أساسيات الكيمياء

علم الكيمياء هو علم يختص بكل ما يتعلق بالمادة ، وبخاصة خواصها، بنيتها، تركيبها، سلوكها، تفاعلاتها، وتداخلاتها التي تحدثها. تسمى الكيمياء أحياناً بـ (العلم المركزي) لأنها تربط الفيزياء مع العلوم الطبيعية مثل علم الفلك والجيولوجيا وعلم الأحياء.

تدرس الفيزياء المادة أيضاً ولكنها تدرس كميات الفضاء والمادة، والقوانين التي تحكمها، والكيمياء فرع من العلوم الفيزيائية ولكنها لا تتفرع عن الفيزياء.

و المادة في الفيزياء الكلاسيكية هي كل ما له كتلة وحجم ويشغل حيزاً من الفراغ. وللمادة خصائص مختلفة تشمل الحجم والكتلة والكثافة. وتشكل بذلك ما يعرف بالكون الملموس. لكن يستحيل حالياً تعريف المادة بهذا الشكل لسقوط الفاصل بين المادة والطاقة طبقا لمعادلة آينشتاين الشهيرة E=mc 2 . المادة هي جزء من كوننا، ولا يُمكن إطلاق هذا المطلح على ما وراءه. ويُعتقد حالياً أن المادة تُشكل 27% من كلتة الكون، 4% فقط هي المادة الطبيعية، والتي تنقسم إلى نوعين رئيسيّين: مادة مضيئة وغير مضيئة، وتُشكل الأولى 0.4% من كتلة الكون، في حين أن الثانية تُشكل 3.6% من كتله. أما الـ23% الأخرى فهي المادة المظلمة، والـ73% الباقية هي الطاقة المظلمة. المادة يُمكن أن تكون في حالات مختلفة تحدد هيأتها، وحالات المادة الطبيعية هي بشكل رئيسي أربعة: الصلبة والسائلة والغازية والبلازما. في حين أنه توجد بعض الحالات التي أُنتجت مخبرياً ولا توجد في الطبيعة. وإضافة إلى هذه، توجد بعض الحالات الطبيعية النادرة، والتي لا توجد إلا في أماكن خاصة، مثل نوى النجوم النيوترونية، والتي تكون المادة فيها مسحوقة بسبب الكثافة الشديدة للنجم وتشكل حالة جديدة من المادة.

تتكون المادة من جسيمات بالغة الصغر تسمى الجزيئات، وهي عبارة عن تجمعات لجسيمات أصغر هي الذرات. وتلك بدورها تتكون من جسيمات أصغر. ويُعتقد حالياً أن المادة تتكون من أجسام صغيرة جداً لا تتجزأ، حيث أنها لا تتكون من جسيمات أصغر بل هي أصغر شيء. وتسمى هذه الجسيمات بـ"الجسيمات الأولية"، ومع هذا فليس من المُثبت بعد أنها فعلاً أصغر الأجسام المكوّنة للمادة. تنقسم الجسيمات الأولية إلى ثلاثة أقسام: الكواركات واللبتونات والبوزونات (والأخيرة لا تشمل الجسيمات الأولية فحسب، بل أيضاً جسيمات مركبة).

و التفاعلات الكيميائية هي عبارة عن تكسير روابط في المواد المتفاعلة لإنتاج روابط جديدة في المواد الناتجة مما يؤدي إلى تكوين مواد جديدة مختلفة في صفاتها الكيميائية والفيزيائية معاً.

التفاعلات الكيميائية تشمل تغير ترتيب الذرات في الجزيئات الكيميائية ،و في مثل هذا التفاعل نشهد اتحاد بعض الجزيئات بطرق أخرى لتكوين شكل من مركب أكبر أو أعقد، أو تفكك المركبات لتكوين جزيئات أصغر، أو إعادة ترتيب الذرات في المركب. والتفاعلات الكيميائية تشمل عادة تكسر أو تكوين روابط كيميائية.

تفاعلات أكسدة-اختزال

تفاعل الاحتراق.

النظرية

تبدأ الكيمياء التقليدية بدراسة الجسيمات الأولية والذرات والجزيئات والمواد الكيميائية والبلورات وأشكال التجمعات الأخرى للمادة وفي الحالة الصلبة والسائلة والغازية معزولة عن بعضها أو متحدة مع بعضها. تنتج التآثرات والتفاعلات والتحولات التي تدرسها الكيمياء من التآثر بين مواد كيميائية مختلفة أو بين المادة والطاقة. يدرس هذا السلوك في المختبر وباستخدام أشكال مختلفة من الأدوات المختبرية.

التفاعل الكيميائي هو تحول بعض المواد إلى مادة أخرى أو أكثر. ويمكن استخدام الرموز للتعبير عنه بواسطة معادلة كيميائية. غالباً ما يكون عدد الذرات في طرفي المعادلة متساوياً، وتكون طبيعة التفاعلات الكيميائية والتغيرات في الطاقة التي تحدث نتيجة لهذه التفاعلات محكومة بقوانين تسمى القوانين الكيميائية، وتعد ملاحظة الطاقة والإنتروبيا من الأمور المهمة في أغلب الدراسات الكيميائية.

تصنف المواد الكيميائية حسب بنيتها، والطور بالإضافة إلى تركيبها الكيميائي. ويمكن تحليلها باستخدام أدوات التحليل الكيميائي، مثل المطيافية والاستشراب.

تاريخ الكيمياء

الكيمياء هي إحدى العلوم الطبيعية التي عرفها الإنسان ومارسها منذ وقت بعيد لا تعرف له بداية، وقد ارتبط هذا الفن منذ الحضارات القديمة بالمعادن والتعدين وصناعة الألوان والطب والدواء وبعض الصناعات الفنية كدبغ الجلود وصبغ القماش وصناعة الزجاج، وحتى طبخ الطعام قد يصاحبه تغيرات كيميائية معينة مثل نبات الكاسافا الذي زرعه الأميرنديون في فنزويلا منذ آلاف السنين قبل الميلاد، وتحتوي جذور هذا النبات على حمض الهيدروسيانيك القاتل، وقد عرف الهنود الأمريكيون القدامى هذه المادة السامة وقاموا بالتخلص منها بالتسخين الذي يحول هذا الحمض إلى مواد غير سامة. واستخدم الإنسان منذ أكثر من ثلاثة آلاف سنة قبل الميلاد محلول الشب وبعض الصبغات المحضرة من العفص ولحاء بعض ثمار الأشجار وأوراق نبات السماق في تلوين الجلود والقماش. وما زال استخدام الصبغة المحضرة من أوراق وثمار نبات السماق موجوداً حتى اليوم للغرض نفسه في شمال العراق والشام وتركيا وغيرها. وقد نشأت الكيمياء كغيرها من العلوم في أروقة المعابد، وكانت من الفنون الخاصة جداً، وكانت حكراً على طائفة دون غيرها هم الكهنة.

مساهمة العرب في تطوير الكيمياء

عندما فتح العرب مصر سنة (642م) ولا ريب أن أولئك الفاتحين أسهموا بقدرٍ موفور في تطوير الكيمياء، حيث يعتبرون أول من اشتغل بالكيمياء كعلم له قواعده وقوانينه، وذلك منذ القرن الثاني الهجري، وطبقوا إنتاجهم في الصيدلية بصفة خاصة. وما زال الالتحام بين شتى المفاهيم لعلوم الكيمياء القديمة ينم عن اللفظ العربي نفسه مثل (ألـ وخيمياء) وهو الشكل الإغريقي الذي يطلق على مصر. كذلك أصل كلمة كحول وهو عربي بمعنى غول وغرّبت هذه الكلمة أو حولت على اللغة الغربية بهذه الصفة. قال الله تعالي في سورة الصافات الآية(47): (لا فيها غول ولا هم عنها ينزفون). واستمرت أصول الكيمياء العربية مرجعاً للغرب إبان القرون الوسطى وانتقلت ترجمات أعمالهم إلى أوروبا في القرن الثاني عشر الميلادي والتي اشتهرت بعد أن وصل الفتح العربي إلى الأندلس سنة(711م) يحمل معه المعارف العربية. وفي الجامعات العربية ببرشلونة وطليطلة تعلم طالبوا العلم من جميع أنحاء أوروبا فن الكيمياء.

الكيمياء الحديثة

يرجع تاريخ الكيمياء الحديثة إلى القرن السابع عشر الميلادي بأبحاث (بويل) الذي قسم الأجسام إلى مواد أولية(عناصر ومركبات ومخاليط) وتلت أبحاث (بلاك، ولافوازييه)عن الاحتراق والتأكسد ثم(برتلي) الذي اكتشف الأكسجين في الهواء، ثم(كافندش) الذي اكتشف تكوين الماء ثم (دالتون) الذي وضع النظرية الذرية عن تكون المادة وتعرّف الكيمياء الحديثة بأنها:- علم طبيعي في تكوين المادة والتغييرات التي تحدث فيها تحت تغييرات مختلفة تفقد الجسم مظهره الخاص وصفاته التي يتميز بها، إذ تتبدل مادته بأخرى ذات خواص وصفات جديدة وتوصف مظاهر المواد وسلوكها بالخواص الكيميائية، أي تعرّف بذلك وتبين تلك الخواص الكيميائية إبان التفاعلات بالمعادلات.

أصل الكلمة

تعددت الآراء حول أصل كلمة (كيمياء) ومدلولها، فقد ذكر محمد بن أحمد في مفاتيح العلوم في القرن الرابع للهجرة ، أن كلمة كيمياء مشتقة من الكلمة العربية كمى ومعناها خفى وأستر، لأن هذا العلم كان متداولاً بين طائفة من الناس دون غيرها، بسبب الاعتقاد الذي سيطر على عقول الناس طيلة العصور الوسطى، وهو إمكانية تحويل المعادن البخسة إلى ذهب وفضة، وتحضير إكسير الحياة، ذلك السائل السحري الذي يعيد الصحة والشباب للإنسان، ومن ثم فقد حرص الكيميائيون القدامى على كتمان سر صنعتهم، وكتب بعض الكيميائيين العرب المتأخرىن نسبياً لا سيما بعد القرن الثاني عشر الميلادي معلومات في الكيمياء وتحويل المعادن إلى ذهب وفضة برموز وألغاز وتعمدوا الغموض والإرباك.

وهناك من يعتقد أن أصل كلمة كيمياء مصري وهي كيم أو كمت kemt ومعناها الأرض السوداء وهي تربة وادي النيل، وذلك أن الكيمياء فن مصري قديم، وكانت تعرف آنذاك بسر الكهنة أو الصناعة التحتوية (نسبة إلى تحوت أو تحوتي أو جحوتي) وهو إله الحكمة المصري القديم الذي تقول الأساطير الفرعونية أنه ألف ما بين عشرين ألف إلى ستة وثلاثين ألف مجلد في كل العلوم ومنها الكيمياء وأنه علم الكهنة سر تحويل المعادن البخسة إلى ذهب وفضة، وتحضير إكسير الحياة. وكانا ليونان يعظمون تحوت ويسمونه هرمس أو أطرسمين (عطارد) المثلث العظمة ويسمى تحوت عند العرب إدريس وعند العبرانيين أخنوخ.

ويعتقد اليونانيون أن اسقليبيوس (إله الطب عندهم) قد تعلم على يد هرمس، وقد أخذ اليونانيون فن الكيمياء عن المصريين، وانتقل منهم إلى الرومان فالمسلمين.

وهناك فريق ثالث يرى أن كلمة كيمياء مشتقة من الكلمة الإغريقية خيما Chyma بمعنى التحليل والتفريق، ويرى غيرهم أن لفظة كيمياء قد حورت عن اللفظة العبرية (شامان) وتعني السر أو الغموض.

والمرجح أن لفظة كيمياء عربية، وذلك لأن صناعة الكيمياء في العصور الوسطى كانت تعتمد على الكتمان وتحريم إذاعتها وإفضاء أسرارها لغير أهلها لكون هدفها تحويل المعادن البخسة إلى ذهب وفضة، واكتشاف الإكسير الذي يعيد الصحة والشباب إلى الإنسان، بالإضافة إلى ذلك فقد كانت الكيمياء من المعارف المغلفة بالغموض والكتمان، فقد أورد حاجي خليفة صيغة وصية كيميائي لتلميذه يحذره فيها بكتمان سر هذه الصنعة وعدم إذاعتها، لأن في إذاعتها خراباً للعالم، ويذكر هذا المعنى جابر بن حيان مراراً في رسائله وكتبه، ولهذا نجد أن ابن خلدون يهاجم أهل هذه الصنعة وكتاباتهم المليئة بالألغاز والطلسمات التي يتعذر فهمها.

