تطور النموذج الذري

  كيف تعامل القدماء مع المادة

1- متى ظهر علم الكيمياء؟

2-لماذا لجأ الناس إلى التعامل مع المادة منذ آلاف السنين ؟

3- إذكر أمثلة على المواد والعمليات التي تعرف عليها الأقدمون ؟

 

ما هو دور العلماء المسلمين في علم الكيمياء ؟

 

•الزيوت الطيارة

•تحضير الكحول والقلي ( هيدروكسيد الصوديوم) والإسفيداج ( كربونات الرصاص القاعدية )

•تحضير حمض الكبريتيك من الشبة , تصنيف السموم وتأثيرها على أجسام الحيوانان ( جابر بن حيان)

•شرح طريقة تحضير الزنجارة (كربونات النحاس القاعدية ) البيروني

•تقدير الوزن النوعي لبعض السوائل ( أبو بكر الرازي )

 

النظرة لماهية المادة في العصور القديمة ؟

ديموقريطس: المادة تتكون من عدد هائل من الدقائق الصغيرة غير القابلة للإنقسام .

 

* أرسطو : المادة تتكون من أربعة مكونات ( الماء والهواء والتراب والنار )

 

نموذج دالتون

نموذج دالتون

ام جون دالتون بتوظيف الدلائل الكيميائية و الفيزيائية المعروفة في زمنه، معتمداً على الحقائق الملموسة، و ملاحظات وصفية، لبناء تصوره عن الذرة.

لقد استند دالتون على قانون حفظ الكتلة، و قانون النسب الثابتة كأساس قامت عليه نظريته المشهورة (1803 - 1808)، و التي تعتمد على الفرضيات الثلاث:

  • يتكون العنصر الكيمائي من دقائق متناهية في صغر حجمها، و غير قابلة للانقسام، تسمى ذرات، لا يمكن خلقها أو إفناؤها أثناء التغير الكيميائي.

تتشابه جميع ذرات العنصر الواحد في الكتلة و الخواص الأخرى، و تختلف عن ذرات العناصر الأخرى.

تتحد ذرات العناصر بنسب عددية ثابتة؛ لتكوين المركبات الكيميائية.

  • كي تكون نظرية دالتون قادرة على توضيح ظواهر عملية جديدة؛ لا بد لها من تحديد كتلة مميزة لذرة كل عنصر، و لأن حجم الذرة صغير جدا، فمن المستحيل قياسها أو فصلها؛ لجأ دالتون إلى فكرة الكتلة الذرية النسبية؛ و ذلك من خلال الاجابة على السؤال التالي: إذا تم الافتراض أن كتلة ذرة واحدة من الهيدروجين تساوي وحدة كتلية واحدة، فكم تكون كتلة ذرة الأكسجين؟
  • فكانت شروط الإجابة عن هذه الأسئلة:
  • إيجاد مركب يحتوي فقط على عنصري الهيدروجين و الأكسجين، و قد اختار دالتون الماء لهذا الغرض.
  • تحديد النسبة بين كتلتي الأكسجين و الهيدروجين في المركب.
  • معرفة الصيغة الكيميائية للمركب، أي: النسبة العددية بين الهيدروجين و الأكسجين.
  • لاحظ التجربة، هذه التجربة لتحديد النسب المئوية للماء؛ حيث يتم تفكيك بخار الماء إلى عنصري الهيدروجين و الأكسجين. فيتم جمع غاز الهيدروجين فوق الماء، أما غاز الأكسجين فقد إتحد مع مسحوق الحديد، مكونا أكسيد الحديد، فتكون الزيادة في كتلة الحديد تساوي كتلة الأكسجين الناتج من تفكك البخار. و بمساواة مجموع كتلتي الهيدروجين و الأكسجين بكتلة البخار الذي تم تفكيكه نحسب كتلة الهيدروجين. أما النسبة المئوية لكل من الأكسجين و الهيدروجين فتحسب كما يأتي:
  • النسبة المئوية للأكسجين في الماء = (كتلة الأكسجين ÷ (كتلة الهيدروجين + كتلة الأكسجين)) × 100%
  • النسبة المئوية للهيدروجين في الماء = (كتلة الهيدروجين ÷ (كتلة الهيدروجين + كتلة الأكسجين)) × 100%
  • وجد دالتون عملياً أن نسبة الأكسجين في الماء تساوي 87%، و أن نسبة الهيدروجين تساوي 13%، و بما أن دالتون كان يعتقد أن نسبة عدد ذرات اليهدروجين إلى عدد ذرات الأكسجين في الماء تساوي 1:1، لذلك استنتج أن نسبة كتلة الأكسجين إلى كتلة الهيدروجين تساوي 1:7.

