أهداف التعلم

• أن يعرّف الطالب الذرة ومكوناتها الأساسية الثلاثة.
• أن يحدد الطالب موقع كل جسيم داخل الذرة وشحنته الكهربية.
• أن يميّز الطالب بين العدد الذري والعدد الكتلي ويحسب عدد النيوترونات.
• أن يوضّح الطالب كيفية توزيع الإلكترونات في مستويات الطاقة حول النواة.
• أن يستنتج الطالب سبب تعادل الذرة كهربيًا في حالتها الطبيعية.

شرح الدرس

مفهوم الذرة

الذرة هي أصغر جزء من العنصر يمكن أن يشترك في تفاعل كيميائي مع احتفاظه بخواص العنصر. وعلى الرغم من صغر حجم الذرة الشديد (لا تُرى بالعين المجردة ولا حتى بالمجهر الضوئي العادي)، إلا أنها ليست جسيمًا واحدًا بسيطًا، بل تتكون من جسيمات أدق منها تُسمى الجسيمات دون الذرية، وهي: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

مكونات الذرة

تتركب الذرة من جزأين رئيسيين:

• النواة: توجد في مركز الذرة، وتحتوي على نوعين من الجسيمات:
  • البروتونات: جسيمات موجبة الشحنة الكهربية.
  • النيوترونات: جسيمات متعادلة الشحنة (بلا شحنة كهربية).
• مستويات الطاقة (المدارات): توجد حول النواة، وتدور فيها:
  • الإلكترونات: جسيمات سالبة الشحنة الكهربية، وكتلتها صغيرة جدًا مقارنة بكتلة البروتون أو النيوترون.

ولأن النواة تحتوي على كل من البروتونات والنيوترونات، فإنها تحمل تقريبًا كل كتلة الذرة، بينما تشغل الإلكترونات حجمًا كبيرًا نسبيًا حول النواة رغم صغر كتلتها.

الشحنة الكهربية للذرة

في الذرة المتعادلة كهربيًا (الحالة الطبيعية لأي عنصر)، يكون عدد البروتونات مساويًا لعدد الإلكترونات، فتتعادل الشحنات الموجبة مع الشحنات السالبة تمامًا، ولا تحمل الذرة ككل أي شحنة صافية. فإذا اكتسبت الذرة إلكترونات إضافية أو فقدت بعض إلكتروناتها، اختل هذا التوازن وتكوّن أيون (جسيم مشحون)، وهو موضوع سندرسه لاحقًا عند دراسة الروابط الكيميائية.

العدد الذري والعدد الكتلي

• العدد الذري (Z): هو عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة، وهو الذي يحدد هوية العنصر؛ فكل عنصر له عدد ذري مختلف ومميز له. وبما أن الذرة متعادلة كهربيًا، فإن العدد الذري يساوي أيضًا عدد الإلكترونات.
• العدد الكتلي (A): هو مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في نواة الذرة معًا.

ومنه يمكن حساب عدد النيوترونات في أي ذرة بمعرفة العددين السابقين:

حيث $N$ عدد النيوترونات، و$A$ العدد الكتلي، و$Z$ العدد الذري.

فمثلًا، ذرة الكربون التي عددها الذري 6 وعددها الكتلي 12، يكون عدد النيوترونات فيها = 12 − 6 = 6 نيوترونات، وعدد البروتونات فيها 6، وعدد الإلكترونات أيضًا 6.

توزيع الإلكترونات في مستويات الطاقة

لا تتحرك الإلكترونات حول النواة بشكل عشوائي تمامًا، بل تشغل مستويات طاقة محددة (تُسمى أحيانًا مدارات أو أغلفة)، ولكل مستوى سعة قصوى من الإلكترونات لا يتجاوزها:

• المستوى الأول (الأقرب للنواة): يتسع لعدد 2 إلكترون كحد أقصى.
• المستوى الثاني: يتسع لعدد 8 إلكترونات كحد أقصى.
• المستوى الثالث: يتسع لعدد 8 إلكترونات كحد أقصى (في العناصر الخفيفة التي ندرسها في هذه المرحلة).

ويُملأ المستوى الأقرب للنواة أولًا بالإلكترونات قبل الانتقال إلى ملء المستوى الذي يليه. فمثلًا ذرة الصوديوم (عددها الذري 11) يكون توزيعها الإلكتروني: 2 في المستوى الأول، 8 في المستوى الثاني، وإلكترون واحد فقط في المستوى الثالث (الأخير).

لمحة تاريخية عن نماذج الذرة (إثرائي)

تطورت فكرة تركيب الذرة عبر التاريخ من خلال عدة علماء: افترض دالتون أن الذرة كرة صلبة غير قابلة للانقسام، ثم اكتشف طومسون الإلكترون واقترح نموذج “خبز الزبيب”، ثم أثبتت تجربة رذرفورد وجود نواة صغيرة كثيفة موجبة الشحنة في مركز الذرة، وأخيرًا وضع بور نموذج المستويات الثابتة التي تدور فيها الإلكترونات حول النواة، وهو النموذج المبسط الذي نعتمد عليه في هذه المرحلة الدراسية.

أسئلة للتدريب

• عدد مكونات الذرة الثلاثة موضحًا شحنة كل منها وموقعه.
• لماذا تكون الذرة متعادلة كهربيًا في حالتها الطبيعية؟
• عرّف العدد الذري والعدد الكتلي، ووضّح العلاقة بينهما وبين عدد النيوترونات.
• ذرة عددها الذري 12 وعددها الكتلي 24، اكتب توزيعها الإلكتروني على مستويات الطاقة.
• اذكر أهم فكرة قدمها كل من رذرفورد وبور في تطور نموذج الذرة.