تعريفات

تغير تعريف الكيمياء عبر العصور بسبب التطور الحاصل في النظريات والاكتشافات التي وسعت من مفهوم هذا العلم، وفيما يلي بعض التعريفات التي استخدمت في كتابات بعض الكيميائيين:

الكمي Alchemy: (330) هو دراسة تركيب الماء والحركة والنمو والتجسّد واستخراج الأرواح من الأجساد. (زوسيموس)

Chymistry (1661): موضوع المواد الأساسية للأجسام المتمازجة. روبرت بويل

Chymistry (1663) : فن علمي يستطيع الفرد من خلاله حل الأجسام، واستخراج المواد المختلفة المكونة لها، وكيفية دمجها مجدداً، ورفعها إلى مستوى أكثر كمالاً. (كلاسر)[

Chemistry (1730) : هو فن حل الأجسام الممتزجة أو المختلطة أو المجموعة إلى أجزاءها الرئيسية، وتركيب هذه الأجسام من هذه المواد. جورج ستال

Chemistry (1837) : هو العلم الذي يهتم بالقوى الجزيئية وتأثيراتها وقوانينها. (دوماس)

Chemistry (1947) : هو علم المواد: بنيتها، خواصها، والتفاعلات التي تحولها إلى مواد أخرى لينوس باولنغ

Chemistry (1998) : هو دراسة المادة والتأثيرات تحصل عليها.

الروابط الكيميائية

الرابطة الكيميائية هي القوة التي تربط الذرات في الجزيء أو في البلورة. في مركبات بسيطة عديدة, نظرية التكافؤ ومبدأ عدد التأكسد يمكن استخدامهما للتنبؤ بالتركيب الجزيئي. وبالمثل, فإن النظريات الفيزياء الكلاسيكية يمكن استخدامها للتنبؤ بتركيب مركبات أيونية عديدة. أما المركبات ذات التركيب المعقد، مثل السبائك المعدنية، فإن نظرية التكافؤ لا تستطيع تفسير تركيبها, وهنا تظهر أهمية استخدام نظريات الميكانيكا الكمية مثل نظرية المدار الجزيئي.

بعض أنواع الروابط الكيميائية:

[list="color: rgb(255, 238, 221); font-family: Arial, Tahoma, Helvetica, FreeSans, sans-serif; font-size: 13.524px; text-align: right; background-color: rgb(68, 21, 0);"]

[*]

رابطة أيونية

[*]

رابطة تساهمية

[*]

رابطة فلزية

[/list]

ورابطة تناسقية والرابطة التناسقية تنساق تحت الرابطة التساهمية تقريبا وتوجد رابطة أخرى وهي الرابطة الهيدروجينية وتتكون عن طريق اتحاد جزيئين بحيث يكون بكل جزئ ذرة هيدروجين وذرة أخرى ذات سالبيه كهربيه عاليه والذي يؤدى إلى وقوع ذرة الهيدروجين بين ذرتين ذات سالبيه كهربيه عاليه عند الاتحاد.

الرابطة الأيونية : تتكون غالباً بين الفلزات واللافلزات حيث تكون :

الفلزات : ذراتها حجمها كبير - جهد تأينها صغير (فيسهل فقد الكترونات المستوى الأخير) فيتكون أيون موجب ليصل لأقرب غاز خامل.

اللافلزات : صغيرة الحجم - ميلها الإلكتروني كبير (فيسهل اكتساب إلكترونات) فتصبح أيون سالب لتصل لأقرب غاز خامل (نبيل).

والربطة الأيونية هي : انجذاب كهربائي بين الأيون الموجب والسالب (وليس لها وجود مادي).

التفاعل

التفاعل الكيميائي هو تحول في التركيب الدقيق للجزيئات. ويمكن أن ينتج التفاعل الكيميائي من مهاجمة جزيئات لجزيئات أخرى لتكوين جزيئات أكبر, أو جزيئات تتفكك لتكوين جزيئين أو أكثر أقل حجما, أو إعادة ترتيب الذرات في نفس الجزيء أو خلال جزيئات أخرى. وتتضمن التفاعلات الكيميائية غالبا تكوين أو تكسير روابط كيميائية

قوانين الكيمياء

تخضع التفاعلات الكيميائية لقوانين محددة، والتي أصبحت مفاهيم أساسية في الكيمياء، وهذه بعض القوانين:

قانون أفوجادرو

قانون بير لامبرت

قانون شارل

قانون فيك للانتشار

قانون جاي لوساك

مبدأ لو شاتيليه

قانون هنري

قانون هس

قانون بقاء الطاقة الذي أدى إلى اكتشاف مفاهيم مهمة مثل التوازن والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية.

قانون بقاء المادة

قانون النسب الثابتة

قانون النسب المتضاعفة

قانون راؤول

وهذه القوانين سيتم شرحها بالتفصيل فى الموسوعة

نظام التسمية في الكيمياء

التسمية ترجع إلى النظام المتبع لتسمية المركبات الكيميائية. يوجد نظام معين لتسمية المواد الكيميائية. المركبات العضوية يتم تسميتها طبقا لنظام تسمية المركبات الكيميائية. المركبات غير العضوية يتم تسميتها طبقا لنظام تسمية المركبات غير العضوية. ويسمى ذلك IUPAC وهي اختصار (بالإنكليزية: International Union of Pure and Applied Chemistry) أي الأتحاد الدولي للكيمياء النظرية والتطبيقية.

هيئات مختصة بالكيمياء

المجتمع الكيميائي الأمريكي.

المجتمع الأمريكي للكيمياء العصبية.

المؤسسة الكندية للكيمياء.

المجتمع الكيميائي في البيرو.

الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية.

المؤسسة الملكية الأسترالية للكيمياء.

المجتمع الملكي الهولندي للكيمياء.

المجتمع الملكي للكيمياء في بريطانيا RSC.

مجتمع التصنيع الكيميائي.

مصلحة الكيمياء، القاهرة.

فروع الكيمياء

تقسم الكيمياء إلى عدة فروع رئيسية ومنها : تنقسم الكيمياء بصفة عامة إلى عدة فروع رئيسية، كما يوجد أيضا تفرعات لهذه الفروع, وموضوعات ذات تخصص أكبر داخل هذه الفروع.

الكيمياء التحليلية

هي تحليل عينات من المادة لمعرفة التركيب الكيميائى لها وكيفية بنائها.

الكيمياء الحيوية

هي دراسة المواد الكيميائية، والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية.

الكيمياء غير العضوية

هي دراسة خواص وتفاعلات المركبات غير العضوية. ولا يوجد هناك حد واضح للتفريق بين الكيمياء العضوية وغير العضوية، كما أن هناك تداخل كبير بينهما, ويكون أهمه في فرع أخر يسمى كيمياء الفلزات العضوية.

كيمياء عضوية

هي دراسة تركيب، وخواص، وتفاعلات المركبات العضوية.

الكيمياء الفيزيائية

هي دراسة الأصل الفيزيائى للتفاعلات والأنظمة الكيميائية. ولمزيد من التحديد فإنها تدرس تغييريات حالات الطاقة في التفاعلات الكيميائية. ومن الفروع التي تهم الكيميائيين المتخصصين في الكيمياء الحرارية، الكيمياء الحركية، كيمياء الكم، الميكانيكا الإحصائية، علم الأطياف.

وفروع الكيمياء سيتم شرحها بالتفصيل فى الموسوعة

طاقة التأين

طاقة التأين لذرة (Ionization Energy IE) هى الطاقة اللازمة لنزع إلكترون منها . وبتعميم أكثر ، تكون طاقة التأين ن هى طاقة نزع الإلكترون ن بعد نزع الإلكترونات ن-1 . وطاقة التأين ذات اهمية كبيرة فى الكيمياء الفيزيائية نظرا لأنها مقياس لمقدار إذعان الذرة لفقد الإلكترونات ، أو بمعنى اخر القوة التى يتم إمساك الإلكترون بها .

القيم والإتجاهات

بصفة عامة ، فإن طاقة التأين تقل خلال المجموعة بالجدول الدوري و تزيد من اليمين لليسار خلال الدورة . كما أن طاقة التأين تتناسب عكسيا بشدة مع نصف القطر الذري . كما أن هناك زيادة كبيرة فى طاقة التأين بعد نفاذ أى مستوى فرعى للمدارات الذرية . وهذا لأنه بعد إنتقال الإلكترونات من مدار معين ، فإن طاقة التأين تتضمن إزالة إلكترون من مدار أقرب للذرة . وتكون الإلكترونات الموجودة فى مدارات قريبة لها قوى جذب كهرستاتيكية أكبر ، وعلى هذا تتطلب طاقة أكبر لتحريكها .

بعض قيم طاقة التأين للدورة الثالثة فى الجدول التالي :

طاقة التأين كيلو جول لكل مول وحدة [th]العنصر[/th][th]الأولى[/th][th]الثانية[/th][th]الثالثة[/th][th]الرابعة[/th][th]الخامسة[/th][th]السادسة[/th][th]السابعة[/th][th]Na[/th][th]Mg[/th][th]Al[/th][th]Si[/th][th]P[/th][th]S[/th][th]Cl[/th][th]Ar[/th]

496	4,560
738	1,450	7,730
577	1,816	2,744	11,600
786	1,577	3,228	4,354	16,100
1,060	1,890	2,905	4,950	6,270	21,200
999	2,260	3,375	4,565	6,950	8,490	11,000
1,256	2,295	3,850	5,160	6,560	9,360	11,000
1,520	2,665	3,945	5,770	7,230	8,780	12,000

التفسير الكهر ستاتيكي

يمكن توقع طاقات التأين بإستخدام تحليل بسيط عن طريق الجهد الكهرستاتيكي ونموذج بور للذرة كالتالي :

بإفتراض إلكترون له طاقة e- ، وأيون له شحنة ne+ ، حيث n هى عدد الألكترونات المفقودة من الأيون . وطبقا لنموذج بور ، حيث سيقوم الإلكترون بالإقتراب والإرتباط بالذرة ، فسوف يكون على بعد نصف قطر a . ويكون الجهد الكهرستاتيكي على مسافة a من نصف القطر الأيوني ، يرجع لنقطة محددة على بعد :

$أساسيات الكيمياء C965f408241b39ef2bf3a7b318ad593d$

وحيث ان الإلكترون له شحنة سالبة ، ومسحوب ناحية الجهد الموجب . ( وقيمة هذا الجهد يسمىجهد التأين ) والطاقة اللازمة له ليقفز ويترك الذرة هى :

$أساسيات الكيمياء Befd9e8f83c9f73f1e7139e206eed0bf$

وهذا التحليل البسيط غير كامل ويترك المسافة a غير معروفة . ويمكن ان يكون اكثر دقة بتحديد هذه المسافة لكل إلكترون فى العناصر الكيميائية ، وعلى هذا تتطابق العلاقة مع التجارب العملية .

التفسير طبقا لميكانيكا الكم

طبقا لنظرية ميكانيكا الكم ذات التعقيد الأكثر ، فإن مكان الإلكترون يتم وصفه كسحابه للأماكن المتوقع وجوده فيها ( بالتحديد مدار إلكتروني ) والتى تتراوح بالقرب والبعد من النواة . ويمكن حساب الطاقة بتكامل هذه السحابة ، ويكون أبسط شكل لأخر طاقة تأين كالتالي :

$أساسيات الكيمياء Ef3c78963b09ea486d5852dd27cad993$

حيث H الهاملتونية (ميكانيكا كم) ، ψ هى المعادلة الموجية للحالة الأرضية ، حيث أن الدالة الذاتية للH لأقل طاقة . وبالوحدات الذرية فإن H تقريبا تكون :

$أساسيات الكيمياء Af9195087e0aa018bd25378051130635$

حيث ان Z هى الشحنة النووية . وبوجود الهماملتونية فإن الطاقة يمكن حسابها بسهولة ، وفى الواقع تكون مساوية للطاقة المعطاة فى نموذج بور ، بالمسافة المحددة a = a0 / Z حيث a0 هى نصف قطر بور .

وبصفة عامة ، فإن حساب طاقة التأين ن تتطلب طرح طاقة النظام Z-n+1 من طاقة النظام Z-n . المعادلة الأولى بالأعلى تمتد لتتكامل مع تناسقات كل إلكترون ، والطاقة الثانية تتطلب كميتان إضافيتان لكل إلكترون ودفع الإلكترون وكمية لكل زوج من الإلكترونات . وحساب هذه الطاقات ليس سهل ، ولكنها موضوع جيد للدراسة ، ويتم بصفة منتظمة فى الكيمياء الحسابية .