وحدات التفاعل الكيميائي في نموذج دالتون هي :

  • الألكترونات
  • البروتونات
  • الذرات
  • البروتونات

العبارات التي تمثل نموذج دالتون هي :

  • تتكون المادة من دقائق صغيرة جدا غير قابلة للانقسام تسمى الذرات
  • ذرات العنصر الواحد متماثلة في الخواص و تختلف في خواصها مع ذرات العناصر الأخرى
  • تكون أشعة الكاثود ظلالا للأجسام المعتمة التي توضع في طريقها
  • الذرات هي وحدات التفاعل الكيميائي
  • تتكون المركبات من اتحاد ذرتين أو أكثر و بنسب عددية بسيطة

أختر العبارات الصحيحة والعبارات الخاطئة التي تمثل نموذج دالتون:

  • الذرة عبارة عن كتلة مصمته ذات شحنة متعادلة
  • قام دالتون بتجربة أنبوب التفريغ الكهربائي لأثبات نموذجه
  • يعتبر نموذج دالتون النموذج الصحيح للذرة
  • الذرة في نموذج دالتون غير قابلة للأنقسام

نموذج طومسون

نموذج طومسون

 السيد جون جوزيف طومسون فيزيائي إنجليزي وأستاذ لـ (كافنديش) في الفيزياء في جامعة كامبريدج من عام 1884 )في نهايات القرن التاسع عشر تمحورت جهود (طومسون) حول تطوير نماذج رياضية للعمليات الكيميائية، وتحول الطاقة من حيث المفاهيم الرياضية والنظرية والكهرومغناطيسية. 

بدأ (طومسون) إجراء تجارب باستخدام أنبوب أشعة الكاثود والمعروف باسم أنبوب كروكس. وهو عبارة عن أنبوب زجاجي مغلق بقطبين مفرغ من الهواء. عندما يتم تطبيق الجهد عبر الأقطاب، يتم إنشاء أشعة الكاثود (والتي تأخذ شكل بقعة متوهجة من الغاز ممتدة إلى نهاية الأنبوب.(من خلال التجربة، لاحظ طومسون أن هذه الأشعة يمكن أن تحيد بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية. وخلص من تجربته إلى أنها لا تتكون من الضوء، بل هى مكونة من جسيمات سالبة الشحنة – لاحظ وصفها بالـ (جسيمات)- ومن خلال قياس نسبة الكتلة للشحنة لهذه الجسيمات, اكتشف أنها أصغر حجما بألف مرة وأخف وزنا بـألف وثمانمائة مرة من الهيدروجين.وهذا أثبت بشكل فعال عدم صحة مفهوم أن ذرة الهيدروجين هي أصغر وحدة للمادة،

وذهب طومسون إلى أبعد من ذلك مشيرا إلى أن الذرات يمكنها الانقسام. لشرح الشحنة الكلية للذرة، والتي تتألف من الشحنات الموجبة والسالبة على حد سواء، اقترح طومسون نموذج حيث تم توزيع جسيمات سالبة الشحنة في بحر موحد للشحنة الموجبة.هذه الجسيمات سُميت لاحقا “الإلكترونات”، استنادا إلى الجسيمات النظرية التي تنبأ بها الفيزيائي الأيرلندي (جورج ستوني George Johnstone Stoney) في عام 1874 ومن هنا، وُلد نموذج (فطيرة الخوخ) الذري، وسُمي بهذا الاسم لأنه يُشبه كثيرا الحلوى الإنجليزية التي تتكون من فطيرة الخوخ والزبيب. تم إدخال هذا المفهوم للعالم في طبعة مارس 1904 من المجلة الفلسفية في المملكة المتحدة، لتحصل على شهرة واسعة.المشاكل مع نموذج (فطيرة الخوخ):

