نظائر عناصر كيميائية

نظائر العناصر الكيميائية هي أشكال من للعنصر الكيميائيذرات لذرتها نفس العدد الذري Z ، ولكنها تختلف في الكتلة الذرية وحدثة نظير ،تعنى نفس المكان ، وذلك لأن جميع النظائر المتنوعة للعنصر تشغل نفس المكان بالجدول الدوري.

الرقم الذري يساوى عدد البروتونات الموجودة في الذرة . وعلى هذا فإن نظائر عنصر محدد تحتوى على نفس عدد البروتونات . والإختلافقد يكون في الكتلة الذرية والذى ينتج من إختلاف عدد النيوترونات في نواة الذرة .

كما حتى نظائر أى عنصر تشكل مجموعة النيوكليدات . والنيوكليد هونوع معين من نواة الذرة ، وللتعميم فإنه تعبير عن تكتل البروتونات والنيوترونات . ولمزيد من الدقة فإن من الأصح القول بأن عنصر مثل الفلور يتكون من نيوكليد واحد ثابت بدلا من القول بأن له نظير واحد ثابت .

عند تطبيق عملية التسمية الفهمية فإن النظير ( النيوكليد ) محدد بإسم العنصر متبوعا بشرطة ثم عدد النيوكليونات nucleons (الذي هومجموع عدد البروتونات زائد عدد النيوترونات ) الموجودة في نواة الذرة ( مثال ، هيليوم-3 . كربون-12 ، كربون-14 ، حديد-57 ، يورانيوم-238 ) . وعند إستخدام الإختصارات فإنه يتم وضع رقم النيوكلونات أعلى رمز العنصر ( ³He, ¹²C, ¹⁴C, ⁵⁷Fe, ²³⁸U )

تاريخ المصطلح

في الركن الأسفل الأيمن للوح الفوتوغرافي الذي أخذه ج.ج. تومسون توجد علامات لنظيري النيون: نيون-20 ونيون-22.

المصطلح نظير isotope صيغ في عام 1913 من قبل مارگريت تود، الطبيبة الاسكتلندية، أثناء محادثة مع فردريك سودي (التي كان يربطها به صلة نسب بعيدة). سودي، الكيميائي في جامعة گلاسگو، شرح أنه يظهر له من أبحاثه كما لوحتى الكثير من العناصر تشغل جميع مسقط في الجدول الدوري. لذلك اقترحت تود المصطلح اليوناني لمعنى "في نفس المكان" كاسم مناسب. اتخذ سودي المصطلح وواصل عمله ليحصل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1921 لعمله في المواد المشعة.

إختلاف الخواص بين النظائر

Isotope half lifes. Note that the darker more stable isotope region departs from the line of protons Z = neutrons N, as the element number Z becomes larger

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

وتأثير الكتلة يلاحظ بشدة عند النظر للپروتيوم (¹H) لقاء ديتيريوم (²H), نظرا لأن الديتريوم له ضعف كتلة البروتيوم . أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم حدثا زاد ثقل العنصر .

وبالمثل، فإنه لجزيئين يختلفان فقط في طبيعة النظير المكون لكل "متناظرين" منهما سيكون لهما تقريبا نفس نفس الهجريب الإلكتروني ، وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهة. الأشكال الإهتزازية للجزيء يتم تحديدها بشكل الجزيء وكتلة الذرات المكونة له . وبالتالى فإن هذان المتناظران سيكون لهما شكلان إهتزازيان مختلفان . حيث ان الشكل الإهتزازي يسمح للجزيء بإمتصاص الفوتونات الملائمة لطاقة هذا الإهتزاز ، ويتبع ذلك حتىقد يكون للمتناظرين خواص ضوئية مختلفة في المنطقة تحت الحمراء .

وبالرغم من حتى النظائر لها تقريبا نفس الخواص الإلكترونية والكيميائية ، فإن سلوكها الجزيئي مختلف تماما . تتكون النواة الذرية من بروتونات ونيترونات مرتبطة معا بقوى نووية قوية .

