عالم الأحياء 4: العناصر والذرات
هل تساءلت يومًا مما يتكون جسدك؟
ربما تُجيب قائلًا أنه يتكون من مجموعة من الأعضاء التي تعمل معًا، وربما تحاول الإجابة بدقة أكبر فتقول أن جسدك يتكون من الخلايا.
في الحقيقة، فإن جسدك يتكون من وحدات أصغر بكثير من الخلايا، واستكمالًا لطرح مقدمة في علم الأحياء، سنتحدث قليلًا عن كيمياء الحياة، وسنُسلط الضوء على بعض المفاهيم البسيطة، مثل العناصر والذرات.
هل تُصدق أن عدد الذرات في جسدك يتجاوز السبعة وبجانبها 21 صفر، ولهذا السبب من المهم الاطلاع على بعض الأساسيات البسيطة في علم الكيمياء لفهم أجساد المخلوقات الحية بشكل أفضل.
المادة والعناصر
منذ آلاف السنين، والبشر دائمًا ما يبحثون عن حقيقة المواد المحيطة بهم، وكيفية الاستفادة من كافة الموارد الطبيعية الموجودة في بيئتهم.
وتختلف هذه الموارد في خصائصها، فمنها ما هو عاكس للضوء، ومنها ما هو معتم، ومنها ما هو قادرة على تمرير الضوء من خلاله، وغيرها من خصائص المواد المختلفة.
كما يُمكن أن تكون هذه المواد صلبة، سائلة أو غازية، ولا يخفى عنا كيف تتفاعل هذه المواد معًا بشكل مختلف وبظروف متنوعة.
من الجدير بالذكر أن أحد هذه المواد، أو دعنا نُلقي عليها اسم العناصر، الذهب، فإذا أخدنا قطعة الذهب، وكسرناها إلى أجزاء أًصغر فأصغر، فهذه الأجزاء لا تزال من الذهب، وتمتلك نفس الخصائص التي يمتكلها الذهب.
المادة (بالإنجليزية: Matter) هو مصطلح يُطلق على أي شيء يشغل حيز من الفضاء وله كتلة ما.
العنصر (بالإنجليزية: Element) هو المادة النقية التي تمتلك خصائص مميزة في درجة حرارة معينة، ويتفاعل العنصر مع العناصر الأخرى بطرق خاصة.
من أبرز الأمثلة على العناصر الكربون، الذهب، الفضة والمغنيسيوم، وفي السابق كان العلماء يعتبرون الماء عنصر، ولكن اكتشفوا فيما بعد أن الماء يتكون من اتحاد عنصري الهيدروجين مع الأكسجين، وهو ليس عنصرًا بحد ذاته.
الجدول الدوري للعناصر
من الجدير بالذكر أن جميع العناصر المكتشفة على كوكب الأرض يتم التعبير عنها باستخدام ما يُعرف بالجدول الدوري للعناصر (بالإنجليزية: The periodic table of elements).
لكل عنصر في الجدول الدوري رمز خاص به باللغة الإنجليزية، فحرف C يعني عنصر الكربون، وحرف O يعني الأكسجين، كما أن حرف H يرمز إلى الهيدروجين.
يتضمن الجدول الدوري للعناصر 118 عنصر، ومن الجدير بالذكر أن 92 عنصر منهم فقط موجودين في الطبيعة بشكل طبيعي، أما بقية العناصر فتم تصنيعها بالمختبرات المختصة، وهي في الحقيقة ليست عناصر مستقرة تمامًا.
الذرة
الذرة (بالإنجليزية: Atom) هي الوحدة الرئيسية لجميع العناصر في الجدول الدوري، وهي أصغر وحدة من المادة، وهذا يعني بأنك قادر على تكسير الذهب على سبيل المثال إلى أجزاء أصغر فأصغر حتى تصل إلى ذرة ذهب واحدة، ولا يُمكنك تكسيرها أكثر من ذلك.
في الحقيقة حجم الذرات صغير للغاية وبشكل لا يُصدق، فعلى سبيل المثال إذا أخذنا شعرة من رأسنا، شعرة واحدة فقط، ومن الجدير بالذكر أن معظم الشعر يتكون من الكربون.
إذا أخذنا مقطع عرضي لهذه الشعرة، وسعينا لعد ذرات الكربون بداخلها، فسنجد أن عدد ذرات الكربون مقارب للمليون ذرة.
تتكون الذرة من أجزاء أصغر، وهذه الأجزاء تمتلك ترتيبًا مميزًا في كل عنصر، وهذا ما يُغير من خصائص العناصر.
في نواة الذرة يُمكننا العثور على ما يُطلق عليه البروتون، وإذا نظرنا للجدول الدوري أعلاه نجد أن كل عنصر يعلوه العدد الذري (بالإنجليزية: Atomic number)، وحرفيًا، العدد الذري هو عدد البروتونات التي يحتوي عليها العنصر.
هذا يعني أن نواة الهيدروجين تتضمن بروتون واحد، بينما نواة الكربون تتضمن 6 بروتونات، والهيليوم يتضمن بروتونان.
هذا يعني بأنه من المستحيل العثور على عنصر الكربون بسبعة بروتونات، وهذا لأن السبعة بروتونات موجودة فقط في النيتروجين.