للأسف، كشفت التجارب اللاحقة عن عدد من المشاكل العلمية في نموذج فطيرة الخوخ، فهناك مشكلة أن الذرات ككل متعادلة الشحنة فأين الشحنة الإيجابية التي تعادل شحنة الإلكترون ؟!، وهذه المشكلة عرفت باسم “مشكلة طومسون”. بعدها بخمس سنوات، أُثبت هذا النموذج عدم صحته من قبل هانز جيجر Hans Geiger وإرنست مارسدنErnest Marsden، حيث أجريا سلسلة من التجارب باستخدام جسيمات ألفا والرقائق الذهبية.فيما أصبح يعرف باسم “تجربة الرقائق الذهبية”، حيث تم قياس نمط تشتت جسيمات ألفا بواسطة شاشة الفلوريسنت. إ

إذا كان نموذج طومسون صحيح، فإن جسيمات ألفا تمر من خلال التركيب الذري للرقائق دون عوائق. ولكن هذا لم يحدث، فما حدث هو أن معظم جسيمات ألفا مرت بالفعل من الرقائق الذهبية وبعض منها انحرفت في اتجاهات مختلفة, وبعضها ارتدت مرة أخرى إلى حيث جاءت.خلص جيجر ومارسدن أن الجسيمات قد واجهت قوة كهرباء أكبر بكثير من الحد المسموح به وفقا لنموذج طومسون . بما أن جسيمات ألفا هي مجرد نواة الهليوم (التي هي موجبة الشحنة) هذا يعني أن الشحنة الموجبة في الذرة لم تتفرق على نطاق واسع، ولكن تمركزت في حجم صغير. ضافة إلى ذلك، فإن هذه الجسيمات التي لم تنحرف مرت دون عوائق يعني أن هذه المساحات الموجبة فُصلت بواسطة فجوات واسعة من الفضاء الخالي.

بحلول عام 1911، فسر الفيزيائي (إرنست رذرفورد) تجارب جيجر مارسدن ورفض نموذج طومسون للذرة .بدلا من ذلك، اقترح نموذجا حيث تتكون الذرة في معظمها من فراغ، مع كل شحنتها الموجبة متمركزة في مركزها في حجم صغير جدا، التي كانت محاطة بسحابة من الإلكترونات. أصبح يعرف ذلك باسم (نموذج رذرفورد للذرة)تجارب لاحقة أجريت من قبل (أنطونيوس فان دن بروك Antonius Van den Broek ونيلز بور Neils Bohr) أخذت النموذج لأبعد من ذلك. فاقترح فان دن بروك أن العدد الذري للعنصر مشابه جدا لشحنته النووية، واقترح ونيلز بور نموذجا للذرة مشابها للنظام الشمسي، حيث تحتوي النواة على العدد الذري للشحنة موجبة وتحيط بعدد مساو من الإلكترونات في هياكل مدارية, و(يعرف بنموذج بور).

على الرغم من أن (نموذج طومسون) فقد لمصداقيته, وبعد خمس سنوات فقط ، لكن ذلك لا يجعلنا ننكر كونه خطوة حاسمة في تطوير النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات, حيث أكد أن الذرة قابلة للانقسام، وأكد وجود القوى الكهرومغناطيسية داخل الذرة، بل من شأنه أيضا أن يثبت تأثيره الكبير على مجال فيزياء الكم.

كتلة البروتون تساوي .

  • 2000 مرة كتلة الألكترون
  • 200 مرة كتلة الالكترون
  • 20 مرة كتلة الألكترون

أختر العبارات التي تصف خصائص أشعة المهبط:

  • تسير في خطوط مستقيمة
  • الأشعة تتكون من أجسام دقيقة لها كتلة و سرعة ( طاقة حركية ).
  • هذة الدقائق تحمل شحنة سالبة
  • تنحرف أشعة الكاثود نحو القطب السالب
  • لا تتوهج صفيحة من البلاتين عندما تصطدم الأشعة المهبطية به

أختر العبارة التي تمثل مشاهدات طومسون في تجربة أنبوب التفريغ الكهربائي :

