الكتلة الذرية

مفهوم وحدة الكتلة الذرية

تُعد الكتلة معاملًا أساسيًا يميّز أي ذرة وعنصر كيميائي بشكل عام. ومع ذلك، فإن استخدام الغرامات المجهرية المعتادة لوصف الجسيمات الدقيقة الفردية أمر غير معرّف على الإطلاق وغير مريح. لذلك، تم إدخال معيار خاص وهو وحدة الكتلة الذرية (و.ك.ذ). في الأدبيات الكيميائية والطبية الحيوية الحديثة، يُشار إلى هذه الوحدة بشكل متزايد مصطلح دالتون (اختصاراً — Да).

وفقاً للاتفاقية الدولية، يُعتبر الدالتون الواحد مساوياً تماماً لـ $1/12$ من كتلة نظير الكربون الأكثر انتشاراً.

ومن المثير للاهتمام أن متوسط الكتلة الذرية للكربون الطبيعي لا يساوي 12 بالضبط، بل يتجاوز هذه القيمة قليلاً ليصل إلى $12.011$. ويرجع هذا الانحراف إلى حقيقة أن الكربون في البيئة الطبيعية يوجد في شكل خليط يتضمن شوائب من النظائر الأثقل. ورغم ذلك، تتميز الغالبية العظمى من العناصر الكيميائية بكونها أعداداً صحيحة: حيث تقترب كتلها الذرية بشدة من الأعداد الصحيحة، وهو ما ينبع مباشرة من خصائص البنية الداخلية للذرات.

الكتلة الذرية النسبية

في الممارسة العملية عند إجراء الحسابات، يتم التعامل مع مفهوم الكتلة الذرية النسبية، والتي يتم التعبير عنها بالرمز $A_r$.

بحكم التعريف، تُظهر هذه القيمة نسبة الكتلة الحقيقية لذرة معينة إلى وحدة الكتلة الذرية القياسية. رياضياً، يبدو هذا وكانه قسمة الكتلة الحقيقية للجسيم ($m_a$) على $1 \text{ u}$.

تكمن الميزة الرئيسية لـ $A_r$ في كونها كمية بلا أبعاد. فهي ليس لها وحدات قياس، على عكس الكتلة الحقيقية التي تُعبر عنها بالغرامات أو الدالتون. في الوقت نفسه، تتطابق القيمة العددية لـ $A_r$ تماماً مع قيمة الكتلة الذرية للعنصر. ولهذا السبب تحديداً من المساواة العددية في الممارسة المخبرية اليومية، غالباً ما يُستخدم مصطلحا «الكتلة الذرية» و«الكتلة الذرية النسبية» كمترادفين.

العلاقة بين العالم الدقيق والعالم الكبير

للانتقال بسلاسة من الكتل الحقيقية للمواد الموزونة على الميزان (بالغرامات) إلى كتل الجسيمات الفردية (بوحدات الكتلة الذرية) وعدد هذه الجسيمات، تُستخدم ثوابت صارمة.

• لتحويل الكتل الكبيرة إلى كتل مجهرية: يحتوي غرام واحد من المادة على بالضبط $6.02 \cdot 10^{23} \text{ u}$.
• لتحويل الكتل المجهرية إلى كتل كبيرة: وحدة كتلة ذرية واحدة تعادل $1.66 \cdot 10^{-24} \text{ غ}$.

تفتح هذه العلاقات الرياضية الأساسية الطريق لحساب العدد الدقيق للذرات في أي أجزاء من المستحضرات.

مقياس العالم الذري: تجربة فكرية

لكي ندرك تماماً مدى صغر كتل الذرات الفردية، يمكننا إجراء حساب نظري مع الهيليوم (He). لنفترض الموقف التالي: نأخذ 4 غرامات فقط من هذه المادة ونوزعها بالتساوي في الطبقة السفلية من الغلاف الجوي للأرض بسُمك كيلومتر واحد بالضبط فوق سطح الكوكب بأكمله. مهمتنا هي تقدير عدد ذرات الهيليوم في لتر واحد من هذا الهواء المخفف للغاية.

خوارزمية الحساب هي كما يلي:

1. أولاً، نحول الكتلة الأولية إلى وحدات مجهرية: نضرب 4 غرامات في الثابت $6.02 \cdot 10^{23}$. نحصل على الكتلة الإجمالية $24.08 \cdot 10^{23} \text{ u}$.
2. مع العلم أن كتلة ذرة هيليوم واحدة تبلغ حوالي $4 \text{ u}$، نقسم الكتلة الإجمالية على كتلة جسيم واحد. اتضح أن الجزء الخاص بنا يحتوي على $6.02 \cdot 10^{23}$ ذرة בדיוק.
3. بالإضافة إلى مساحة سطح الأرض ($5.10 \cdot 10^8 \text{ كم}^2$)، نحسب حجم طبقة الغلاف الجوي التي يبلغ سمكها كيلومتراً ونحوله إلى لترات. النتيجة هي $5.10 \cdot 10^{20} \text{ لتر}$.
4. نقسم العدد الإجمالي للجسيمات على حجم الغلاف الجوي المحسوب. نحصل على التركيز: تقريباً $1180$ ذرة في كل لتر من الهواء.

يوضح هذا المثال بجلاء حقيقة أساسية: حتى أجزاء المادة الصغيرة ضئيلة الكتلة تحتوي على عدد هائل من الذرات، نظراً لأن كتلة كل ذرة على حدة صغيرة للغاية.

باختصار: إجابات عن أسئلة حول الموضوع

أسئلة من المحاضرات والامتحانات

مواضيع أخرى للمراجعة في نفس السياق

• النظائر وتأثيرها على الكتلة الذرية للعناصر
• حساب متوسط الكتلة الذرية لمخاليط النظائر
• عدد أفوجادرو وعلاقته بانتقال الكتل
• البنية الداخلية للذرة التي تحدد كتلتها

مواضيع أخرى من قسم «الفصل 1. المواد. الخواص والتركيب»

تم إعداد المادة بواسطة أعضاء هيئة التدريس في WhiteCoat Pro وفقاً للمنهج الدراسي لكليات الطب. وهي ذات طابع تعليمي.