العناصر والمركبات والمخاليط
الدرس الثاني: العناصر والمركبات والمخاليط
الأهداف
- يصف العلاقة بين العناصر والجدول الدوري.
- يوضح المقصود بكل من الكتلة الذرية والعدد الذري.
- يعرف مفهوم النظير.
- يقارن بين كل من الفلزات واللافلزات وأشباه الفلزات.
- يحدد صفات المركب.
- يقارن بين أنواع مختلفة من المخاليط.
الأهمية
جميع الأجسام مكونة من عناصر محددة في الجدول الدوري، والأطعمة التي نأكلها والمواد التي نستخدمها إما مخاليط أو مركبات.
مراجعة المفردات
| المفردة | معناها |
| ----------------- | ------------------------------------------------ |
| الصيغة الكيميائية | تبين العناصر وعدد الذرات التي يتكون منها المركب. |
| الكتلة | مقدار ما يحتويه الجسم من مادة. |
المفردات الجديدة
العنصر، العدد الذري، النظائر، العدد الكتلي، الكتلة الذرية، الفلز، اللافلز، أشباه الفلزات، المركب، المخلوط، المخلوط المتجانس، المخلوط غير المتجانس.
العناصر
هل فكرت في جهاز التلفاز؟ ومم يتركب؟ التلفاز جهاز شائع وله نظام معقد، وهو مصنوع من الزجاج والبلاستيك غالبًا، والشاشة مصنوعة من الزجاج، والعديد من أجزائه الموصلة للكهرباء أسلاك أو مجموعات فلزية. وهناك في داخله مواد أخرى قليلة التوصيل للكهرباء، وهذه الأشياء جميعها تشترك في أنها مصنوعة من مواد أبسط.
نوع واحد من الذرات
تقسم المواد إلى مجموعات حسب نوع الذرات المكونة لها، ويسمى كل منها عنصرًا.
العنصر مادة تتكون من نوع واحد من الذرات.
عدد العناصر في الجدول الدوري المعروفة حتى الآن 118 عنصرًا، 92 منها موجودة في الطبيعة.
توجد العناصر في صور مختلفة في الطبيعة، فقد تشكل الغازات في الهواء، والمعادن في الصخور، والسوائل مثل الماء. ومن العناصر الموجودة في الطبيعة: الأكسجين والنيتروجين في الهواء، والذهب والفضة والألومنيوم والحديد في الأرض.
وهناك عناصر غير موجودة في الطبيعة، ولكن يتم تحضيرها من قبل العلماء من خلال التفاعلات النووية باستعمال آلات تسمى مسرعات الجسيمات أو الدقائق. وبعض هذه العناصر الصناعية مهمة، ولها استخدامات في مجال الطب، ومنها بطاريات منظم ضربات القلب، وكذلك تستخدم في كواشف الدخان.
الشكل 7
بعض المسرعات لها محيط طوله 27 كم، وهذه التقنية تسمح للدقائق بالتسارع إلى سرعات عالية، وتجعل الدقائق تتصادم بقوة كافية منتجة عناصر صناعية جديدة.
تصورات للجدول الدوري
مرت عملية ترتيب العناصر وتنظيمها في الجدول الدوري بمراحل كثيرة.
في عام 1794م تم وضع أحد أوائل قوائم العناصر ومركباتها من قبل الكيميائي الفرنسي لافوازييه.
استخدم دالتون البريطاني عام 1803م الرموز لتمثيل العناصر، وكذلك وضع كتلًا لها.
رتب أحد الكيميائيين القدامى العناصر والمركبات، واستخدم لها رموزًا فلكية.
رتب مندليف الروسي عام 1869م 63 عنصرًا كانت معروفة في زمنه في مجموعات حسب خصائصها الكيميائية وكتلها الذرية، وترك فراغات لعناصر توقع وجودها ولم تكن مكتشفة بعد.
الجدول الدوري
الجدول الدوري هو مخطط لتنظيم وعرض العناصر، وضعه وطوره علماء الكيمياء.