ملاحظات مهمة

جهد التأين مساوي لطاقة التأين مقسومة على شحنة الإلكترون .

معادلة الشغل هى الطاقىة اللازمة لنزع إلكترون من المادة الصلبة .

عدد الكتلة

عدد الكتلة (A)، والذي يطلق عليه أيضا عدد الكتلة الذري أو عدد النوكليون أو عدد كتلى هو عدد البروتونات والنيوترونات. عدد الكتلة وحيد لكل نظير من نظائر العنصر ويكتب إما بعد اسم العنصر أو في أعلى يساره بحجم أصغر. فمثلا كربون-12 أو (12C) وهنا يكون الكربون له 6 بروتونات، و6 نيوترونات. كما أن الرمز الكامل للنظير يحتوى العدد الذري (Z) على أسفل يسار اسم العنصر $أساسيات الكيمياء Ed3f7865a47f2a842be6e41396442e14$ . ويعتبر استخدام كل من العدد الذري وعدد الكتلة نادر إلا في حالة الرغبة في معرفة عدد البروتونات في النواة، وغالبا ما يكون في التفاعلات التي تهتم بدراسة الذرة.
الفرق بين عدد الكتلة والعدد الذري (A - Z) يعطى عدد النيوترونات الموجودة في النواة

قوانين الكيمياء

قانون أفوجادرو

قانون أفوجادرو هو قانون من قوانين الغازات سمى باسم العالم الإيطالي أميديو أفوجادرو والذي استنتج القانون في عام 1811.

عمل أميديو أفوجادرو على ايجاد العلاقة بين حجم وكمية معينة من الغاز تحت ضغط ودرجة حرارة ثابتين ومن خلال ابحاثه استنتج الأتي:

"تحتوي احجام متساوية من غازات مختلفة عند نفس درجة الحرارة والضغط على عدد متساو من الجزيئات".

إذن يكون عدد الجزيئات في حجم معين من الغاز مستقلا عن حجم أو كتلة جزيئات الغاز.

كمثال، يحتوي حجمين متساويين لذرتي الهيدروجين والنيتروجين على نفس عدد الجزيئات طالما كان لهم نفس الحرارة والضغط وملاحظة تصرفات الغازات المثالية عليهم.

في التطبيق العملي، يكون القانون تقريبيا فقط، إلا انه يوجد اتفاق على اعتبار هذا التقريب مفيدا.

الصيغة الرياضية للقانون هي:

V/n=K

حيث:

V: حجم الغاز.

n: كمية المادة للغاز.

k: ثابت الغاز.

من أهم نتائج قانون أفوجادرو هي أن ثابت الغازات العام له نفس القيمة لكل الغازات. وبالتالي فإن الثابت يساوي:

p1.v1/T1.n1=P2.V2/T1.n1=constant

حيث:

p: ضغط الغاز.

T: حرارة الغاز

قانون بويل

قانون بويل هو إحدى قوانين الغازات والتي على أساسها تم اشتقاق قانون الغاز المثالي.

قام العالم روبيرت بويل بتثبيت درجة حرارة الغاز (T) وقام بعمل علاقة بين حجم الغاز (V) وضغطه (P)، واكتشف أن هناك علاقة عكسية بين الحجم والضغط.

بمعنى انه إذا زاد الضغط قل الحجم وكلما زاد الحجم قل الضغط وذلك بثبات درجة الحرارة أي أن V=1/P.

"عند درجة حرارة معينة, فإن ضغط كمية معينة من غاز ما يتناسب عكسيا مع حجم تلك الكمية".

يمكن تمثيل ذلك رياضياً بالقانون:

$أساسيات الكيمياء 4ce1d0a5866dcb144f0135df0545ec84$

حيث :

P : ضغط الغاز ويقاس بعدة وحدات منها مم زئبق، ضغط جوي، تور، باسكال، وغيرها.

V : حجم الغاز ويقاس بعدة وحدات منها اللتر ،, سم3، دسم، وغيرها.

كما قام بعمل علاقه أخرى بين حجم الهواء والكثافه واكتشف ان هناك علاقه عكسيه حيث انه كلما زاد حجم الهواء كلما قلت كثافته

قانون شارل

في التحريك الحراري والكيمياء الفيزيائية يعتبر قانون شارل على أنه أحد قوانين الغازات وبشكل خاص الغاز المثالي والذي ينص على مايلي:

عند ضغط ثابت، فإن حجم كتلة معينة من غاز مثالي يزداد أو ينقص بنفس المقدار عند زيادة ونقصان درجة حرارته (كلفن)

ان حجم كمية معينة من الغاز تحت ضغط ثابت تتغير طرديا مع درجة الحرارة

تم نشر هذا القانون من قبل جوزيف لويس غاي-لوساك في العام 1802، ولكنه أشار إلى أعمال غير منشورة تعود إلى جاك شارل من عام 1787.

القانون

قام العالم تشارل بتثبيث ضغط الغاز ودرس العلاقة بين درجة الحرارة وحجم الغاز. واكتشف العالم جاك شارل عام 1787م ان عند ثبات ضغط كتلة معينة من غاز يتناسب حجمها تناسبا طرديا مع درجة حرارتها المطلقة ونستنتج القانون التالي:

V/T=K

حيث أن:

V حجم الغازT درجة حرارة الغاز مقاسة بالكلفنk ثابت

ومنه ينتج أن:

V1.T2=V2.T1

تجربة

ناتي بإناء يحتوي على ماء ذو درجة منخفضة..وكذلك بالونة مطاطية ممتلئة بغاز،عندما نغمس البالونة في الماء ينكمش البالون ولكن لماذا؟ذلك بسبب أن مع انخفاض درجة الحرارة البالون يصغر حجم الغاز وتقترب جزيئاته قرب بعضها البعض..وعند إبعاد البالون يعود إلى حالته الطبيعية

قانون بيرلامبرت

في البصريات، قانون بير-لامبير (بالإنجليزية: Beer–Lambert law) أو قانون بير، أو قانون بير-لامبرت-بوگيه، هو علاقة تجريبية تربط امتصاص الضوء بخصائص المادة التي يعبر الضوء من خلالها.

تم اكتشاف القانون من قبل الفرنسي پيير بوگيه قبل 1729. وغالبا ما يسند القانون إلى يوهان هاينريش لامبرت، الذي استشهد بـ"تجربة بوگيه الضوئية لتدرج الضوء" في كتابه “Photometria” في عام 1760. لاحقا قام أوگست بير بتوسيع قانون الامتصاص الأسي في عام 1852 ليتضمن تركيز المحاليل في معامل الامتصاص

الصياغة

مخطط تمثيلي للامتصاص بحسب بوگيه.

ينص القانون على وجود ارتباط لوغاريتمي بين نفاذية، T، الضوء خلال المادة وحاصل ضرب معامل امتصاص المادة، α، والمسافة التي يقطعها الضوء خلال المادة (طول المسلك)، ℓ. ويمكن لمعامل الامتصاص بدوره أن يكون حاصل ضرب إما الامتصاصية المولية ε، وتركيز c للمواد الماصة في المادة، أو مساحة المقطع العرضي للامتصاص، σ، وكثافة (عدد) N المادة الماصة.

في حالة السوائل تكتب هذه العلاقة بالشكل:

$أساسيات الكيمياء 843dfef05ecc874b07cf0062e22be43f$

بينما تكتب في حالة الغازات، وخصوصًا بين الفيزيائيين من أجل المطيافية والطيفية الضوئية (spectrophotometry)، بالشكل التالي:

$أساسيات الكيمياء 8efa67fd860a06c668f2f807e597799a$

حيث I0 وI هي شدة قدرة الضوء الساقط قبل وبعد عبوره للمادة، بالترتيب.

يعبر عن النفاذية (transmission or transmissivity) بمصطلح الامتصاصية (absorbance) والذي يعرف بالنسبة للسوائل بالشكل:

$أساسيات الكيمياء Fdb8498bb5da67fedfd21c35c723dbac$

بينما يعرّف عادة في الغازات بالشكل:

$أساسيات الكيمياء 9ca42e9b95dad395ec62482b07081134$

هذا يعني أن الامتصاصية تصيح بعلاقة خطية مع التركيز (أو رقم الكثافة للمواد الماصة) بحسب العلاقة:

$أساسيات الكيمياء F3495e185adc5490992b2396616797e1$

و

$أساسيات الكيمياء 97ef57ee7cc129077cdc8fbc615bc5c0$

لكلا الحالتين وبالترتيب.

وهكذا، إذا عرفت المسافة المقطوعة والامتصاصية المولية (أو مساحة مقطع الامتصاص)، وقيست الامتصاصية، يمكن استنتاج تركيز المادة (أو رقم كثافة المواد الماصة).

بالرغم من أن عدة من المعالات السابقة تستخدم كقانون بير لامبرت، إلا أن الاسم يجب أن يخص بالذات المعادلتين الأخيرتين. السبب تاريخي، وذلك لأن قانون لامبرت نص على أن الامتصاص يتناسب مع طول المسلك الضوئي، بينما نص قانون بير على أن الامتصاص يتناسب مع تركيز الجزيئات الماصة في المادة[2].

إذا تم التعبير عن التركيز كجزء مولي، أي بدون واحدة، فتأخذ عندها الامتصاصية المولية ε نفس واحدة معامل الامتصاص، أي مقلوب الطول cm−1. وعلى أية حال، إذا تم التعبير عن التركيز بالمول في واحدة الحجم، تستخدم من أجل الامتصاصية المولية ε واحدة L·mol−1·cm−1، وأحيانًا تحول الواحدة إلى mol−1 cm2.

الاشتقاق

لنفترض بأننا نصف جزيئات بأن لها مساحة مقطع الامتصاص (مساحة)، σ، معامدة لطريق الضوء المسلوك خلال محلول ما، عندها يتم امتصاص فوتون من الضوء إذا اصطدم بإحدى الجزيئات، أو ينفذ إذا لم يصطدم. dz نعرف zكمحور موازي لاتجاه تحرك فوتونات الضوء، وA المساحة، وdz سماكة (على طول المحور z) الشريحة ثلاثية الأبعاد من مسلك الضوء. سنفترض أن dz صغيرة جدًا بحيث أن لا يحجب أي جسيم جسيمًا آخر عند النظر باتجاه المحور z. ويكون تركيز الجسيمات في الشريحة ممثلا بـ N.

إن جزء الفوتونات الممتصة أثناء عبورها من هذه الشريحة يكون مساويًا لمساحة العتامة الكلية للجسيمات في الشريحة σAN dz، مقسومة على مساحة الشريحة A، فينتج σN dz. إذا كتبنا عدد الفوتونات الممتصة في الشريحة dIz، والعدد الكلي للفوتونات الساقطة على الشريحة Iz، تعطى عندها كمية الفوتونات الممتصة في الشريحة بالصيغة:

$أساسيات الكيمياء D85d49eb4ad466048cd23812b273e74d$

يمكن الحصول على حل هذه المعادلة التفاضلية البسيطة بمكاملة الطرفين للحصول على Iz كتابع لـ z:

$أساسيات الكيمياء 6c7aacd4e437b0dc35fc6f512e604298$

اختلاف الشدة في الشريحة من أجل السماكة الحقيقية ℓ هو I0 عند z = 0، وI1 عند z = ℓ. باستخدام المعادلة السابقة، يكتب الفرق في الشدة كما يلي:

$أساسيات الكيمياء 989972fa66a13d450514e62b6cad3c67$

بإعادة ترتيب المعادلة تصبح بالشكل:

$أساسيات الكيمياء 47d22373c476a46c743c6f70f2161dae$

وهذا يعني أن:

$أساسيات الكيمياء 1898f6bd7ab96d5732e053ea044b6cba$

و

$أساسيات الكيمياء Dacc6582dfa939c43ab7fa8d93393123$

من الضروري اعتبار الاخطاء في الافتراض الموجود في هذا الاشتقاق، وخصوصًا بأن كل جسيم ماص يتصرف بشكل منفصل مع الضوء. يحدث الخطأ عندما تتوضع الجسيمات على طول المسلك الضوئي بحيث تصبح الجسيمات مختبئة ومحجوبة بالجسيمات الأخرى. يقترب الافتراض من الصحة فقط في بعض المحاليل الممددة، ويصبح غير دقيق مع زيادة تركيز المحاليل، أو بزيادة طول المسلك الضوئي.

