤرشف من الأصل بتاريخ 7 ديسمبر 2000. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "كتلة النيوترون بوحدة الكتلة الذرية (u)" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . مايو 2019. مؤرشف من الأصل بتاريخ 7 ديسمبر 2000. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "فرق كتلة النيوترون والبروتون بوحدة u" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . مايو 2019. مؤرشف من الأصل في 5 سبتمبر 2012. تم الاطلاع عليه في 24 يونيو 2021 .
- ↑ وانغ، مينغ؛ هوانغ، دبليو جيه؛ كونديڤ، إف جي؛ أودي، جي؛ نعيمي، إس. (مارس 2021). "تقييم الكتلة الذرية AME 2020 (الجزء الثاني). الجداول والرسوم البيانية والمراجع" . الفيزياء الصينية ج . 45 (3): 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf . hdl : 11858/00-001M-0000-0010-23E8-5 . ISSN 1674-1137 . S2CID 235282522 .
- ↑ ويليامز، أندرو (2007). "أصل صيغ ثنائي الهيدروجين والجزيئات البسيطة الأخرى". مجلة التعليم الكيميائي 84 (11): 1779. Bibcode : 2007JChEd..84.1779W . doi : 10.1021/ed084p1779 .
- ↑ المكتب الدولي للأوزان والمقاييس (2019): النظام الدولي للوحدات (SI) ، الطبعة التاسعة، النسخة الإنجليزية، الصفحة 134. متاح على موقع المكتب الدولي للأوزان والمقاييس .
- ^ دي بيفر، ص. بيسر، هس (1992). "«الوزن الذري»: الاسم، تاريخه، تعريفه، ووحداته (ملف PDF) . مجلة الكيمياء البحتة والتطبيقية ، 64 (10): 1535. doi : 10.1351/pac199264101535 . S2CID 96317287 .
روابط خارجية
- الذرات
- كتلة
- الخواص الكيميائية
- القياس الكمي
- كميات المواد الكيميائية