كل عنصر في الجدول الدوري له رمز كيميائي يتكون من حرف أو حرفين، ويستخدم الرمز لاختصار الوقت والمكان في كتابة اسم العنصر في الجدول الدوري وفي الصيغ الكيميائية.
ترتب العناصر في الجدول الدوري بناءً على خصائصها في صفوف وأعمدة.
| المصطلح | التعريف |
| -------- | ------------------------------- |
| الدورة | الصف الأفقي في الجدول الدوري. |
| المجموعة | العمود الرأسي في الجدول الدوري. |
العناصر الموجودة في دورة واحدة تكون متساوية في عدد مستويات الطاقة. أما الأعمدة في الجدول الدوري فتسمى مجموعات، وتتميز العناصر التي تنتمي إلى المجموعة نفسها بخصائص كيميائية متشابهة؛ بسبب تركيبها، إذ تميل هذه العناصر إلى الاتحاد مع غيرها بطرائق متشابهة.
الشكل 9
صندوق عنصر الكلور في الجدول الدوري يعرض:
| البيان | القيمة |
| ------------- | ------ |
| اسم العنصر | الكلور |
| الرمز | Cl |
| العدد الذري | 17 |
| الكتلة الذرية | 35.453 |
| الحالة | غازية |
تحديد الخصائص
يختلف كل عنصر في الجدول الدوري عن الآخر، وله خصائص مميزة. وهذا الاختلاف ناتج عن اختلاف أعداد جسيمات الذرة في كل عنصر.
عدد البروتونات والنيوترونات
عند البحث عن عنصر الكلور في الجدول الدوري نجد أن رمزه هو Cl. ويوجد أعلى رمز الكلور عدد هو 17، وهذا هو العدد الذري.
العدد الذري يمثل عدد البروتونات في نواة الذرة.
لذلك فإن كل ذرة كلور يوجد في نواتها 17 بروتونًا.
ماذا قرأت؟
ما العدد الذري لكل من:
Ne ، Cs ، U ، Pb ؟
النظائر
يختلف عدد البروتونات من عنصر إلى آخر، أما ذرات العنصر الواحد فلها العدد نفسه من البروتونات.
لكن عدد النيوترونات قد يتغير من ذرة إلى أخرى للعنصر نفسه. فمثلًا بعض ذرات الكلور تحتوي على 18 نيوترونًا، وبعضها الآخر يحتوي على 20 نيوترونًا.
هذان النوعان من ذرات الكلور هما:
كلور-35 وكلور-37، ويسميان نظيري الكلور.
النظائر هي ذرات العنصر نفسه، ولها عدد البروتونات نفسه، ولكنها تختلف في عدد النيوترونات.
الشكل 10
نظائر الهيدروجين الثلاثة:
| النظير | عدد البروتونات | عدد النيوترونات |
| --------- | -------------: | --------------: |
| بروتيوم | 1 | 0 |
| ديوتيريوم | 1 | 1 |
| تريتيوم | 1 | 2 |
العدد الكتلي
يسمى مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في نواة الذرة بالعدد الكتلي.
معادلة العدد الكتلي
العدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات
فالعددان 35 و37 في ذرتي الكلور هما عددان كتليان.
ولذرة الهيدروجين ثلاثة نظائر بأعداد كتلية مختلفة هي: 1، 2، 3. وكل ذرة هيدروجين لها بروتون واحد فقط، ولكن عدد النيوترونات فيها يختلف من نظير إلى آخر.
تمثل نظائر العناصر بالرموز، بحيث تشير الأرقام العلوية على يسار الرمز إلى العدد الكتلي لكل نظير، بينما تشير الأرقام السفلية على يسار الرمز إلى الأعداد الذرية.
مثال: نظائر الكربون:
C-12 ، C-13 ، C-14
الكتلة الذرية
متوسط كتل النظائر للعنصر الواحد هو الكتلة الذرية للعنصر.
الوحدة المستخدمة لقياس الكتلة الذرية تسمى وحدة الكتلة الذرية، ورمزها u أو amu، وهي تساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون-12.