ومن الناحية العملية، فإن دقة الافتراض هو أفضل من دقة معظم القياسات المطيافية حتى قيمة امتصاصية مساوية 1 (أو: I1 / I0 = 0.1) وبتقريب جيد، فقياسات الامتصاصية في هذا المجال تكون على علاقة خطية مع تركيز المواد الماصة في المحلول. عند قيم كبيرة للامتصاصية، ستقل قيمة التركيز المقدرة بسبب تأثير حجب الجزيئات مالم يتم تطبيق عرقة غير خطية بين الامتصاصية والتركيز.

شروط القانون

يوجد على الأقل خمسة شروط يجب توفيرها لنتمكن من تطبيق قانون بير، وهي:

[list="color: rgb(255, 238, 221); font-family: Arial, Tahoma, Helvetica, FreeSans, sans-serif; font-size: 13.524px; text-align: right; background-color: rgb(68, 21, 0);"]

[*]

يجب على المواد الماصة في المحلول أن تكون منفصلة عن بعضها.

[*]

يجب أن يكون وسط الامتصاص موزعا بتجانس في الحجم الكلي ويجب أن لا تبعثر الإشعاع.

[*]

يجب على الإشعاع الساقط أن يتألف من أشعة متوازية، كل منها تقطع نفس المسافة في الوسط الماص.

[*]

يجب على الضوء الساقط أن يكون أحادي اللون، أو أن يكون على الأقل ذو عرض أضيق من الوسط الماص.

[*]

يجب على التدفق الساقط أن لا يؤثر على الذرات أو الجزيئات، يجب أن يكون فقط لسبر الجسيمات المدروسة. وبشكل خاص، يجب على الضوء المستخدم أن لا يسبب أو إشباع ضوئي (optical saturation) أو ضخ ضوئي (optical pumping)، لأن هذا سيستنزف الإشعاع وقد يرفع من الإصدار المحفز.

[/list]

إذا أخل بأي من هذه الشروط، سيكون هناك انحراف عن قانون بير

قانون فيك للانتشار

قانون فيك للانتشار (بالإنجليزية: Fick's law of diffusion) وهو عبارة عن قانونين يمثلان انتشار المواد عند غشاء نافذ ويحسبان تدفق الكتل عبر الغشاء، كما ويمثلان الانتشار الذاتي لمادة في محلول أو خليط ما. ويسمى هذان القانونان باسم العالم الألماني أدولف فيك الذي اشتقهما عام 1855.

قانون فيك الأول

يربط هذه القانون بين تدفق الانتشار مادّة في وسط ما وحقل التركيز لهذه المادّة. الفرضية الكامنة في هذا القانون هو أنّ التدفق يكون من المناطق ذات التركيز المرتفع في الحقل إلى المناطق ذات التركيز المنخفض، بمقدار يتناسب مع تدرج التراكيز في الحقل.

قانون فيك الثاني

إذا ما استمرّت عملية الانتشار فترة كافية، أو إذا كانت عملية الانتشار سريعة، فإنّها ستؤدي في نهاية المطاف إلى تغيير حقل التركيز. قانون فيك الثاني يعطي تصورًا لتلك التغييرات التي تطرأ في حقل التركيز نتيجة عملية الانتشار:

قانون جاى - لوساك

قام كل من جاك شارل وجاي لوساك بدراسة العلاقة بين ضغط (P) كمية معينه من الغاز ودرجة حرارتها المطلقة (T) عند ثبوت الحجم أي عند ثبوت (V,n) ولقد توصلا إلى وجود علاقة طردية بينهما سميت قانون الضغط ودرجة الحرارة (قانون گي-لوساك) وقد وُضع عام 1808 .

يبين قانون گي-لوساك أن حجوم الغازات المتفاعلة أو الناتجة من هذا التفاعل تؤلف فيما بينها نسباً عددية بسيطة، على أن تقاس هذه الحجوم في الظروف نفسها من درجة الحرارة والضغط. فعلى سبيل المثال، يتفاعل حجمان من الهيدروجين مع حجم واحد من الأكسجين لتكوين الماء، وعندما يتفاعل حجم واحد من H2 مع حجم واحد من Cl2 ينتج حجمان من غاز كلوريد الهيدروجين HCl ويتفاعل ثلاثة حجوم من الهيدروجين مع حجم واحد من النتروجين لتكوين حجمين من غاز النشادر NH3.[1]

قانون الضغط-درجة الحرارة

وقد بيَّن هذا القانون بكل وضوح أن الغازات تتبع نظاماً خاصاً في اتحادها أو تفككها. ولم يمكن تفسير هذا السلوك إلا بالفرضية التي وضعها الفيزيائي الإيطالي أڤوگادرو Amadeo Avogadro عام 1811 إذ افترض أن حجوماً متساوية (في الظروف نفسها من درجة الحرارة والضغط) تحوي العدد نفسه من الجزيئات، وأن جزيئات العناصر الغازية قد تحوي أكثر من ذرة واحدة. وقد أمكن التأكد من صحة هذه الفرضية بإجراء كثير من التجارب، وتعرف الفرضية اليوم بقانون أڤوگدرو الذي أمكن به تفسير تجارب گي-لوساك .

وبناء على قانون أڤوگادرو فإن المول (الجزيء الغرامي ) mole الواحد من أي غاز يشغل الحجم نفسه في ضغط ودرجة حرارة محددين، وهذا الحجم يساوي 22.4 لتر في الظروف المعيارية من الضغط ودرجة الحرارة (ضغط جوي واحد ودرجة حرارة صفر سلسيوس) ويسمى الحجم المولي (الجزيئي).

عند ثبوت الحجم فإن ضغط كمية معينة من الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارتها المطلقة.

ويعبر عن ذلك رياضيا بالعلاقة:

(عند ثبوت n,V)

$أساسيات الكيمياء 8806d57de4586887856dfc016e38b2e3$

أو

$أساسيات الكيمياء 1c55bf7126dbb88bc38e7264fdd3040a$

حيث:

P هي ضغط الغاز. T هي درجة حرارة الغاز (مقاسة بالكلڤن). k is a constant.

$أساسيات الكيمياء 6c6a35ce4507d81696a7a01125715174$

قانون أمونتون للضغط-درجة الحرارة: قانون الضغط الموصوف أعلاه ينبغي في الواقع أن يـُنسب إلى گيوم أمونتون، الذي في نهاية القرن 17 (بالتحديد بين 1700 و 1702[2][3])، اكتشف أن ضغط كتلة ثابتة من الغاز محفوظ في نفس الحجم، يتناسب طردياً مع درجة الحرارة. وقد اكتشف أمونتون ذلك بينما كان يصنع "ترمومتر هوائي". وتسميته قانون گي-لوساك هو ببساطة خطأ، إذ أن گي-لوساك بحث العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة (أي قانون شارل)، وليس العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة

مبدأ لوشاتيليه

في الكيمياء مبدأ لو شاتيليه الذي يسمى أيضا مبدأ لو شاتيليه-براون Le Chatelier، يستخدم لتعيين تأثير تغيير أحد دالات الحالة مثل تغيير الضغط]] أو تغيير درجة الحرارة علي التوازن الكيميائي. المبدأ يحمل اسمي هنري لوي لو شاتيليه وكارل فرديناند براون الذان اكتشفاه كل على حدة. ويمكن تلخيصه كما يلي:

إذا حدثت تغييرات في التركيز،أو درجة الحرارة، أو الحجم، أو الضغط الجزئي لأحد المواد في نظام كيميائي موجود في حالة توازن كيميائي فعندها سيتغير التوازن الكيميائي في الاتجاه الذى يُحد من تأثير هذا التغيير.

في الكيمياء، يستخدم المبدأ للتحكم في نتيجة التفاعلات العكوسية ، عادة لزيادة نتيجة المعادلة.

مثلا في التفاعل الاتى :

2NO2 ===> N2O4 + heat

برفع درجة الحرارة يثير التفاعل نحو تكوين N2O4.

وهذا ينطبق على التفاعلات االطاردة للحرارة ، فبزيادة درجة الحرارة يسير التفاعل في الاتجاه من اليسار إلى اليمين

قانون هنرى

قانون هنري ( 1803 ) : تتناسب سيولة الغاز في سائل ما وعلى حرارةمعينة مع الضغط الجزئي لهذا الغاز في المرحلة الغازية التي تطفو على السائل المحلول . هذا القانون لا يكون صالحاً إلا تحت ضغوط قليلة.

قانون هس

تعتمد العديد من الحسابات الكيميائية على قانون وضعه العالم الألماني 'هس عام 1840. وينص هذا القانون على أن قيمة حرارة التفاعل (التغير في المحتوى الحراري ، أو التغير في الإنثالبي القياسي لتكوين مركب) لأي تفاعل كيميائي تحت ضغط ثابت يساوي كمية ثابتة سواء تم التفاعل في خطوة واحدة أو عدة خطوات. وهذا يعني أن حرارة التفاعل تعتمد فقط على خواص المواد المتفاعلة والمواد الناتجة من التفاعل ، أي على الحالتين الابتدائية والنهائية للتفاعل ولا تتأثر بالطريق الذي يسلكه التفاعل. وتتضح أهمية هذا القانون في إمكانية حساب حرارة التفاعل وذلك أيضا للتفاعلات التي لايمكن قياسها بطرق تجريبية بسبب حدوثها ببطئ شديد بحيث تتعذر دراستها أو أن تحدث تفاعلات جانبية تنتج موادا غير مرغوب فيها بجانب المواد المطلوبة.

قانون بقاء الطاقة

في الفيزياء ينص قانون بقاء الطاقة على أنه في أي نظام معزول ، الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن يمكن تحويلها من صورة لأخرى.

يمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى مثل طاقة الحركة يمكن أن تتحول إلى طاقة حرارية ، ولكن ليس ممكنا في نظام مغلق معزول أن تخلق طاقة من نفسها أو تفنى. ونقول أن الطاقة تتبع قوانين الانحفاظ.

وقانون انحفاظ الطاقة هو أحد المبادئ الأساسية في جميع العلوم وينص على:

كمية الطاقة الكلية في نظام مغلق لا تتغير.

ونعني "بنظام مغلق" بأنه نظام لا يتبادل طاقة أو معلوماتية أو مادة أو تآثر مع الوسط المحيط

قانون بقاء المادة

قانون حفظ المادة أو قانون حفظ الكتلة أو قانون بقاء المادة أو يعرف باسم قانون (لافوازييه-لومونوسوف) هو قانون ينص على الآتي عند حدوث أي تفاعل كيميائي فان كتل المواد المتفاعلة تساوي كتل المواد الناتجة عن التفاعل كما أن يذكر أن أي كتلة في نظام مغلق ستبقى ثابتة مهما حدث داخل النظام.

صياغة مكافئة أخرى لهذا القانون تنص على أن المادة في نظام مغلق لا يمكن أن تنشأ أو تفنى، إلا أنه يمكن إعادة ترتيبها. أي أن أي عملية كيميائية في نظام مغلق يجب أن تكون فيها كتلة المواد المتفاعلة مساوية لكتلة المواد الناتجة بعد انتهاء العملية.

نظراً للجدل الدائم حول مصطلحي الكتلة والمادة فإن قانون بقاء الكتلة يبقى صحيحاً فقط للتقريب في الفيزياء الكلاسيكية بينما لا يمكن الاعتماد عليه في النسبية وفيزياء الكم في حين يظل قانونا بقاء الطاقة والزخم صحيحين

قانون النسب الثابتة

قانون النسب الثابتة أو التركيب المحدد ويسمى بالانجليزية (Law of composition or Definite proportions)أكمل الفرنسي (بروست)دراسات أنطوان لافوازييه بعد وفاته وتبين له’ أن المركبات تحتوي على نسب ثابتة من العناصر المكونة لها’ ولاتتغير هذه النسب مهما اختلفت طرق تحضير المركب.فمثلا ملح الطعام النقي سواء حصلنا عليه من مياه البحار أو تم تحضيره من تفاعل كميائي’ فإنه يحتوي دائما على 39,3% من كتلته الصوديوم و60,7% من كتلته كلور ومن خلاصة أبحاث متعددة توصل بروست إلى القانون الذي ينص على أنه: يتألف كل مركب كميائي نقي من نسب وزنية ثابتة للعناصر المكونة له مهما اختلفت طرق تحضيره.

