مقدمة في العدد الكتلي
يعبر العدد الكتلي عن مجموع البروتونات والنيوترونات داخل نواة ذرة العنصر، ويُشار إليه بالرمز (A). يُحسب العدد الكتلي لأي ذرة ككتلة ذرية تقريبية لأقرب عدد صحيح، ويُستخدم العدد الكتلي لتنظيم جدول النظائر (بالإنجليزية: Chart of nuclides). توصل العلماء من خلال الدراسات إلى وجود ذرات تمتاز بنفس العدد الذري ولكن تختلف في العدد الكتلي، مما أطلق عليه اسم النظائر (بالإنجليزية: Isotopes)، مثل: 168O ،178O، و188O. عند توضيح العنصر، يتم كتابة العدد الذري والعدد الكتلي، حيث يظهر العدد الذري في الأسفل إلى يسار الرمز، بينما يُكتب العدد الكتلي في الأعلى إلى يسار الرمز (AZX). على سبيل المثال، يعد النيتروجين ذو عدد كتلي قدره 14 وعدد بروتونات يساوي 7، لذا تتم كتابته بالشكل التالي: (147N).
هناك اختلافات واضحة بين العدد الذري والعدد الكتلي؛ فالعدد الذري (رمزه Z) يمثل عدد البروتونات في الذرة، ويُعتبر عاملاً رئيسياً في تحديد هوية العنصر وخصائصه الكيميائية. نظرًا لأن عدد البروتونات يُساوي عدد الإلكترونات في ذرة متعادلة، فإن عدد البروتونات يبقى ثابتاً للعناصر المختلفة. في حالة تغيير العدد الذري، يتغير العنصر بأكمله. كمثال، تحتوي ذرات الأكسجين على 8 بروتونات، وبالتالي فإن العدد الذري للأكسجين هو 8. إذا حدث تغيير في هذا العدد، فلن تكون الذرة ذرة أكسجين.
كيفية حساب العدد الكتلي
يمكن حساب العدد الكتلي لأي عنصر من خلال المعادلة التالية: العدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات. تجدر الإشارة إلى أنه لا يتم حساب كتلة الإلكترونات كونها صغيرة جداً. كما يمكن حساب عدد النيوترونات من خلال طرح العدد الذري من العدد الكتلي، أي أن: عدد النيوترونات = العدد الكتلي – العدد الذري. وفيما يلي أمثلة توضيحية:
- مثال (1): إذا كان عدد البروتونات في ذرة الهيليوم (He) هو 2، وعدد النيوترونات هو 2، ما هو العدد الكتلي للهيليوم؟
- الحل: العدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات، وبالتالي العدد الكتلي = 2 + 2 = 4.
- مثال (2): ما هو العدد الكتلي لعنصر الليثيوم (Li) إذا كان عدد البروتونات 3 وعدد النيوترونات 4؟
- الحل: العدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات، لذا العدد الكتلي = 3 + 4، وبالتالي العدد الكتلي يساوي 7.
- مثال (3): ما هو عدد النيوترونات في ذرة الكروم (Cr) التي عددها الذري 24 وعددها الكتلي 52؟
- الحل: يمكن حساب عدد النيوترونات من خلال طرح العدد الذري من العدد الكتلي، أي أن عدد النيوترونات = 52 – 24 = 28 نيوتروناً.
- مثال (4): إذا كانت الذرة ذات عدد كتلي 32 وعدد ذري 16، فكم يكون عدد النيوترونات فيها؟
- الحل: نظرًا لأن العدد الذري يساوي عدد البروتونات، والعدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات، إذًا 32 = 16 + عدد النيوترونات، وبالتالي فإنه عدد النيوترونات = 32 – 16 = 16 نيوتروناً.
- مثال (5): إذا كانت الذرة ذات عدد ذري 11 وعدد النيوترونات 12، فما هو العدد الكتلي لها؟
- الحل: بما أن العدد الذري يساوي عدد البروتونات، فإن عدد البروتونات يساوي 11، إذًا العدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات، وبالتالي العدد الكتلي = 11 + 12 = 23.
- مثال (6): ذرة ذات عدد ذري 9 وعدد كتلي 19، فما هو عدد البروتونات وعدد الإلكترونات وعدد النيوترونات فيها؟
- الحل:
- عدد البروتونات هو 9؛ لأن عدد البروتونات يساوي دائماً العدد الذري.
- عدد الإلكترونات هو 9؛ إذ إن عدد البروتونات يساوي عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة.
- عدد النيوترونات هو 10؛ ويتم حساب عدد النيوترونات من خلال طرح العدد الذري من العدد الكتلي، أي أن (عدد البروتونات+ عدد النيوترونات) – (عدد البروتونات) = عدد النيوترونات.
- الحل:
التفريق بين العدد الكتلي والكتلة الذرية
يوجد فرق واضح بين العدد الكتلي والكتلة الذرية؛ حيث أن العدد الكتلي يعبر عن عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواة العنصر، بينما الكتلة الذرية تشير إلى متوسط كتلة الذرة، والذي يستند إلى كتلة البروتونات والنيوترونات لنظائر العنصر المتوفرة في الطبيعة. يكون العدد الكتلي دائماً عدداً صحيحاً كونه يمثل إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات، بينما الكتلة الذرية يمكن أن تكون أعدادًا عشرية تعبر عن الكتلة الدقيقة للذرة. يتم التعبير عن الكتلة الذرية بوحدة الكتلة الذرية (amu)، حيث تمثل وحدة الكتلة الذرية الواحدة 1/12 من كتلة ذرة الكربون-12، 12C. على سبيل المثال، تحتوي ذرة الكربون-12 على 6 نيوترونات، والكتلة الذرية لها تساوي 12 وحدة كتلة ذرية؛ ولا يوجد أي نظير له ذات كتلة على هيئة عدد صحيح باستثناء الكربون-12.
يمكن اعتبار الكتلة الذرية حسابياً مطابقة للعدد الكتلي للعنصر مع وجود اختلافات طفيفة في المنازل العشرية. يعود هذا الاختلاف إلى سببين رئيسيين: أولاً، لا يمكن أن تزن البروتونات والنيوترونات وحدة كتلة ذرية واحدة (amu) حيث إن البروتون يزن 1.0072765 وحدة كتلة ذرية، والنيوترون يزن 1.0086650 وحدة كتلة ذرية. ثانياً، البروتونات والنيوترونات متصلة ببعضها كجزء من النواة، مما يؤدي إلى انخفاض الكتلة الإجمالية للنواة مقارنة بالمجموع الكتلي للبروتونات والنيوترونات. من الجدير بالذكر أن العلماء أطلقوا مصطلح الكتلة الذرية النسبية (بالإنجليزية: Relative Atomic Mass)، والتي يُشار إليها أحيانًا بالوزن الذري (بالإنجليزية: Atomic Weight)؛ وهي متوسط الكتل الذرية لجميع النظائر المختلفة المكونة لعينة من عنصر ما، حيث تختلف الكتل الذرية للنظائر لنفس العنصر.