ولحساب الكتلة الذرية، يجب الأخذ في الاعتبار كل الكتل الذرية لنظائر العنصر الواحد ونسبة وجود كل نظير في الطبيعة.
مثال الكلور:
| النظير | النسبة في الطبيعة | الكتلة الذرية التقريبية |
| ------- | ----------------: | ----------------------: |
| كلور-35 | 75.8% | 34.97 |
| كلور-37 | 24.2% | 36.97 |
لذلك تكون الكتلة الذرية للكلور تقريبًا 35.45.
الشكل 11
إذا كان لديك 1000 ذرة كلور، فإن 758 ذرة منها تقريبًا كلور-35، وحوالي 242 ذرة كلور-37.
تطبيق الرياضيات: حل المعادلات
عدد النيوترونات
السؤال:
العدد الكتلي لذرة الصوديوم 23، ما عدد النيوترونات في نواة هذه الذرة؟
الحل
| الخطوة | التوضيح |
| ---------- | ------------------------------------------------------------------------------- |
| المعطيات | العدد الكتلي = 23 |
| المطلوب | عدد النيوترونات |
| طريقة الحل | بالبحث في الجدول الدوري نجد أن عدد البروتونات في نواة ذرة الصوديوم 11 بروتونًا. |
نستخدم معادلة العدد الكتلي:
العدد الكتلي = عدد البروتونات + عدد النيوترونات
23 = 11 + عدد النيوترونات
عدد النيوترونات = 23 - 11 = 12 نيوترونًا
التحقق من الحل:
نجمع عدد البروتونات مع عدد النيوترونات، فيكون الناتج هو العدد الكتلي المعطى.
مسائل تدريبية
- عدد النيوترونات في نواة ذرة الباريوم Ba هو 81، فما العدد الكتلي لذرة الباريوم؟
- تحتوي نواة ذرة الألومنيوم Al على 14 نيوترونًا و13 بروتونًا، فما العدد الكتلي لذرة الألومنيوم؟
تصنيف العناصر
تقسم العناصر إلى ثلاثة أنواع رئيسة:
- فلزات.
- أشباه فلزات.
- لافلزات.
وتتشابه عناصر كل نوع في خصائصها.
الفلزات
الفلزات مواد موصلة للحرارة والكهرباء، ولها لمعان فلزي، وجميعها صلبة ما عدا الزئبق، وهو مادة قابلة للطرق والسحب؛ أي يمكن تشكيلها بأشكال مختلفة، منها الأسلاك والصفائح.
معظم عناصر الجدول الدوري فلزات.
الشكل 12
يقوم الحرفي بالنقش على الفلز القابل للطرق للحصول على الشكل المطلوب.
اللافلزات
اللافلزات مواد يكون مظهرها معتمًا غالبًا، وقد تكون صلبة أو سائلة، ولكن معظمها غازية. والصلبة منها هشة قابلة للكسر، وهي مواد ضعيفة التوصيل للحرارة والكهرباء، وليس لها لمعان فلزي.
توجد اللافلزات في جسم الإنسان بنسبة تزيد على 97%، وهي تقع في الجانب الأيمن من الجدول الدوري، ما عدا الهيدروجين.
الشكل 13
يتكون معظم جسم الإنسان من اللافلزات، مثل:
| العنصر | النسبة التقريبية |
| ---------- | ---------------: |
| الأكسجين | 65% |
| الكربون | 18.5% |
| الهيدروجين | 9.5% |
| النيتروجين | 3.2% |
| الكالسيوم | 1.5% |
| عناصر أخرى | 2.3% |
أشباه الفلزات
العناصر التي لها بعض خصائص الفلزات وبعض خصائص اللافلزات تسمى أشباه الفلزات.
تقع أشباه الفلزات بين الفلزات واللافلزات في الجدول الدوري، وجميعها صلبة في درجة حرارة الغرفة.
بعض أشباه الفلزات لامع، والكثير منها موصل للحرارة والكهرباء، ولكن بدرجة أقل من الفلزات.