قانون النسب المتضاعفة

قانون النسب المتضاعفة هو أحد القوانين الأساسية في قياس اتحادية العناصر واكتشفه الكيميائي الأنكليزي جون دالتون سنة 1803. ينص القانون على أنه عند اتحاد عنصران كيميائيان، وتكوين أكثر من مركب واحد، فإن النسبة بين الكتل المختلفة من أحد العنصرين التي تتحد مع كتلة ثابتة من العنصر الآخر تكون نسبة عددية صحيحة وبسيطة. مثلا يتفاعل الأكسجين الكربون ليشكلا أول أكسيد الكربون (CO) أو ثاني أكسيد الكربون (CO2)، ولكن لا يمكن تشكيل CO1.3.

بالإضافة إلى أنه ينص على أنه إذا شكل العنصران الكيميائيان المتفاعلان أكثر من مركب كيميائي واحد، فإن نسب الكتل للعنصر الثاني إلى الكتلة الثابتة للعنصر الأول ستكون أيضا نسبة عددية صحيحة وبسيطة

ان أول من أوجد قانون النسب المتضاعفة هو العالم الإنجليزي جون دالتون حيث فسرت نظريته (النظرية الذرية)التي أوجدها حوالي عام 1803 قانون النسب المتضاعفة.وبعده جاء العالم جاك لوسك ليطبق النظرية بقانون رياضي عملي.

أمثلة

عند يكوين مركبين مختلفين من نفس العنصرين فان كتلتي أحد العنصرين اللتين تتفاعلان مع كتلة ثابتة من العنصر الاخر تكونان في شكل نسبة عددين بسيطين وصحيحين.

ضغط الغاز / درجة الحراة المطلقة = مقدار ثابت ويمكن كتابة العلاقة بالشكل التالي : p1/T1 = p2/T2.

وبناءً على هذا القانون تكون حجوم الغازات الداخلة في التفاعل والناتجة عنه مرتبطة بنسب مكوّنة من أعداد صحيحة وبسيطة عند نفس الظروف من الضغط ودرجة الحرارة.وفي معادلة الماء مثلا:

O2 + 2H2 = 2H2O. في هذا التفاعل وغيره من التفاعلات نرى أن الغازات تتفاعل بنسب حجمية ثابتة مكوّنة من أعداد صحيحة وصغيرة عند ثبوت الضغط ودرجة الحرارة.

وترتبط الغازات بالنسب الحجمية التالية : حجم واحد من O2 : حجمين من H2 : حجمين من بخار الماء H2O. بمعنى لو تفاعل لترين من غازالأكسجين فإنّه سيتفاعل 4 لترات من غاز الهيدروجين وينتج 4 لترات من بخار الماء.ولو تفاعل 10 لترات من غاز الأكسجين فإنّه سيتفاعل 20 لتر من غاز الهيدروجين وينتج 20 لتر من بخار الماء

قانون راؤول

قانون راؤول (بالإنجليزية: Raoult's law) هو قانون في الكيمياء صاغه العالم فرانسوا ماري راؤول (en). وينص القانون على ان ضغط البخار لسائل مثالي يعتمد على ضغط البخار لكل من مكوناته وأجزائها المولية الموجودة في السائل.

عندما تصل مجزنات السائل حالة التوازن الكيميائي فيمكن صياغة ضغط البخار الكلي p للسائل بالمعادلة

p=p*AXA+P*BXB+....

ويبلغ ضغط بخار كل من مكوناته :

Pi=pi*xi

حيث:

p*i ضغط البخار للمكون النقي،xi الجزء المولي للمكون النقي

نواة الذرة

أساسيات الكيمياء %D8%A7%D9%84%D9%86%D9%88%D8%A7%D8%A9

في الفيزياء والكيمياء، النواة (بالإنجليزية: nucleus)هي جزء من الذرة، وهي الجزء المركزي ويتميز بكتلته الكبيرة نسبيا لباقي الذرة، يوجد في النواة البروتونات والنيوترونات التي تتكون بدورها من الكواركات التي تعد أصغر جزء من المادة وأشدها ارتباطا. وحسب فروض العالم (راذرفورد) تعتبر النواه هي كتله الذرة وذلك لان كتله الإلكترونات التي تدور حولها أصغر من كتلة البروتون نحو 1938 مرة. ولذك فكتلة الإلكترونات مهملة عند تعيين كتله الذرة. شحنة النواه موجبة بعدد البروتونات الموجودة فيها وهي موجبه ونيترونات متعادله وبذلك تكون النواه موجبة الشحنة. تدور الإلكترونات في مدارات حول النواة، ويكون عددها مساويا لعدد البروتونات في النواة، وبذلك تصبح الذرة الكاملة متعادلة الشحنة.

النواة هي المكون الأساسي للذرة حيث نجد ان النواة تتكون من البروتونات وهي موجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة في الشحنة وكذلك يوجد الميزون وهو جسيم صغير جدا كتلته تعادل كتلة الإلكترون ولكن له شحنة موجبة وشحنة سالبة ،وينتج من تحول البروتونات إلى نيوترونات وتكون ميزونات موجبة، وكذلك عند تحول النيوترونات إلى بروتونات وتكون ميزونات سالبة. وداخل النواة هناك قوى كبيرة جدا وهي قوى الترابط النووى وهي أكبر قوى نعرفها بين الجسيمات الأولية ولكن تأثيرها يكون على مسافة صغيرة جدا في حدود قطر النواة.

عند حساب مجموع كتل البروتونات وكتل النيوترونات المنفردة، ومجموع كتلتها مترابطة داخل النواة نجد أنها تكون أكبر من كتلة النواة ذاتها ؛وهذا يعزى إلى أن جزء من الكتلة تحول إلى طاقة تساعد في ربط مكونات النواة وهي طاقة الترابط النووى. ويسمى الفرق بين مجموع كتل البروتونات والنيوترونات منفردة وكتلتها في النواة ب نقص الكتلة. ونقص الكتلة هذا يعادل طاقة الارتباط طبقا لمعادلة أينشتاين لتكافؤ الكتلة والطاقة

بنية نواة الذرة

النواة (نواة الذرة) هي مركز الذرة. تتكون النويات من بروتونات, ونيوترونات. عدد البورتونات في نواة الذرة يطلق عليه العدد الذري, ويحدد أي عنصر له هذه الذرة. فمثلاً النواة التي بها بروتون واحد (أي النواة الوحيدة التي يمكن أن لا يكون بها نيوترونات) من مكونات ذرة الهيدروجين, والتي بها 6 بروتونات, ترجع للعنصر كربون, أو التي بها 8 بروتونات أكسجين. يحدد عدد النيورتونات نظائر العنصر. عدد النيوترونات والبروتونات متناسب, وفى النويات الصغيرة يكونا تقريبا متساويين, بينما يكون في النويات الثقيلة عدد كبير من النيوترونات. والرقمان معا يحددا النيوكليد (أحد أنواع النويات). البروتونات والنيوترونات لهما تقريبا نفس الكتلة, ويكون عدد الكتلة مساويا لمجموعهما معا, والذي يساوي تقريبا الكتلة الذرية. وكتلة الإلكترونات صغيرة بالمقارنة بكتلة النواة.

نصف قطر النوكليون (نيترون أو بروتون) يساوي 1 fm (فيمتو متر = 10−15 m). بينما نصف قطر النواة, والذي يمكن أن يكون تقريبا الجذر التربيعي لعدد الكتلة مضروبا في 1.2 fm, أقل من 0.01% من قطر الذرة. وعلى هذا تكون كثافة النواة أكثر من تريليون (1012) مرة من الذرة ككل. ويكون لواحد مللي متر مكعب من مادة النواة, لو تم ضغطه, كتلة تبلغ 200,000 طن. النجم النيتروني يتكون من مثل هذا التصور.

وبالرغم من أن البروتونات الموجبة الشحنة يحدث بينها وبين بعضها تضاد كهرمغناطيسي, فإن المسافة بين النيوكلونات تكون صغيرة بدرجة كافية لأن يكون التجاذب القوي (والذي تكون أقوى من القوى الكهرمغناطيسية ولكن تقل بشدة مع بعد المسافة) غالب عليها. (وتكون قوى الجاذبية مهملة, لكونها أضعف 1036 من التضاد الكهرمغناطيسي).

كان اكتشاف الإلكترون أول إشارة على أن الذرة لها بناء داخلي. وهذا البناء كان تصوره المبدئي طبقا "لكعك الزبيب" أو سكل بودنج الخوخ, والذي فيه تكون الإلكترونات الصغيرة, السالبة الشحنة مغمورة في كرة كبيرة تحتوى على الشحنات الموجبة. وقد اكتشف إيرنست رذرفورد وماردسون, في عام 1911 عند إجراء تجربتهم الشهيرة تجربة رقاقة الذهب, أن جسيمات ألفا من الراديوم كمصدر كانت تتشتت للخلف عند توجيهها على رقاقة الذهب, والذي أدى إلى تقبل نموذج بور, الشكل الكوكبي الذي تدور فيه الإلكترونات حول النواة بنفس الطريقة التي تدور فيها الكواكب حول الشمس.

يمكن للنويات الثقيلة أن تحتوى على مئات من النيوكلونات (النيوترونات والبروتونات), والذي يعنى أنه ببعض التقريب يمكن معاملتها على أنها ميكانيكا تقليدية، أكثر من كونها ميكانيكا كمية. وفى نموذج القطرة الناتج, تكون النويات لها طاقة ناتجة جزئيا من التوتر السطحي, وجزئيا من التضاد الكهربي للبروتونات. ويستطيع نموذج نقطة السائل إعادة إنتاج ظواهر عديدة للنواة, متضمنة الاتجاه العام لطاقة الترابط بالنسبة إلى عدد الكتلة, وأيضا ظاهرة الانشطار النووي.

أساسيات الكيمياء %D8%A7%D9%84%D9%86%D9%88%D8%A7%D8%A9+%D8%A7%D9%84%D8%B0%D8%B1%D8%A9

وعموما, بالنظر لتركيب هذه الصورة التقليدية, فإن تأثيرات ميكانيكا الكم, والتي يمكن أن توصف باستخدام نموذج الغلاف النووي، تم تطويرها كثيرا بمعرفة ماريا جيوبريت-ماير. النواة التي لها عدد معين من النيوترونات والبروتونات (الرقم السحري 2, 8, 20, 50, 82, 126,......) تكون بالتحديد ثابتة, لأن أغلفتها تكون ممتلئة.

وحيث أن بعض النويات تكون ثابتة أكثر من الأخرى, فإنه يتبع ذلك أن الطاقة يمكن أن تنطلق من التفاعلات النووية. مصدر طاقة الشمس الانصهار النووي, والذي فيه تصطدم نويتين ويتحدا لإنتاج نواة أكبر. العملية العكسية هي الانشطار النووي, والتي تمد المفاعلات النووية بالطاقة. وحيث أن طاقة الترابط لكل نيوكلون هي كحد أقصى للنواة المتوسطة (تقريبا الحديد), فإن الطاقة تنطلق إما باندماج النويات الخفيفة, أو بانشطار النويات الثقيلة.

العناصر حتى الحديد تتكون في النجوم خلال تسلسل مراحل الانشطار, مثل سلسلة تفاعل بروتون-بروتون ،و دورة CNO, وتفاعل ألفا-الثلاثي. وارتقاء العناصر الأثقل يتكون خلال نشوء النجوم. وحيث أن ذروة طاقة الترابط لكل نيوكلون تكون تقريبا حول الحديد, فإن الطاقة تنتج فقط للعمليات الانشطار تحت هذه النقطة. وتكوين النويات الأثقل يتطلب طاقة, وعلى ذلك فإن غمكانية حدويها خلال انفجارات السوبرنوفا, والتي يتم إطلاق كميا هائلة من الطاقة فيها.

التفاعلات النووية تحدث بطريقة طبيعية على الأرض, وفى الواقع هي شائعة الحدوث. وتتضمن إضمحلال ألفا, وإضمحلال بيتا, كما أن النويات الثقيلة مثل اليورانيوم يمكن أن يحدث لها أيضا انشطار. كما أن هناك مثل معروف لانشطار نووي طبيعي, والذي حدث في أوكلو, الجابون, أفريقيا منذ 1.5 مليار سنة.

وكثير من الأبحاث في الفيزياء النووية تتضمن دراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل الدوران وطاقة الإثارة. كما أن النواة يمكن أن يكون لها أشكال غريبة (تشبه كرة قدم أمريكية), أو نسبة نيوترن إلى بروتون عجيبة. ويمكن للتجارب تصنيع مثل هذه النويات باستخدام الاندماج النووي أو تفعاعلات اصتدام النوكليونات باستخدام شعاع أيوني من معجل جسيمات.