  • تكون ظل للأجسام
  • درجة حرارة الأشعة المهبطية عالية
  • تتوهج صفيحة البلاتين
  • تدير عجلة خفيفة
  • تنحرف باتجاه القطب الموجب
  • تتكون الذرة من سحابة من الشحنة السالبة تنغرس فيها الالكترونات الموجبة

الصورة التي تمثل نموذج طومسون للذرة هي :

نموذج رذرفورد

نموذج رذرفورد

كتشف إرنست رذرفورد نواة الذرة عام 1911. هذا ما نقرؤه في الكتب المدرسية والمؤلفات العامة. ولكن ماذا تعني هذه العبارة تحديداً؟الاكتشاف الجغرافي يعني أن شخصًا ما يرى مكانًا لأول مرة. ولكن هل يمكن أن يكون الاكتشاف هو نفسه لعالم غير مرئي؟فنحن مثلًا لا يمكننا أن نرى الذرة. بالتالي فهذا قد يشير بشكل أو بآخر إلى أن اكتشاف النواة كان أمرًا معقدًا بعض الشيء.

إن عدنا إلى بدايات القرن العشرين، نجد أن العلماء وقتها كانوا يعتقدون أن الذرة هي جسم صلب واحد.لكن الأمر تغير بعد أبحاث إرنست راذرفورد.راذرفورد هو فيزيائي نيوزيلندي، كان بمثابة المحطة الفاصلة في مجال الأبحاث الذرية.تركزت أبحاثه على مجالات النشاط الإشعاعي.