تستخدم بعض أشباه الفلزات، ومنها السيليكون، في صنع الدوائر الكهربائية في الحاسوب والتلفاز وفي أجهزة إلكترونية أخرى.
ماذا قرأت؟
ما أشباه الفلزات؟
المركبات
تصنف المواد بطرائق عدة تبعًا لتركيبها وسلوكها.
فالعناصر التي تعرفتها من قبل مواد، ومنها شريط الذهب وصفيحة الألومنيوم. وعندما تتحد العناصر المختلفة تتكون مواد أخرى.
تعريف المركبات
المركبات هي المواد التي تنتج من اتحاد عنصرين أو أكثر مع بعض، وتختلف في خواصها عن خواص العناصر المكونة لها.
مثال: الماء مركب صيغته الكيميائية H₂O، ويتكون من عنصري الهيدروجين والأكسجين. وكل منهما غاز عديم اللون، إلا أنهما يتحدان ليكونا مركب الماء، الذي تكون خواصه مختلفة عن خواص أي منهما.
للمركبات خصائص تختلف عن العناصر المكونة لها.
مثال آخر: فوق أكسيد الهيدروجين H₂O₂ يتكون من الهيدروجين والأكسجين، ولكنه يختلف في خصائصه عن الماء. فالماء سائل غير مهيج يستخدم للاستحمام والشرب والطبخ، أما فوق أكسيد الهيدروجين فيستخدم بوصفه محلولًا لتنظيف العدسات اللاصقة، لكنه غير آمن للعين بحالته التي يكون عليها في الزجاجة.
الشكل 14
يدفع المكوك الفضائي نتيجة تفاعل الهيدروجين والأكسجين، الذي ينتج طاقة هائلة ومركب الماء.
الصيغ الكيميائية للمركبات
الصيغة الكيميائية للماء هي H₂O، بينما صيغة فوق أكسيد الهيدروجين هي H₂O₂.
الصيغة الكيميائية تدل على العناصر التي يتكون منها المركب، وعلى عدد ذرات كل عنصر فيها.
العدد الموجود أسفل يمين رمز العنصر يبين عدد الذرات الداخلة في تكوين المركب.
مثال:
| المركب | الصيغة | التفسير |
| -------------------- | ------ | -------------------------- |
| الماء | H₂O | ذرتا هيدروجين وذرة أكسجين |
| فوق أكسيد الهيدروجين | H₂O₂ | ذرتا هيدروجين وذرتا أكسجين |
| ثاني أكسيد الكربون | CO₂ | ذرة كربون وذرتا أكسجين |
إذا دخلت ذرة واحدة من العنصر في المركب فإن الرقم لا يكتب.
يتكون المركب دائمًا من العناصر والنسب نفسها. فالماء مثلًا، مهما اختلف مصدره، يتكون دائمًا من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة.
إذا كان لديك 6 جزيئات ماء H₂O فهذا يعني أنها تحتوي على 12 ذرة هيدروجين و6 ذرات أكسجين، وتكتب 6H₂O، وليس H₁₂O₆.
ماذا قرأت؟
يتكون البروبان، وهو أحد مكونات غاز الطبخ، من ثلاث ذرات كربون وثماني ذرات هيدروجين. اكتب الصيغة الكيميائية للبروبان.
الإجابة: C₃H₈
تجربة: مقارنة المركبات
الخطوات
- احصل على المواد الآتية: سكر، وعطر، وزيت.
- لاحظ ألوان هذه المواد وأشكالها وحالاتها وقوامها.
- أذب مقدار ملعقة من كل منها في كأس تحتوي ماء ساخنًا.
التحليل
- قارن بين الخصائص المختلفة لتلك المواد.
- تتكون المواد الثلاث من عناصر الكربون والهيدروجين والأكسجين لا أكثر. فكيف تستدل على اختلاف خصائصها من صيغها الكيميائية؟
المخاليط
عندما تضع مادتين أو أكثر معًا، ولا تتحدان كيميائيًا لتكونا مادة جديدة، فإنك تحصل على مخلوط.
