الـــوزن الـــذري للعناصـــر ومطيـــاف الكتلـــة

يعتبر الوزن الذري ( الكتلة الذرية ) * أحد أكثر المفاهيم الكيميائية أهمية ، وقد تعرف الكيميائيون القدماء على الوزن الذري لكثير من العناصر ولعل دالتون ( معلم الكيمياء الانجليزي وصاحب النظرية الذرية الشهيرة ) هو من أوائل من تكلم عن مفهوم الوزن الذري للعناصر ، وكانت المشكلة حينها كيف يمكن قياس أوزان هذه الجسيمات المتناهية في الصغر ؟ مما جعل العلماء يتجهون إلى محاولة تقدير الأوزان النسبية للعناصر بدلاً من تحديد أوزانها مباشرة . وفعلاً فقد أمكن الحصول على الأوزان الذرية النسبية لبعض العناصر عن طريق تحديد النسب المئوية للعناصر في المركبات .

فعلى سبيل المثال من المعروف أن الماء يتألف من 11.19% هيدروجين و 88.81 % أكسجين وهذا يعني أن ذرات الأكسجين تساهم في تكوين الماء بقدر ما تساهم به ذرات الهيدروجين بمقدار 88.81/11.19 أو ( 7.937 مرة ) فإذا كان هناك ذرة واحدة من الأكسجين لكل ذرة من الهيدروجين في الماء فهذا يعني أن لذرة الأكسجين كتلة أثقل من الهيدروجين بمقدار ( 7.937 مرة ) أما إذا وجدت ذرة من الأكسجين لكل ذرتين من الهيدروجين ( وهذا هو الواقع ) فيكون لذرة الأكسجين كتلة أثقل من الهيدروجين بمقدار ( 15.87 مرة ) .

ولكن المشكلة التي واجهت دالتون وغيره من العلماء الذين اهتموا بهذا الموضوع هي أن ذرات العنصر الواحد غير متماثلة فهناك أكثر من شكل لذرات العنصر الواحد وهذا ما يعرف بالنظائر وظلت هذه الإشكالية قائمة حتى تم اكتشاف النيوترون من قبل جيمس شادويك ولذلك فقد كان متوسط الوزن الذري هو ما يحتاجون إليه .

وعند تهيئة مقياس نسبي للأوزان يتم اختيار عنصر كمرجع قياسي ينسب إليه باقي جميع العناصر وقد اختير الأكسجين لهذا الغرض لسنين عديدة وفي عام 1961 للميلاد اتفق الكيميائيون على اعتبار نظير الكربون المعروف جيداً مرجعاً قياسياً لكتل الذرات وأعطيت له كتلة تساوي 12 وحدة كتلة ذرية ( amu ) وعرفت وحدة الكتلة الذرية وقتها بأنها عبارة عن جزء من اثني عشر جزءاً من كتلة ذرة كربون واحدة .

وعند الأخذ بالاعتبار النسب المئوية لوجود نظائر العنصر الواحد في الطبيعة فقد عدلت الكتلة الذرية للكربون بالقيمة ( 12.011 وحدة كتلة ذرية ) وهذا هو سبب اتخاذ معظم العناصر لكتل ذرية مكونة من أعداد كسرية وليست صحيحة .

وفي عام 1819 م تم التوصل لطريقة أخرى لتحديد الاوزان الذرية للعناصر تعتمد على قانون ديولنج وبيتي الذي ينص على أن حاصل ضرب الوزن الذري لكثير من العناصر الصلبة في السعة الحرارية يساوي تقريباً ( 26 جول / درجة ) .
فبمجرد معرفة السعة الحرارية للعنصر يتم قسمة القيمة 26 على السعة الحرارية فنحصل على الوزن الذري للعنصر .
مثال : السعة الحرارية للفضة تساوي 0.236 جول /درجة/جرام
إذاً تكون الكتلة الذرية للفضة = 26 / 0.236 = 110 تقريباً

أما اليوم فبالامكان تحديد الاوزان الذرية للعناصر بكل سهولة ودقة عن طريق جهاز المطياف الكتلي وهو جهاز يقيس الانحراف المغناطيسي لذرات مشحونة وهو مفيد للغاية لكونه يقوم بتحديد الكتل الفردية للنظائر ووفرتها النسبية في الطبيعة .

وفيما يلي سأحاول بقدر الامكان توضيح الفكرة التقنية لهذا الجهاز وكيفية التعرف على الأوزان الذرية للعناصر من خلاله .

تعتمد فكرة هذا الجهاز الذي يشبه إلى حد كبير الجهاز الذي استخدمه طمسون في قياس نسبة شحنة الالكترون إلى كتلته بقياس نسبة شحنة الجسيمات ( الذرات ) إلى كتلتها حيث يتم قذف الذرات بالالكترونات لتتكون أيوناتها الموجبة ومن ثم تسرع خلال فتحة مستطيلة وتتقوس في مسار دائري بواسطة مجال مغناطيسي والجسيمات المختلفة في قيمة نسبة ( الشحنة إلى الكتلة ) سوف تتبع مسارات مختلفة ومن خلال تحديد هذه النسبة للأيونات الموجبة وبمعلومية قيمة الشحنة يمكن حساب وزنها الذري .

وفيما يلي شرح مبسط لأجزاء الجهاز :

حقن العينه وتسخينها لتحويلها إلى بخار ثم قذفها بالالكترونات لتحويلها إلى أيونات موجبة

إمرار الأيونات من خلال ثقب صغير لتسريعها

تعريض الأيونات الموجبة لحقل مغناطيسي في أنبوب منحني

الجزء الذي يتم تحديد الوزن الذري للعنصر فيه

تسجيل النتائج على شكل خطوط