الشعاع الذي يكون له طاقة أكبر يمكن أن يستخدم لعمل نواة في درجات الحرارة العالية, وهناك علامات أن هذه التجارب قد انتجت انتقال حالة من حالة النواة العادية إلى حالة جديدة, بلازما كوارك-جلوين, وفيها تمتزج كواركات مع بعضها البعض. وطبقا لنظرية النموذج العياري ترتبط الكواركات في ثلاثيات لتكوين البروتون والنيوترون.

قوى الارتباط

تتشكل قوى الترابط بين مكونات النواة كجزء من التآثر القوي. يربط التآثر القوي الكواركات التي تكوّن البروتونات والنيوترونات. فالقوى النووية التي تربط بين البروتونات والنيوترونات أضعف بكثير من قوة التآثر القوي.

وتعمل القوة النووية حلال مسافات صغيرة بين البروتونات والنيوترونات ولذلك نسمي ذلك الجسيمين في النواة نوكليون. وتتغلب القوة النووية على التنافر بين البروتونات الحادث داخل النواة بتأثير القوة الكهرومغناطيسية فتبقى النواة متماسكة. ونظرا للقصر الشديد لقوة الارتباط النووية فإنها تتخاذل سريعا مع زيادة المسافة (أنظر جهد يوكاوا)، ولذلك تكون النواة الذرية مستقرة إذا لم يتعدى حجمها حجما معينا.

وتعتبر نواة الرصاص-208 هي أثقل نواة مستقرة نعرفها (فهي لا تُبدي تحلل ألفا ولا تحلل بيتا) ويأتي مجموع النوكليونات في نواة الرصاص 208 من مجموع البروتونات 82، والنيوترونات 126. أما الأنوية الأكبر من الرصاص-208 فتكون غير مستقرة وتبدي ظاهرة النشاط الإشعاعي أي تتحلل مصدرة أشعة ألفا أو اشعة بيتا. وكلما زادت كتلة النواة وفاقت الرصاص-208 كلما قصر عمر النصف لها لزيادة بعدها عن حالة الاستقرار. ونجد أن البزموت-209 مستقر بالنسبة إلى تحلل بيتا ولكنه يتحلل تحلل ألفا بعمر النصف فائق الطول، يقدر بعمر الكون.

وقد بدأ العلماء عام 1934 في التفكير في طبيعة قوى الارتباط النووية بعد اكتشافهم للنيوترونات واتضاح أن نواة الذرة تتكون من بروتونات ونيوترونات. فقد اعتقد آنذاك أن قوة الارتباط النووية تنتقل عن طريق جسيم أولي يسمى ميزون (مثلما تترابط الذرات بعضها البعض بواسطة الإلكترونات مكونة جزيئات). ثم تعمق العلماء في البحث وأصبح اعتقادنا منذ عام 1970 بأن تلك الميزونات عبارة عن كواركات وجلوونات تنتقل بين النوكليونات التي هي أصلا مكونة من كواركات وجلوونات. وقد أدى هذا النمودج إلى تفسير قوةالارتباط النووية التي تربط النوكليونات بعضها البعض في النواة الذرية، وما هي إلا جزء من التآثر القوي، أشد قوة نعرفها تعمل على الربط بين الكواركات في النوكليونات

الوزن الذرى أو الكتلة الذرية

الكتلة الذرية من خصائص كلّ نظير لعنصر كيميائي (و تسمى أيضاً الكتلة الذرية النسبية أو الوزن الذري) وهي كتلة ذرة واحدة للنظير معبر عنه بوحدة (وحدة كتل ذرية و.ك.ذ. التي تعادل 1 غرام \ مول) فمثلا الكربون-12 له كتلة ذرية تساوى 12. ولا يوجد أى نظير له كتلة على هيئة عدد صحيح نظرا لتأثير طاقة الترابط.

الكتلة الذرية لنظير تقريبا ما تكون رقم صحيح، ففى معظم الحالات يكون الرقم الأول بعد العلامة العشرية صفر أو 9. ويسمى هذا الرقم عدد الكتلة، وهو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة.

والانحرافات التي توجد بين الكتلة الذرية وعدد الكتلة هي كالتالى : يبدأ الانحراف موجب في الهيدروجين-1، ويصبح سالب عند الوصول إلى الحديد-56، ويزيد مرة أخرى ليكون موجب في النظائر الأثقل، بزيادة العدد الذري. وهذا يتطابق مع الآتى : لانشطار النووى للعناصر الأثقل من الحديد ينتج طاقة، وانشطار أى عنصر أخف من الحديد يحتاج طاقة. والعكس صحيح في تفاعلات الانصهار النووى - الانصهار في العناصر الاخف من الحديد ينتج طاقة، والانصهار في العناصر الأثقل من الحديد يتطلب طاقة.

عند الرجوع لأى عنصر كيميائي معين الكتلة الذرية (والتي يطلق عليها أيضا الكتلة الذرية النسبية، متوسط الكتلة الذرية أو الوزن الذري) وكما موضح بالجدول الدوري فإن الكتلة الذرية الموجودة به هي متوسط الكتلة الذرية لكل النظائر الثابتى للعنصر. وهذا المتوسط تم قياسه بتواجد نظائر العنصر في الطبيعة. وهذه الكتلة الذرية تستخدم في الدراسات الكيميائية الكمية.وغالبا ما يستخدم هذا للتعبير عن الكتلة بالجرامات لمول واحد من العنصر من ذرات العنصر، وغالبا ما يرجع إليها على أنها جرام الكتلة الذري أو الكتلة المولارية.

المصطلح وزن ذري تم استبداله بالكتلة الذرية النسبية في معظم الاستخدامات الحالية. المصطلح الوزن الذري القياسي(يستخدمه IUPAC حاليا) ويرجع لمتوسط الكتلة الذرية النسبية للعنصر.

ويوجد تعريف اخر يطبق على الجزيئات ويسمى الكتلة الجزيئية. ويمكن حساب الكتلة الجزيئية لمركب عن طريق جمع الكتل الذرية للذرات المكونة له مضروبا في نسبة الالعناصر الموجودة في المعادلة الكيميائية. كما يمكن أيضا حساب كتلة المعادلة للمركبات التي لا تكون جزيئات.

يوجد مقارنة مباشرة وقياسات لكتل الذرات والجزيئات مع طيف الكتلة.

يحتوى مول واحد من المادة على الكتلة الذرية أو الجزيئية للمادة معبرا عنها بالجرامات. فمثلا الكتلة الذرية للحديد 55.847، وعلى هذا فإن مول واحد من الحديد له كتلة 55.847 جرام.

تاريخ الكتلة الذرية

قبل الستينات كان يتم التعبير عن نظير الأكسجين-16 على أن له وزن ذري 16، مع العلم بأنه يوجد نسب لكل من أكسجين-17 وأكسجين-18 في الأكسجين العادى، والذي تم استخدامه أيضا لحساب الكتلة الذرية مما أدى لوجود جدولين مختلفين للكتلة الذرية.

ولاحقا استخدم الكيميائين والفيزيائين جدولين مختلفين للكتلة الذرية. استخدم الكيميائين الجدول المبنى على أساس الخليط المكون لنظائر الأكسجين، بينما استخدم الفيزيائيين استخدموا الأكسجين -16. وقد تم توحيد القياس بعد ذلك بناءا على الكربون-12 12C، والذي قابل احتياجات الفيزيائيين على أساس أنه مبنى على نظير واحد نقى، كما أنه كان قريب أيضا من حسابات الكيميائيين

النيوترون

النيوترون (بالإنجليزية: Neutron) جسيم تحت ذري كان يظن في بادئ الأمر أنه جسيم أولي (لا يتكون من جسيمات أصغر) ولكن تبين فيما بعد خطأ هذا الزعم ، كتلته تساوي تقريباً كتلة البروتون، يوجد في أنوية الذرات، كما يمكن أن يوجد خارجها حيث يدعى بالنيوترون الحر. النيوترون الحر غير مستقر له متوسط عمر قدره حوالي 886 ثانية (حوالي 15 دقيقة)، حيث يتحلل بعد هذه الفترة القصيرة إلى بروتون وإلكترون. ولأن النيوترونات غير مشحونة يجعل من الصعب كشفها أو التحكم بها، الأمر الذي أدى لتأخر اكتشافها. فقد اكتشفها عالم الفيزياء حامل جائزة نوبل "جيمس شادويك". والنيوترون مثل البروتون له دوران مغزلي حول نفسه، ولهذا فهو يتأثر بالمجال المغناطيسي.

كما أن النيوتونات الحرة (الإشعاعات النيوترونية) لها قدرتها عالية على النفاذ في المواد. الطريقة الوحيدة لتغيير مسار النيوترون هي بوضع نواة في مساره، حيث يتم تصادم تام المرونة. لكن احتمال اصطدام نيوترون حر متحرك بنواة إحدى الذرات في المادة ضعيف جداً بسبب الفرق الهائل بين حجم النيوترون والنواة، علما ً بأن نواة الذرة أصغر كثيرا جدا من حجم الذرة (أي أن الذرة تحوي فراغاً كبيراً)، مما يعطي النيوترونات قدرة كبيرة على الاختراق.

تستخدم النيوترونات في شطر أنوية اليورانيوم في المفاعلات النووية.وينتج عند انشطار نواة اليورانيوم نيوترونين في المتوسط، تتفاعل هي الأخرى مع نوايا يورانيوم أخرى، بهذا تتزايد النيوترونات وكذلك معدل الانشطار يزداد بما يسمى التفاعل المتسلسل. وفي المفاعل النووي توجد مواد لامتصاص النيوترونات الزائدة بحيث يبقى التفاعل متوازناً، ونستطيع بذلك إنتاج الطاقة عن طريق المفاعلات الذرية أو النووية.

والنيوترونات من ضمن الإشعاعات الضارة للأجسام الحية إذا زادت جرعاتها، وهي تستخدم أحيانا لتعقيم البذور الزراعية.

اكتشاف النيوترون

تاريخ المحاولات طويل وكانت قد بدأت بتوقعات ومحاولة اثبات هذه التوقعات على أسس مختلفة مثل دراسة الخواص المميزة، دراسة اختلاف التصادم، دراسة الطاقة الفائضة الناتجة عنها في شكل حرارة وكثير منها باء بالفشل.

كان رذرفورد قد تنبأ بوجودها عام 1920 وبعدها بعشر سنوات لاحظ الفيزيائيان الألمانيان والتر وهيربرت شيئا غريبا عند إطلاقهما إشعاعات ألفا على مادة البريليوم (عددها الذري 4). انبعثت من البريليوم اشعاعات متعادلة قادرة على اختراق 200 مم من الرصاص في حين أن البروتونات كانت لا تستطيع اختراق 1 مم من الرصاص. افترض الإثنان أن السبب هو إشعاعات من غاما عالية الطاقة.

بعدها جاء دور علماء آخرين لفحص الأشعة عن كثب، حيث وضعوا حاجزا من شمع البارافين مقابل أشعة البريليوم فلاحظوا قدوم بروتونات عالية السرعة من البارافين. كانوا على علم حينها أن اشعاع غاما يفترض بها انتزاع الكترونات من المعادن لذا توقعوا أن نفس الشيء حاصل مع البروتونات في البارافين.

بعدها رفض العالم شادويك هذه الفكرة معللا السبب أن انتزاع بروتونات بسرعات عالية كهذه ينبغي أن تكون له طاقة مقدارها 50 مليون الكترون فولت وبالمقارنة فإن اشعاعات الفا كانت قادرة على إنتاج 14 مليون الكترون فولت تقريبا فقط..

وضع شادويك تجربة أخرى ليوضح ما يحدث أكثر حيث وضع قطعة من البريليوم في غرفة مفرغة مع بعض البولونيوم. أنبعثت اشعاعات الفا من البلونبوم والذي اعترض البريليوم. أثناء الاعتراض انطلقت أشعة متعادلة محيرة. وفي مسار الأشعة وضع شادويك حاجزا آخر وعندما اطدمت به الأشعة، ضربت بذرات منه وأصبحت مشحونة فطارت نحو مجس جسيمات من النوع الغازي (تأين). قام شادويك بقياس التيار الناجم عن عملية التأين هذه وعليه استطاع حساب عدد الذرات وتوقع سرعتها. وبإعادة تجاربه على أهداف مختلفة استطاع الاقتناع والإقناع بأن إشعاعات غاما لاتستطيع تفسير سرعة الذرات وبالتالي فإن الاحتمال الأرجح والمعقول هو جسيمات متعادلة.