وعلى خلاف المركبات، يمكن أن تتغير نسب المواد في المخلوط دون أن تتبدل ماهيته.
مثال: إذا وضعت القليل من الرمل في وعاء به ماء، فسوف تحصل على مخلوط الرمل والماء. وإذا أضفت المزيد من أحدهما، فإن المخلوط سيبقى كما هو دون أن تتغير ماهيته.
والهواء مخلوط آخر، فهو مزيج من النيتروجين والأكسجين وغازات أخرى، تختلف نسبها بحسب المكان والزمان. ومهما تغيرت نسب الغازات في الهواء فإنه يبقى هواء.
ودمك مخلوط كذلك، يمكن فصل مكوناته بجهاز خاص.
الشكل 16
طبقات عينة الدم تحتوي على:
| المكون |
| --------------------- |
| بلازما |
| صفائح وخلايا دم بيضاء |
| خلايا دم حمراء |
ماذا قرأت؟
ما العلاقة بين نسب المخاليط وهويتها؟
الإجابة:
يمكن أن تتغير نسب مكونات المخلوط دون أن تتغير هويته.
تطبيق العلوم: ما أفضل طريقة لتحلية مياه المحيط؟
لا يمكنك شرب ماء المحيط؛ لأنه يحتوي على أملاح ومواد عالقة أخرى.
في أماكن عديدة من العالم، حيث يشح الماء، تستخدم طرائق للتخلص من الأملاح والحصول على مياه عذبة. ويستخدم حل المشكلة لاختيار أفضل طريقة لتحلية المياه في منطقة معينة.
طرائق تحلية مياه المحيط
| الطريقة | كمية الماء التي تنتجها وحدة واحدة م³/يوم | احتياجات خاصة | عدد العاملين |
| ----------------- | ---------------------------------------: | --------------------- | ------------ |
| التقطير | 10,000 - 200,000 | طاقة هائلة لغلي الماء | عدد كبير |
| التحليل الكهربائي | 10 - 40,000 | مصدر كهربائي ثابت | شخص أو شخصان |
تحديد المشكلة
يقارن الجدول بين طريقتين للتحلية. في حالة التقطير يلزم تسخين مياه المحيط؛ حيث يغلي الماء ويتجمع بخاره ليتكثف ماءً نقيًا ويبقى الملح. أما في حالة التحليل الكهربائي، فيستعمل تيار كهربائي لسحب دقائق الملح بعيدًا عن الماء.
حل المشكلة
- أي الطريقتين تفضل استعمالها لتحلية الماء لأعداد كبيرة من الناس من حيث توافر الطاقة؟
- أي الطريقتين تختار لتحلية الماء لمنزل واحد فقط؟
فصل المخاليط
يمكن أحيانًا استعمال سائل لفصل مخلوط مكون من مواد صلبة.
مثال: إذا أضفت الماء إلى مخلوط مكون من سكر ورمل، فسوف يذوب السكر فقط في الماء، ثم يفصل الرمل عن السكر والماء بصب المخلوط في مرشح، ثم يسخن المحلول المتبقي لفصل الماء عن السكر.
وفي حالات أخرى، ربما يسهل فصل مخلوط من مواد صلبة باستعمال مناخل أو مرشحات ذات ثقوب متفاوتة السعة؛ إذ يمكن فصل مكونات مخلوط من الكرات الزجاجية والحصى والرمل بهذه الطريقة.
متجانس وغير متجانس
يمكن تصنيف المخاليط على أنها متجانسة أو غير متجانسة.
المخلوط المتجانس
المخلوط المتجانس لا يمكن التمييز بين مكوناته، وتكون جميع أجزائه متماثلة في الخواص.
قد يصعب أحيانًا معرفة أن المخاليط المتجانسة هي فعلًا مخاليط بمجرد الرؤية.
أمثلة:
| مثال | نوعه |
| ------------------------------- | ------------ |
| الشراب المركز من الماء في الشكل | مخلوط متجانس |
| الهواء | مخلوط متجانس |
قد تكون المخاليط المتجانسة صلبة أو سائلة أو غازية.