وصل راذرفورد إلى مانشستر في صيف عام 1907، قبل شهور من بدء الفصل الدراسي في الجامعة.تسلم راذرفورد في جامعة مانشستر منصبًا خلفًا لآرثر شوستر (1851-1934) الذي تقاعد عن عمر يناهز 56 عامًا.شوستر بنى مركزًا للفيزياء الحديثة، وتعاون مع هانز جايجر (1882-1945) الحاصل على دكتوراه، لما يتمتع به من مهارات تجريبية، وتبوأ مكانة جديدة في الفيزياء الرياضية ليهيء برنامجًا فيزيائيًا متكاملًا.راذرفورد أصبح فردًا من هذا المركز. وتوافد الباحثون إليه بالعشرات.في البداية، كان في ذهن راذرفورد أسئلة كثيرة. عمل راثرفورد مع الفيزيائي بيرترام بولتوود ما بين عاميّ 1909 و1910، كما عمل مع الكيميائي الألماني “أوتو هان” ما بين عاميّ 1907 و1908.راذرفورد كان مهتمًا بدراسة أشعة ألفا وبيتا وغاما، وعلاقتهم باستكشاف الذرة.تضمن فريق راذرفورد في مانشستر كلًا من جايجر و ويليام كاي الذان كانا يعملان مساعدين له في المختبر عام 1894.في العام 1908، تسلم ويليام كاي منصب المسؤول المنظم في المختبر، وتولّى مهمة تنظيم المعدات، ومساعدة راذرفورد في أبحاثه.عمل راذرفورد وجايجر معًا ما بين عاميّ 1907 و1908، في دراسة وقياس جسيمات ألفا.وبعد محاولته الأولى التي باءت بالفشل في حساب جسيمات ألفا (في جامعة ماكجيل)، تمكن راذرفورد بعد سنة بالتعاون مع جايجر (في جامعة مانشستر)، وبالاعتماد على منهجَين من مراقبة جسيمات ألفا.المنهج الأول، هو من خلال الومضات المنبعثة من جسيمات ألفا، على طبقة رقيقة من كبريتيد الزنك. تمكنوا من ملاحظة هذا من خلال المجهر. كما تمكنوا من حساب الومضات في زوايا مختلفة من التبعثر.كما طوّروا إلكتروميتر لتوضيح مسار جُزَيئات ألفا.كان لهذه الآلة أسطوانة معدنية مفرغة، مع سلك في أسفل وسطها. أضاف راذرفورد وجايجر جهدًا كهربائيًا (Voltage)، بين السلك والأسطوانة كافٍ لأن يصدر شرارات. بهذا، تتصادم جسيمات ألفا مع الغازات منتجةً بذلك أيونات الغاز. تتصادم هذه الأيونات مع جزيئات أخرى وتنتج أيونات إضافية، وهكذا.كل جسيم من جسيمات ألفا ينتج شلالًا من الأيونات، يفرّغ الأسطوانة ويبيّن مسار جسيم الألفا.نشر راذرفورد وجايجر مقالات عديدة لاحقًا ما بين عاميّ 1908 و1909، عن هذه الطرق في الدراسة وكيفية عملها.رغم أن راذرفورد شكك بدايةً عام 1906 أن جزيئات ألفا هي ذرات هليوم متجردة من إلكتروناتها، لكنه سعى خلف الدليل. فاختبار واحد لم يكن كافيًا. لذلك، رأى راذرفورد أن الحل يكمن في جهد كهربائي أعلى، ومغناطسيات كهربائية كبيرة، لتحويل جزيئات ألفا. ولكن هذه الطريقة لم يكن مقتدرًا عليها بعد.يُذكر أن راذرفورد أصر في العام 1908 أن هناك حاجة للحقول المغناطيسية والكهربائية القوية، من أجل قياس شحنتا وكتلتا جسيمات ألفا وبيتا.بالتعاون مع توماس رويدز، جمع راثرفورد جزيئات ألفا في أنبوب زجاجي محكم الإغلاق، ضغطهم، ثم مرّر شرارة كهربائية فيهم. بهذا درسا الضوء المنبعث من المطياف ووجدوه مطابقًا لِطَيف الهيليوم. وبعد هذا بشهور، نال راذرفورد جائزة نوبل في الكيمياء، عن دراسته لتفكك العناصر وكيمياء المواد المشعة.نعود إلى خريف 1908، حيث كانت بداية سلسلة الأبحاث.مرّر جايجر إشعاعات ألفا في الذهب والرقائق المعدنية الأخرى، من أجل قياس تبعثر هذه الإشعاعات بالذرات في الرقائق المعدنية.بدأ جايجر بالتعاون مع إرنست مارسدن (طالب الفيزياء البالغ من العمر 19 عامًا وقتها) أبحاثًا من أجل إيجاد العلاقات الرياضية بين ما يُعرف بالتبعثر (تغير في اتجاه حركة الجسيم بسبب تصادمه مع جسيم آخر) وسماكة الرقائق المعدنية، أو عدد الذرات الممرّرة.يتذكر راذرفورد كيف جاءه جايجر سعيدًا بما توصل إليه بحثه، فقد ارتدّت جسيمات ألفا إلى الوراء واعتبر جايجر هذه النتائج من أروع ما توصّل إليه في حياته.في خريف عام 1910، أعاد راذرفورد مارسدن إلى مانشستر من أجل استكمال الأبحاث.أعاد الباحثان تحديد معادلات الانبعاث، ومجالات جسيمات ألفا بواسطة المصادر المشعة، كما أعادا النظر في تحليلاتهما الإحصائية.