بعدها قام شادويك بقياس كتلة هذه الجسيمات ولكن بطريقة غير مباشرة حيث قما بقياس جميع نواتج الاصطدام على البورون بدلا من البريليوم والذي انتج أيضا اشعاعات متعادلة فوضع هدفا حاجزا من الهيدروجين أمام الأشعة وعندما حدث التصادم وتطايرت بروتونات قام شادويك بقياس سرعة هذه البروتونات. بتطبيق قوانين بقاء الطاقة والزخم (كمية التحرك)، استطاع شادويك حساب كتلة جسيم النيوترون ليجد أنها 1.0067 من البروتون.

النظائر و التوافر الطبيعي للنظائر الكيميائية

التوافر الطبيعي مصطلح يشير لانتشار نظائر العناصر الكيميائية في الطبيعة. متوسط وزن (حسب التواجد الطبيعي) الكتلة لهذه النظائر هو الوزن الذري الموجود في الجدول الدوري. ونسبة تواجد العناصر تختلف من كوكب لآخر.

وترجع النسبة المئوية للتوافر الطبيعي إلى نسب التواجد معبرا عنها كنسبة مئوية, والتي توجد بها نظائر العنصر في المصادر الطبيعية

النظائر

نظائر العناصر الكيميائية هي أشكال من العنصر الكيميائي لذرتها نفس العدد الذري Z، ولكنها تختلف في الكتلة الذرية. ولا تختلف الخواص الكيميائية للذرة ونظيرها، أما الخواص الفيزيائية فهي تختلف لكلاهما اختلافا كبيرا. فمثلا إذا نظرنا إلى ذرة الكربون-12 وهي تحتوي على 6 بروتونات و 6 نيوترونات في نواتها فهي مستقرة. أما الكربون-14 فتحتوي نواته على 6 بروتونات و 8 نيوترونات وهو نظير مشع أي ذو نشاط إشعاعي ويتحلل من ذاته عن طريق تحلل بيتا.

عند تطبيق التسمية العلمية فإن النظير (النويدة (Nuclide)) محدد باسم العنصر متبوعا بشرطة ثم عدد النوكلونات (البروتونات والنيوترونات) الموجودة في نواة الذرة (مثال، الهيليوم-3. كربون-12، كربون-14، حديد-57، يورانيوم-238). وعند استخدام الاختصارات فإنه يتم وضع رقم النوكليونات أعلى رمز العنصر (3He, 12C, 14C, 57Fe, 238U)

[عدل] اختلاف الخواص بين النظائر

في الذرة المتعادلة، عدد الإلكترونات يساوى عدد البروتونات. وعلى هذا فإن النظائر المختلفة يكون لها نفس عدد الإلكترونات ونفس الشكل الإلكتروني. ونظرا لأن تصرف الذرة كيميائيا يتم تحديده بالتركيب الإلكتروني، فإن النظائر تقريبا تسلك نفس السلوك الكيميائي. الاستثناء الأساسي أنه نظرا لوجود اختلاف في كتلتها، فإن النظائر الثقيلة تميل لأن تتفاعل بصورة أبطأ من النظائر الأخف لنفس العنصر.(تسمى هذه الظاهرة تأثير حركة النظائر).

ويلاحظ تأثير الكتلة للهيدروجين (1H) بالمقارنة بالديوتريوم (2H), نظرا لأن الديوتريوم له ضعف كتلة الهيدروجين. حيث يحتوي الهيدروجين على 1 بروتون بينما تحتوي نواة الديوتريوم على 1 بروتون و 1 نيوترون. أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم كلما زاد ثقل العنصر.

وبالنسبة إلى جزيئين يختلفان فقط احتواء احدهما على ذرة معينة والأخر يحتوي على نظير تلك الذرة، سيكون لهما تقريبا نفس نفس التركيب الإلكتروني، وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهه. النظم الاهتزازية للجزيء تعتمد على شكل الجزيء (فمثلا جزيئ ثاني أكسيد الكربون شكله مستقيم O-C-O وجزيئ الماء ذو زاوية مقدارها 120 درجة تقريبا H-O-H [مثلث الشكل]) ويعتمد تردد الاهزازات على كتلة الذرات المكونة له وشدة الترابط الكيميائي. وبالتالى فإن هذين النظيرين سيكون لكل منهما نمط اهتزازي مختلف قليلا عن النمط الاهتزازي للآخر، ويظهر ذلك عند تعيين التردد الاهتزازا لكل منهما. حيث أن النمط الاهتزازي يسمح للجزيء امتصاص فوتونا ذو طاقة ملائمة للطاقة الكمومية لاهتزاز بعينة. ويتبع ذلك أن يكون للناظرين خواص ضوئية مختلفة في نطاق الأشعة تحت الحمراء.

خواص نووية

بالرغم من أن النظائر لها تقريبا نفس الخواص الإلكترونية والكيميائية حيث تعتمد هذه الخواص على عدد الإلكترونات في الغلاف الذري، فإن سلوك نواة العنصر ونواة النظير يختلف تماما. تتكون النواة الذرية من بروتونات ونيوترونات مرتبطة معا بقوى نووية قوية. ونظرا لأن البروتونات لها شحنة موجبة، فإنها تتنافر بين بعضها البعض، ولكن قوة التآثر القوي أقوى من قوة التنافر الناشئة عن تماثل الشحنات طبقا لقانون كولوم. وتقوم النيوترونات بتهدئة قوى التنافر بين الشحنات الموجبة، مما يقلل من التنافر الكهرستاتيكي وتساعد على استقرار النواة. وبزيادة عدد البروتونات في النواة تزداد الحاجة لنيوترونات للعمل على تماسك النواة. فمثلا، على الرغم من أن نسبة نيوترون / بروتون في 3He هي 1 / 2، فإن نسبة نيوترون / بروتون في اليورانيوم 238U أكبر وتصل إلى 3 / 2. (تحتوي نواة اليورانيوم على 92 بروتون والباقي نيوترونات == 238 - 92 == 146 نيوترون) (أنظر نموذج القطرة). وفي حالة وجود نيوترونات أقل أو أكثر من حدود معينة، فإن النواة تكون غير مستقرة، وتصبح النواة ذات نشاط إشعاعي وهو وسيلة تتخذها النواة للوصول إلى حالة استقرار.

التواجد في الطبيعة

يمكن لعدة نظائر لنفس العنصر أن تتواجد في الطبيعة فيكون منها النظير المستقر ونظائر غير مستقرة وذلك بحسب عدد النيوترونات والنيزترونات في انويتها. ونسبة تواجد نظائر لعنصر ما طبيعيا يعتمد على خواصه المتعلقة بالتحلل النووي. وتوجد أنوية (نوكليدات) مستقرة للعنصر، وقد توجد أنوية له غير مستقرة لعدد ملاءمة عدد النيوترونات فيها لعدد البروتونات. وبعملية النشاط الإشعاعي الذي يكون عن طريق تحلل ألفا أو تحلل بيتا أو كلاهما والتي تؤديها النواة طبيعيا فهي تحاول الوصول إلى حالة الاستقرار. التحلل النووي هو عملية لتحويل بعض مكونات النواة من بروتونات مثلا إلى نيوترونات لتصبح مستقرة أو تحويل أحد النيوترونات إلى بروتون لتصبح مستقرة، أو كما في تحلل ألفا تطرد النواة الغير مستقرة بروتونين ونيوترونين (أشعة ألفا) وتصبح مستقرة. ويتميز كل النشاط الإشعاعي بما يسمى بعمر النصف.

وبالتوافق مع علم الكون، فإن كل النويدات ما عدا نظائر الهيدروجين والهيليوم نتجت من النجوم والسوبرنوفا. ويكون تواجدها الطبيعي ناتجا من الكميات الناتجة أثناء تلك العمليات الكونية، وأيضا توزيعها في المجرة، ومعدلات إضمحلالها. وبعد الاندماج المبدئي للنظام الشمسي، توزعت النظائر طبقا لكتلها (شاهد أصل النظام الشمسي. يختلف تركيب نظائر العناصر على كل كوكب، مما يجعل من الممكن تحديد أصل النيازك.

تطبيقات النظائر

وكما قال العالمان الفرونكو زينوميك وكادار الفونسو بيراز في مأدبة عشاء في ألمانيا فان هناك كثيرا من التطبيقات التي يتم استخدام الخواص المختلفة للنظائر فيها وكذلك هناك عدة احتمالات فبالتالي هناك عدة نظائر لأي عنصر مهما كان وذلك الاختلاف يكون في عدد النيوترونات.

كما ان هناك تطبيقات أخرى منها استخدامها في مجال علاج امراض السرطان باستخدام النظائر المشعة للقضاء على الخلايا السرطانية

استخدام الخواص النووية

تعتمد كثير من تقنيات المطياف على الخواص النووية المتفردة للنظائر. فمثلا " مطياف الرنين النووي المغناطيسي " NMR " يتم استخدامه فقط للنظائر التي لها قيمة دوران غير صفرية. وأكثر النظائر استخداما مع مطياف رنين نووي مغناطيسي 1H، 2D، 13C، 31P.

مطياف موس باوير يعتمد أيضا على الانتقالات النووية لنظائر معينة مثل 57Fe.

كما أن النيوكليدات الإشعاعية لها استخدامات مهمة. نظرا لأن تطوير كل من القوة النووية والأسلحة النووية تتطلب كميات كبيرة من النظائر. كما أن فصل النظائر تمثل تحدي تقني معقد

النظائر هي عناصر لها نفس عدد البروتونات.

متعادلات النيوترونات هي نيوكليدات لها نفس عدد النيوترونات.
أيسوبار هي النيوكليدات لها نفس عدد الكتلة، أى مجموع البروتونات والنيوترونات.
المتشابهات النووية هي حالات مثارة مختلفة لنفس نوع النيوكليدات. الشكل الانتقالي من أحد النظائر للأخر يصاحبه انبعاث أو امتصاص أشعة جاما، أو عملية التحول الداخلي. (لا يجب الخلط بين ذلك وبين المتشابهات الكيميائية).