المخلوط غير المتجانس
المخلوط غير المتجانس يمكن التمييز بين مكوناته، وتكون أجزاؤه غير متماثلة في الخواص.
أمثلة:
| مثال | نوعه |
| ----------- | ---------------- |
| السلطة | مخلوط غير متجانس |
| حساء الخضار | مخلوط غير متجانس |
| طبق البيتزا | مخلوط غير متجانس |
الشكل 17
المخاليط جزء من حياتك اليومية، مثل السلطة وشراب الفاكهة.
الربط مع علم الأحياء
دمك مخلوط يتكون من عناصر ومركبات. يحتوي على خلايا دم بيضاء وحمراء، وماء، وعدد من المواد الذائبة. وتتغير نسب المواد المكونة لدمك يوميًا، إلا أن المخلوط يحافظ على هويته. ويمكن للأطباء أن يفصلوا الدم إلى أجزائه المختلفة لاستعمالها بطرائق شتى.
الخلاصة
العناصر
| الفكرة | التوضيح |
| ---------------- | -------------------------------------------------------------------------------------- |
| العنصر | مادة مكونة من نوع واحد من الذرات. |
| العناصر الصناعية | بالإضافة إلى العناصر الطبيعية، هناك عناصر مصنعة يتم تحضيرها عن طريق التفاعلات النووية. |
| تصنيف العناصر | تصنف العناصر في ثلاث فئات اعتمادًا على خواص فيزيائية محددة. |
الجدول الدوري
| الفكرة | التوضيح |
| --------------- | ----------------------------------------------- |
| الجدول الدوري | يضم جميع العناصر المعروفة ويعرضها بطريقة منظمة. |
| الرمز الكيميائي | لكل عنصر رمز كيميائي. |
المركب
| الفكرة | التوضيح |
| ----------------- | ------------------------------------------------ |
| المركب | يحتوي المركب على أكثر من عنصر مرتبطة معًا. |
| الصيغة الكيميائية | توضح العناصر التي تكون المركب وعدد ذرات كل منها. |
المخاليط
| الفكرة | التوضيح |
| -------------------- | -------------------------------------------------------------------- |
| المخلوط | يحتوي على مواد لا ترتبط معًا كيميائيًا. |
| فصل المخاليط | يمكن فصل المخاليط إلى مكوناتها بطرائق عدة تبعًا لخصائصها الفيزيائية. |
| أنواع المخاليط | تصنف المخاليط إلى متجانسة وغير متجانسة. |
| المخلوط المتجانس | لا يمكن التمييز بين مكوناته، وأجزاؤه جميعها خواصها متماثلة. |
| المخلوط غير المتجانس | يمكن التمييز بين مكوناته، وأجزاؤه غير متماثلة في الخواص. |
اختبر نفسك
- وضح بعض استخدامات الفلزات وفقًا لخواصها.
- وضح الفرق بين العدد الذري والعدد الكتلي.
- عرف النظائر، ووضح بمثال كيف تختلف نظائر عنصر ما بعضها عن بعض.
- صنف: اذكر ثلاثة أمثلة على كل من المركبات والمخاليط، وفسر اختياراتك.
- حدد: يحتوي إناء على مخلوط من الرمل والملح والحصى. كيف يمكن فصل هذه المواد؟
- التفكير الناقد:
- حدد ما إذا كان الغذاء الذي تناولته اليوم في وجبة الفطور مركبًا، أو مخلوطًا متجانسًا، أو مخلوطًا غير متجانس.
- صف كيفية إيجاد العدد الذري لعنصر الأكسجين، ثم وضح ما الذي تستفيده من معرفته.
تطبيق الرياضيات
- معادلة بسيطة: إذا كان العدد الكتلي لذرة البوتاسيوم 39، وعدد النيوترونات في نواة هذه الذرة 20، فما عدد بروتوناتها؟
- معادلة بسيطة: إذا كان في نواة ذرة الفوسفور 15 بروتونًا و15 نيوترونًا، فما العدد الكتلي لهذا النظير؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.