ونظرا لأن البروتونات لها شحنة موجبة ، فإنها تدفع بعضها البعض . وتقوم النيوترونات بعمل بعض الفصل بين الشحنات الموجبة ، مما يقلل من التنافر الكهرستاتيكي ، وتساعد على ثبات النواة . وبزيادة عدد البروتونات ، تزداد الحاجة لنيوترونات أكثر لعمل ثبات للنواة . فمثلا ، على الرغم من حتى نسبة نيوترون/پروتون في ³He هي 1/2 ، فإن نيوترون / بروتون في ²³⁸U أكبر وتصل إلى ثلاثة / 2 . وفى حالة وجود نيوترونات أقل أوأكثر من المفترض ، فإن النواة تكون غير مستقرة، وينتج الإضمحلال النووي .

التواجد في الطبيعة

يمكن لعدة نظائر لنفس العنصر حتى تتواجد في الطبيعة . ونسبة التواجد لنظير تتناسب بشدة مع ميله ناحية الإضمحلال النووي ، النيوكليدات التى تعيش لفترة قصيرة تضمحل سريعا ، بينما تعيش مكوناتها . وهذا لا يعنى حتى هذه الأصناف تختفى تماما ، نظرا لأن كثير منها يتكون أثناء إضمحلال الأصناف ذات العمر الأطول . يتم حساب الكتل الذرية للعناصر بعمل متوسط للنظائر التى لها كتل مختلفة .

وبالتوافق مع فهم الكون ، فإن جميع النيوكليدات 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 الإتندماج المبدئي للنظام الشمسي ، توزعت النظائر طبقل لكتلها ( شاهد أصل النظام الشمسي . هجريب نظائر العناصر يختلف على جميع كوكب ، مما يجعل من الممكن تحديد أصل النيازك .

تطبيقات النظائر

هناك كثير من التطبيقات التى يتم إستخدام الخواص المتنوعة للنظائر فيها .

إستخدام الخواص الكيميائية

أحد أبرز التطبيقات هوالتسمية بالنظائر ، بإستخدام النظائر الغير عادية كأثر أوعلامة في التفاعلات الكيميائية . وفى الحالات الطبيعية ، فإن ذرات عنصر معين لا يمكن تمييزها عن بعضها . ولكن بإستخدان النظائر التى لها كتل مختلفة يمكن تمييزها بواسطة سبكترومتري الكتلة أومطياف الأشعة تحت الحمراء . ولوتم إستخدام نظائر نشيطة إشعاعيا ، يمكن تحديدها عن طريق الأشعة التى تنبعث منها، وهذا ما يسمي بالنظائر المشعة .

وهناك تقنية أخرى مشابهه للتسمية بالنظائر المشعة وهى حساب الزمن بالإشعاع.( وأشهرها حساب الزمن بالكربون المشع ) ويمكن إستخدامها لدراسة الخواص الكيميائية التى لا يمكن للتجارب العادية ملاحظتها ، بإستخدام أثار النظائر .

كما يمكن إستخدام إستبدالات النظائر لتحديد ألية التفاعل خلال تأثير النظير الحركي .

إستخدام الخواص النووية

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

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

كما حتى النيوكليدات الإشعاعية لها إستخدامات مهمة . نظرا لأن تطوير جميع من القوة النووية والأسلحة النووية تتطلب كميات كبيرة من النظائر . كما حتى فصل النظائر تمثل تحدي تقني معقد .

شاهد أيضا

جدول النظائر المقسم .
جدول النظائر الكامل .
قائمة جسيمات .
النظائر هى نيوكليدات لها نفس عدد البروتونات ، بالمقارنة :
- متعادلات النيوترونات هى نيوكليدات لها نفس عدد النيوترونات .
- أيسوبار هى النيوكليدات لها نفس عدد الكتلة ، أى مجموع البروتونات والنيوترونات .
- المتشابهات النووية هى حالات مثارة مختلفة لنفس نوع النيوكليدات . الشكل الإنتنطقي من أحد النظائر للأخر يصاحبه إنبعاث أوإمتصاص أشعة جاما ، أوعملية التحول الداخلي . ( لا يجب الخلط بين ذلك وبين المتشابهات الكيميائية ) .

المصادر

^ Budzikiewicz H, Grigsby RD (2006). "Mass spectrometry and isotopes: a century of research and discussion". Mass spectrometry reviews. 25 (1): 146–57. doi:10.1002/mas.20061. PMID 16134128.