النظرية الذرية

حتى نهاية القرن التاسع عشر كانت الذرة تعتبر ككرة صلبة صغيرة. عندما اكتشف طومسون الإلكترون عام 1897. فلقد كان العلماء بعرفون أن التيار الكهربائي لو مر في أنبوبة مفرغة, فيمكن رؤية تيارا نت مادة تتوهج. ولم يكن يعرف لها تفسيرا. فلاحظ طومسون أن التبار المتوهج الغامض يتجه للوح الكهربائي الموجب.فوجد أن التيار المتوعج مكون من جسيمات صغيرة وأجزاء من الذرات تحمل شحنات سالبة سميت بالإلكترونات. وكان ايوجين جولدشتين عام 1886 أن الذرات بها شحنات موجبة. وفي سنة 1999 كانت النظرية الذرية لرزرفوردعندما قال أن الذرة تتكون من قلب مكثف له شخنة موجبة من البروتونات protons حوله طوق من الإلكترونات السالبة تدور حول النواة.وفي سنة 1932اكتشف جيمس كادويك نوعا ثالثا من جسيمات الذرة أطلق عليه نيترونات. Neutrons. وأن النترونات تفقد تنافر البروتونات المتشابهة الشحتة الكهربائية بالنواة المتماسكة. والنترونات حجمها نفس حجم البروتونات بالنواة. والنترونات لاتحمل شحنات كهروبائية ،لأنها متعادلة الشحنات.والذرة متعادلة الشحنة لأن عدد البروتونات الموجبة يعادل عدد الإلكترونات السالبة داخل الذرة. وأصغر ذرة هي ذرة الهيدروجين. ومعظم الفراغ بالذرة فارغ. لأن الإلكترونات تدور في مدارات بعيدة نسبيا من النواة. وكل عنصر من العناصر المختلفة تتميز عن غبرها من العناصر بعدد ثابت من البروتونات ولكل ذرة عتصر ما، وزنها الذري الذي يعين حسب عدد البروتونات وعدد النترونات بنواتها. ويجب أن نعرف أن حجم الذرة ضئيل جدا. فذرة الهيدروجين قطرها (5 x 10–8 mm). فلو وضعنا 20 مليون ذرة هيدروجين, فستشكل جطا طوله واحد ملليمتر. وذرة الهيدروجين تتكون من بروتون واحد والكترون واحد. وذرة الهيليوم بها 2 بروتون يدور حولها 2الكترون. وبصفة عامة نجد أن كل ذرة لها قلب يسمي النواة a nucleus التي تشكل كتلة الذرة تقريبا، إلا أنها تشغل حيزا صغيرا من حجم الذرة نفسها.لأن معظم الذرة فراغ حول النواة. وبالنواة يوجد جسيمات أصغر هي البروتونات protons موجبة الشحنات والنترونات neutrons متعادلة الشحنات. ويدور بالفراغ حول النواة جسيمات خفبفة جدا تسمي الإلكترونات electrons.وكل عنصر بذرته عدد ثابت ومتشابه من البروتونات بالنواة. فعنصر الأكسجين بنواته 8 بروتونات. والنترونات لاتجمل شحنات كهروبائية ز وليس بالضرورة ذرة كل عنصر تحمل عددا ثابتا من البروتونات. فلو ذرات عنصر ما تحمل عددا مختلفا من الروتونات يطلق عليها نظائر مشعة isotopes من العنصر الواحد. والإلكترونات جسبمات سلبية الكهربائية ندور في الفراغ حول النواة. وكتلة الإلكترون تعادل 1/2000 كتلة البروتون أو النيترون. والتفاعل أو الإتحاد بين ذرات العناصر يتم بين ترابط الإلكترونات لتكوين الجزيئات أو المركبات الكيماوية. لهذا نجد العدد الذري لكل ذرة يدل علي عدد البروتونات بنواة ذرة العنصر.فالأكسجين عدده الذري 8. وهذا معناه أن ذرة الأكسجين تتكون من 8 بروتونات والرقم الذري للنحاس 29 وهذا معناه أن ذرة عنصر النحاس نواتها بها29 بروتون. وكتلة الذرة نجدها مجموع عدد البروتونات والنترونات بالنواة. لأن 99,99% من كتلة الذرة في النواة. فأمكن من خلال التعرف علي مكنونات الذرة علي تفسيرات للنماذج المتكررة بالجدول الدوري. فوجد العلماء أن العناصر في مجموعة واحدة من الجدول تمتلك نفس العدد من الإلكترونات الخارجية بمدارات الذرة.وكانت الجسيمات لم تكن قد اكتشفت عندما وضع العلماء الجداول الدورية الأولي. وحديثنا السابق كان حول الذرة المتعادلة الشحنات كهربائيا.لكن في الحقيقة الذرات يمكنها فقدان أو اكتساب الكترونات سالبة. لكن عدد البروتونات لايتغير بالنواة. فلو اكتسبت الذرة الكترونات تصبح الذرة سالبة الشحنة لأن عدد الإلكترونات تزيد علي عدد البروتونات بالنواة..ولو فقدت الذرة الكترونات تصبح الذرة موجبة الشحنة لأن عدد البروتونات بالنواة يزيد علي عدد الإلكترونات. وكل ذرة لها شجنة تسمي ايون an ion فالهيدروجين الموجب الشجنة يسمي ايون الهيدروجين الموجب وتوضع فوق رمزه علامة (+) ويكتب هكذا H+ ولو كان أيون ذرة الهيدروجين سالب الشحنة يكتب هكذا(H-) ولو كانت الذرة متعادلة تكتب بدون علامة(+ أو -) وتكتب الذرة هكذا(H).وفي الحالات الثلاثة للذرة نجد أن العدد الذري والوزن الذري ثابت. وفي النظائر isotopes للعنصر نجد أن عدد البروتونات يتغير حسب نظير العنصر. لهذا نجد أن نظير العنصر يتغير في الوزن الذري الذي هو مجموع عدد البروتونات والنترونات، وليس في العدد الذري الذي هو عدد البروتونات. فالنظير لعنصر نجده ثابتا في العدد الذري ومختلفا في الوزن الذري.فالهيدروجين عدده الذري 1 ووزنه الذري 1 والديتريم Deuterium نظير الهيدروجين نجد عدده الذري 1 ووزنه الذري 2.

نظرية طومسون النووية

افترض طومسون عام 1911 نموذجا نوويا للذرة وأساس هذا النموذج هو أن الذرة تتكون من جسيم صغير وثقيل ذو شحنة موجبة ويسمى النواة ويحتل مركز الذرة وتحتوي نواة الذرة على جميع البروتونات ولذا فان كتلة الذرة هي تعبير عن مجموع كتل البروتونات في نواتها (حيث أن قيمة كتل الاليكترونات صغيرة جدا أي قيم مهملة). كما أن شحنة النواة الموجبة ترجع إلى تمركز البروتونات الموجبة بها. وتتوزع اليكترونات الذرة حول النواة بنفس الطريقة التي تتوزع بها الأجرام السماوية حول الشمس. وبما أن الذرة متعادلة لذا فعدد الاليكترونات السيارة يساوي لعدد البروتونات بالنواة.

دلت دراسات اكس على أن قطر النواة يساوي 15-10متر بينما قطر الذرة يساوي 10-10 متر ولذا فقطر النواة يساوي تقريبا 1000/1 من قطر الذرة. فلو قدرات نواة ذرة الهيدروجين بحجم كرة تنس الطاولة فيمكن أن يبتعد عنها إليكترونها بثلاثة كيلومترات تقريبا. أغلب الفراغ المحيط بنواة الذرة خال من إي شيء سوى الاليكترونات المتناهية في الصغر كما ذكرنا مسبقا وبما أن هذه الاليكترونات تدور حول النواة بسرعة كبيرة جدا لذا فهي تغطي أغلب المساحة الواقعة حول النواة.

تجارب راذرفورد

قام العالم راذرفورد بإجراء بعض من ابرز التجارب للوصول إلى حقائق تركيب الذرة. وقد اعتمد في تجارية على استخدام جسيمات ألفا المنطلقة من مادة مشعة وفي اعتقاده أن المادة المشعة تطلق إشعاعاتها في كافة الاتجاهات وبلا حدود وهي تتكون من جسيمات ألفا (œ-particles) الموجبة الشحنة وجسيمات بيتا (ß-particles) السالبة الشحنة وأشعة جاما (ｙ-rays) المتعادلة الشحنة. ويمكن اعتبار جسيمات ألفا تحمل على أنها ذرات للهليوم فقد منها إليكترونين ولذا فان جسيمات ألفا تحمل شحنتين موجبتين ولها كتلة تساوي أربعة مرات كتلة ذرة الهيدروجين.

لقد سمح راذرفورد لحزمة رقيقة للغاية من جسيمات ألفا من مصدر مشع كعنصر البولونيوم بالمرور في اتجاه صفيحة معدنية رقيقة من الفضة أو الذهب لايتعدي سمكها4X10-7 متر وبعد اختراق تلك الجسيمات الصفيحة المعدنية استقبلها على لوح من كبرتيد الخارصين موضوع خلفها.

ولقد وجد بان معظم الجسيمات قد مرت خلال الصفيحة المعدنية دون أن تعاني أي انحراف ألا أن البعض منها قد انحرف عن مساره وبزوايا قد تصل إلى 90ْ أو أكبر من ذلك والبعض الآخر قد انعكس كليا مما يدل على أنها واجهت شيئا ما ضخما للغاية أي أنة مشحونا بنفس شحنتها.

أن الطريقة الوحيدة التي مكنت راذرفورد من تفسير واقعة مرور معظم الجسيمات بسهولة عبر الرقيقة والانحراف الذي عاناه البعض بزوايا كبيرة للغاية هي الاستنتاج بان :

أولا : عدم انحراف أغلب الجسيمات دليل على وجود فراغ كبير في الذرة.

ثانيا : انحراف بعض جسيمات ألفا انحرافا بسيطا يدل على احتواء الذرة بعض الجسيمات الثقيلة والمشحونة بشحنات موجبة وان جسيمات ألفا تكون قد اقترب منها مما يسبب في تنافر بسيط معها وبالتالي كان سببا في ذلك الانحراف

ثالثا: الانحراف الكبير الذي عانته القلة البسيطة من جسيمات ألفا سببة تمركز الجسيمات الموجبة الشحنة بالذرة في وسطها مما سبب الانحراف الكلى لجسيمات ألفا المارة بمركز النواة.

وشكرا

نظرية دالتون الذرية

يعتبر الإنجليزي جون دالتون أول من أقترح نظرية الذرية للمادة في حوالي عام 1803م. أن مفهوم الذرة (غير قابلة للتجزئة) لم يبدأ مع دالتون ولكن مع علماء الاغريق قبل الميلاد والذين أوضحوا عدم إمكانية تقسيم المادة إلى الابد إلى اجزاء اصغر فاصغر وانه في نهاية المطاف يجب أن تكون هنالك جسيمات غير قابلة للتجزئة. لم تكن هذه الاقتراحات القديمة مبنية على نتائج تجارب علمية وإنما كانت ثمار تفكير عميق. تختلف نظرية دالتون عن ذلك كونها تعتمد على قوانين بقاء الكتلة والنسب الثابتة والتي اشتقت من العديد من الاستنتاجات المباشرة. يمكن التعبير عن النظرية التي اقترحها بالاتي :

1- تتكون المادة من العديد من الجسيمات الغير قابلة للتجزئة تسمى الذرات.

2- تتميز كل ذرات العنصر بنفس الخواص (الحجم، الشكل، الكتلة) والتي تختلف باختلاف العناصر.

3- يحدث التفاعل الكيميائي عند تبديل وضعية الذرات وتحويلها من منظومة لاخري.

لقد أثبتت نظرية دالتون نجاحها من خلال تفسيرها لبعض الحقائق القائمة في ذلك الزمان كما أنها استطاعت أيضا التنبؤ ببعض القوانين الغير مكتشفة :

اولا : تتضمن هذه النظرية قانون حفظ الكتلة حيث ان التفاعل الكيميائى لايفعل شيئا سوى اعادة توزيع الذرات ولم تفقد اي ذرة في هذة المنظومة وبالتالي تظل الكتلة ثابتة عند حدوث التفاعل الكيميائى.

ثانيا : تفسر هذه النظرية قانون النسب الثابتة. افترض ان مادة ما تتكون من عنصرين A و B. وان اي جزيئي من هذه المادة يتكون من ذرة واحدة منA وذرة واحدة من B يعرف الجزيئى بانة مجموعه ذرات مترابطة مع بعضها بقوة تسمح لها بالتصرف أو اعادة التنظيم كجسيم واحد. افترض أيضا ان كتلة الذرة A تكون ضعف كتلة الذرة B وبالتالى فان الذرة A تساهم بضعف الكتلة التي تساهم بها الذرة B في تكوين جزيئى واحد من هذه المادة الامر الذي يعني ان نسبة كتلة الذرة Aالى الذرة B هي 2/1.

اما إذا اخذنا مجموعة كبيرة من جزيئات هذة المادة فاننا نجد دائما ان عدد ذرات Aمتساويا لعدد ذرات B الامر الذي يعني انة بغض النظر عن حجم العينة فاننا دائما نحصل على نسبة كتلة Aالى B تساوي 2/1. بالمثل إذا فاعلنا A مع B لنحصل على هذا الجزيئى فنجد ان اي ذرة من A تتحد مع ذرة واحدة منB اما إذا خلطنا 100 ذرة من A مع 110 ذرة من B فنجد انة قد تبقت 10 ذرات من Bغير متفاعلة بعد اكتمال التفاعل.

ثالثا : لقد تنبأت نظرية دالتون بقانون النسب المتضاعفة الذي يقول : عند تكوين مركبين مختلفين من نفس العنصرين فان كتلتي أحد العنصرين اللتان تتفاعلان مع كتلة ثابتة من العنصر الاخر تكونان في شكل نسبة عددين بسيطين وصحيحين. قد يظهر هذا القانون وكانة أكثر تعقيدا من حقيقتة. دعنا نتحدث عن مركبين يتكونان من عنصري الأكسجين والكربون. إذا وجدنا في احدهما (أول اكسيد الكربون) ان 1.33 جم من الأكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون بينما وجدنا في الاخر (ثاني اكسيد الكربون) ان 2.66 جم من الأكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون فان نسبة كتلتي الأكسجين 2.66جم/1.33جم اللتان تتحدان مع كتلة ثابتة من الكربون 1.00 جم تكون في شكل عددين صحيحين :

تتفق هذه النسبة مع النظرية الذرية حيث ان أول أكسيد الكربون يحتوي على ذرة واحدة كربون تكون متحدة مع ذرة واحدة من الأكسجين بينما نجد ان ثاني اكسيد الكربون يحتوي ذرة كربون واحدة تكون متحدة مع ذرتين من الأكسجين. نسبة لان ثاني اكسيد الكربون ضعف ذرات الأكسجين المتحدة مع ذرة الكربون مثلما لأول أكسيد الكربون فان وزن الأكسجين في جزيئى ثاني اكسيد الكربون يجب أن يكون ضعف وزن الأكسجين في جزيئى أول اكسيد الكربون.

[تحرير] نظرية الكم لبلانك