استقر راذرفورد في أيار/مايو من عام 1911، إلى أنه يوجد في الذرة ًا ذو كثافة عالية تتمركز فيه كتلة الذرة، وهو الجزء الذي انحرف عن مساره.نموذج راذرفورد:الذرة هي مساحة فارغة تقريبًا، مع إلكترونات تدور حول نواة موجبة ثابتة.في العام 1909، في الاختبار الشهير (Gold Foil Experiment) أو (تجربة رقاقة الذهب) الذي قام به جايجر ومارسيديان، تحت إشراف راذرفورد:1: تم وضع صفيحة رقيقة من الذهب بين مصدر ألفا والشاشة (اللوحة المعدنية)2: إطلاق جزيئات ألفا من مصدر ألفا إلى الشاشةأطلق راذرفورد جسيمات موجبة ظانًا منه أنها ستنفذ، لكن على عكس ما توقع (أن تسلك الجزيئات مسارًأ مستقيمًا في ذرات الصفيحة)، معظم الجزيئات عبرت الصفيحة، ولكن البعض منها ارتد، مما يشير إلى شيء موجب يتصادم مع هذه الجزيئات. فإذا كانت الذرات جسيمًا صلبًا واحدًا، عندئذ ستمر جزيئات ألفا من خلال الذرات، وتخرج من الناحية الأخرى. بينما إن كان هناك شيء في مركز الذرة، فإن جسيمات ألفا سترتد إلى الوراء. وهذا ما حدث بالفعل، لأن جسيمات ألفا اصطدمت بالنواة، وهذا ما يثبت أن الذرة تتكون من أجزاء مختلفة.سمّى راذرفورد وزميله جايجر هذا الشيء الموجب في مركز الذرة بالنواة.ومن المعروف أن النواة تتألف من البروتونات والنيوترونات، وحولها حلقات الإلكترونات التي تتغير مواقعها حول النواة بحسب تغير طاقتها. ومجموع كتل البروتونات والنيوترونات في النواة هو كتلة الذرة، أو ما يُعرف بالكتلة الذرية.كمثال، الهيليوم له بروتونَين ونيوترونَين، بالتالي كتلة الهيليوم الذرية تساوي 4.في العام 1911 خرج راذرفورد باستنتاج أن للذرة نواة.في عملية حسابية بسيطة، يتبين لنا أن على الذرة أن تكون مقرًا لحقل كهربائي كثيف لكي ينتج عنها هذا الانحراف الكبير في تصادم واحد.ولكي يتم تأكيد نظرية راذرفورد، كان لا بد لثلاث علاقات كمية من أن تكون صحيحة:أولًا، عدد جسيمات ألفا المبعثرة في زاوية محددة يجب أن يكون متناسبًا مع سماكة الرقائق المعدنية.ثانيًا، يجب أن يكون هذا العدد متناسبًا مع تربيع الشحنة النووية.ثالثًا، يجب أن يكون متناسبًا عكسيًا مع القوة المربعة لسرعة جسيم ألفا.كان راذرفورد مهتمًا باحتمالية أن تكون شحنة المركز سالبة، رغم أن هذه الاحتمالية تبدو غريبة اليوم!فلماذا مال إليها راذرفورد؟أولًا، لم تكن مختلفة كثيرًا عما يُعرف بنموذج طومسون.ثانيًا، بعد أن علم راذرفورد أن لجسيمات ألفا شحنات إيجابية مضاعفة، ظن أن هذا يمكن أن يكون مطابقًا لما تفعله الشمس بالمذنب الذي يمر بقربها.ما استقر إليه راذرفورد هو أن الذرة سواء كانت كروية أو على شكل أسطوانة، وسواء كانت شحنة الذرة المركزية سلبية أو إيجابية، فإن ذلك لن يؤثر على العمليات الحسابية.رأى راذرفورد أن امتصاص جسيمات بيتا يكون مختلفًا ما بين المركز الإيجابي والسلبي. لأن المركز الإيجابي يزيد من سرعة جسيمات ألفا خلال انبعاث العناصر المشعة.في العام 1917، بدأ راذرفورد وويليام كاي في استكشاف مسار جسيمات ألفا، في الهيدروجين والنيتروجين وغازات أخرى. تَبيّن أن جسيمات ألفا تدفع نواة الهيدروجين الأخف إلى الأمام بسرعة كبيرة.عندما مرّر راذرفورد جسيمات ألفا في النيتروجين، ومع أن ذرات النيتروجين أثقل من جسيمات ألفا، لاحظ راذرفورد أن الجسيمات طويلة المدى تتطايرت بالاصطدام.بتطبيق المجال المغناطيسي، لاحظ راثرفورد أن سلوك الجسيمات مشابه لسلوك نوى الهيدروجين، رغم عدم وجود الهيدروجين. استنتج راذرفورد أن ذرات النيتروجين تتفكك عند الاصطدام منتجة بذلك ذرات الهيدروجين.بحث راذرفورد النهائي في مانشستر عام 1919 سلط الضوء على التفكك الصناعي لنواة النيتروجين.

الصورة التي تمثل نموذج رذرفورد للذرة هي :

لاحظ رذرفورد في تجربة صفيحة الذهب ما يلي :( صح ام خطأ)

  • معظم الأشعة تنفذ
  • بعضها ينحرف
  • بعضها يرتد
  • بعضها ينفجر
  • بعضها يذيب الذهب