تحتوي الذرة أيضًا على إلكترونات (بالإنجليزية: Electrons) ونيوترونات (بالإنجليزية: Neutrons).
يُمكن أن يتغير عدد النيوترونات أو الإلكترونات دون أن يتغير العنصر، ولكن لا يُمكن أبدًا أن يتغير عدد البروتونات.
تحتوي النواة على النيوترونات والبروتونات معًا، أما خارج النواة فيتضمن الإلكترونات التي تتحرك باستمرار حول النواة، ويُطلق على عدد النيوترونات مع البروتونات داخل النواة اسم العدد الكتلي (بالإنجليزية: mass number).
السبب الذي يجعل الإلكترونات تتحرك حول النواة ولا تبتعد عنها هو أن للبروتونات الموجودة بداخل النواة شحنة موجبة، وأما الإلكترون فهو يمتلك شحنة سالبة، وينجذب بذلك إلى البروتونات مكونًا سحابة من الإلكترونات التي تتحرك بسرعة حول النواة.
من الجدير بالذكر أن النيوترونات متعادلة الشحنة ولا تؤثر على ارتباط الإلكترونات بالنواة، ولكنها تمنح العناصر العديد من خصائصها.
علاوة على ما سبق، تمتلك الإلكترونات تسارعًا مذهلًا لا يُصدق، كما يُمكنها أن تتفاعل مع إلكترونات لذرات أخرى، وهكذا تتحد الذات معًا، إحدى الذرات تمنح الإلكترونات والأخرى تكسبها فتتحد الذرتان.
على الرغم من أن شحنة البروتونات مختلفة عن النيوترونات، ولكن كلاهما يملك تقريبًا الكتلة ذاتها والتي يُعبر عنها بالرقم (1.67 X 10-24) جرام.
ولكن وحدة الجرام لا تُعد دقيقة للغاية لحساب كتلة البروتونات أو النيوترونات، ولهذا السبب ابتكر العلماء وحدة دالتون للكتلة الذرية، حيث أن 1 دالتون يُعادل (1.67 X 10-24) جرام.
النشاط الإشعاعي
ربما سمعت من قبل عن النشاط الإشعاعي، سواء عند قرائتك عن مأساة مفاعل فوكوشيما أو عند مشاهدتك لفلم لبطل خارق كالرجل العنكبوت الذي يتحول نتيجة لدغة عنكبوت مشع، ولكن ماذا يعني الإشعاع؟
النشاط الإشعاعي هو سلوك تسلكه الذرة التي تحتوي على نواة غير مستقرة، والتي تُطلق جسميات لا ذرية سعيًا لاستقرارها، وهذه الجسميات تُكون طاقة أو إشعاع.
للعناصر نسخ مشعة غير مستقرة، ونُسخ أخرى غير مشعة، وتختلف هذه النسخ في عدد النيوترينات، ويُطلق عليها اسم النظائر، ولكنها غير منتشرة في الطبيعة بشكل كبير.
على سبيل المثال يحتوي الغلاف الجوي على كمية ضئيلة للغاية من الكربون المشع 14، ومن كمية الكربون المشع 14 يستطيع العلماء معرفة عمر الأحافير التي يعثرون عليها.
يحسب العلماء عمر الأحافير عن طريق معرفة نصف عمر النظير، وهي الفترة التي يتحلل فيها نصف النظير من نظير غير مستقر إلى ذرة مستقرة.
من الجدير بالذكر أن بعض النظائر تكون مستقرة، ولكن الغير مستقرة منها والذي يبعث جسيمات غير ذرية سعيًا للاستقرار يُطلق عليه اسم النظائر المشعة.
وعملية إطلاق الجسيمات الغير مشعة يُطلق عليها اسم الاضمحلال الإشعاعي، وقد يُغير الإضمحلال الإشعاعي من الذرة، على سبيل المثال يتحول الكربون 14 إلى نيتروجين 14.
هذا يقودنا إلى مفهوم جديد وهو الكتلة الذرية النسبية (بالإنجليزية: Relative atomic mass) أو الوزن الذري، وهي متوسط الكتل الذرية لجميع النظائر لعنصر ما في عينة ما.
مثال على حساب نصف عمر النظير
يحتوي الغلاف الجوي على مجموعة من الغازات منها ثاني أكسيد الكربون الموجود على شكل ثلاثى نظائر وهي:
- الكربون 12 وهو مستقر، وهو يُشكل 99% من الكربون في الغلاف الجوي.
- الكربون 13 وهو نظير مستقر، وهو يُشكل 1% من الكربون في الغلاف الجوي.
- الكربون 14 وهو كربون مشع غير مستقر، وكميته محدودة للغاية.
عندما تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون لصنع غذائها، وعندما تتغذى الحيوانات على هذه النباتات، فإن كمية الكربون 14 فيها تكون متطابقة مع كمية الكربون 14 في الغلاف الجوي.
بعد موت هذه المخلوقات وتحللها، سيبدأ الكربون 14 بالتحول تدريجيًا إلى نيتروجين 14، ويتحول نصف الكربون 14 إلى نيتروجين 14 خلال 5730 عامًا، وهذا هو نصف العمر.
عندما يعثر العلماء على بقايا للمخلوقات الحية يقومون بتحديد كمية الكربون 14، ويحددون عمر المخلوق الحي باستخدام هذه المعلومة.