أسماء ورموز العناصر.
اشتُقت بعض أسماء العناصر من أصول يونانية أو لاتينية. فقد اشتقت كلمة بروم من كلمة يونانية بمعنى رائحة كريهة. وأُطلقت أسماء كثير من العناصر المصنّعة تكريمًا لشخص أو مكان. كما اكتشف العلماء في جامعة كاليفورنيا في بركلي، عنصر البيركيليوم وسموه بهذا الأسم تكريمًا لتلك المدينة. كذلك سُمّي الإينشتنيوم بهذا الاسم تكريمًا للفيزيائي ألبرت أينشتاين.
ولجميع العناصر، ماعدا العناصر من 104 إلى 109، رموز تتكون من حرف أو حرفين. ويستخدم الكيميائيون الرموز اختصارا لاسم العنصر. وتؤخذ رموز بعض العناصر من الحرف الأول لاسمها اللاتيني. فالحرف C على سبيل المثال، هو رمز الكربون. ويستخدم العلماء حرفين من الاسم رمزًا عندما تبدأ أسماء عنصرين أو أكثر بنفس الحرف. فللكالسيوم الرمز Ca، وللخارصين الرمز Zn. وتُشتق بعض رموز العناصر من الكلمات القديمة لها. فقد اشتُق رمز الرصاص Pb من كلمة الرصاص اللاتينية Plumbum.
يستخدم الكيميائيون الرموز لكتابة صيغ المركبات.
وتبين صيغ المركبات نوعية العناصر الداخلة في المركب وعدد ذرات كل منها. وتُشكل الرموز اللغة العالمية للكيميائيين. وتوجد رموز جميع العناصر في الجدول الدوري للعناصر، كما يوجد جدول الترتيب الأبجدي لأسمائها مع هذه المقالة.
جدول العناصر وأسماء مكتشفيها
الاسم الرمز الوزن
الذري * العدد
الذري الكثافة (جم/سم§)
عند2°م المكتشــف بلد
الاكتشاف تاريخ
الاكتشاف
الإثمد (الأنتيمون) Sb 121,750 51 6,691 معـــروف لـدى القـدامـى
الأربيوم Er 167,260 68 091,5000000 كارل موساندر السويـــــد 1843م
الأرجون Ar 39,948 18 0,00166 # السير وليم رامزي؛ البارون رالي المملكة المتحدة 1894م
الأستاتين At (210) 85 0,0175 + ديل كورسون؛ ك. ر. ماكينزي؛
أميليو سيجري الولايات المتحدة 1940م
الإسكانديوم Sc 44,9559 21 02,989000 لارس نلسون السويــــد 1879م
الأسميوم Os 190,2 76 22,480000 سميثسون تنانت إنجلترا 1804م
الأكتينيوم Ac 227,028 89 10,07+ أندريه دبييرن فرنســـــا 1899م
الأكسجين O 15,9994 8 00,001332 # جوزيف بريستلي
# كارل ولهلم شيل إنجلــترا
السويد 1774م
الألومنيوم Al 26,9815 13 270 # هانز كريستيان أورستد الدنمـــارك 1825م
الأمريسيوم Am (243) 95 1367 # جلين ثيودور سيبورج؛ رالف جيمس
ليون مورجان؛ ألبرت غيورسو الولايات المتحدة 1945م
الإنديوم In 114,820 49 07,31000000 فرديناند رايخ؛ هيارونيموس رختر ألمانيـــــــا 1863م
الإيريديوم Ir 192220 77 5000000 226 سميثسون تنانت إنجلــــترا 1804م
الإينشتنيوم Es (252) 99 ــ أرجون؛ لوس ألاموس؛
جامعة كاليفورنيا الولايات المتحـدة 1952م
الباريوم Ba 137,330 56 35 # السير همفري ديفي إنجلــــترا 1808م
البراسوديميوم Pr 140,908 59 06,769000 # البارون فون فلسباخ النمســــــا 1885م
البركيليوم Bk (247) 97 140** # جلين سيبورج؛
س.ج. ثومسون؛ ألبرت غيورسو الولايات المتحـدة 1949م
البروتاكتينيوم Pa 231,03600 91 15,370000+ # أوتو هان؛ # ليز ميتنر؛
# فريدريك سودي؛ جون كرانستون ألمانيــــــا
إنجلترا 1917م
البروم Br 079,90400 35 3,12 أنطوان بلارد؛
كارل لوفيج فرنسا
ألمانيـا 1826م
البروميثيوم Pm (145)0000 61 07,220000 ج.أ.مارينسكي؛ لورنس
جلندنن؛ تشارلز كوريل الولايات المتحدة 1945م
البريليوم Be 009,01280 4 1,848 # فريدريك فولر؛ أ. أ. بوسي ألمانيــا؛ فرنسـا 1828م
البزموت Bi 208,98000 83 9,747 معـــروف لـدى القـدامـى
البلاتين Pt 195,08000 78 21,450000 جوليوس سكاليجر إيطاليــــــا 1557م
البلاديوم Pd 106,42000 46 12,020000 وليم ولاستون إنجلــــترا 1803م
البلوتونيوم Pu (244)0000 94 19,860000 # جلين سيبورج؛ جوزيف كنيدي
أدوين ماكميلان؛ آرثر فال الولايات المتحدة 1940م
البوتاسيوم K 039,0983 19 0,862000 # السير همفري ديفي إنجلــــــــترا 1807م
البورون B 010,81000 5 2,34 # هـ.ديفي؛ # جوزيف لويس جي
لوساك؛ لويس ثينارد إنجلـترا؛ فرنسا 1808م
البوريوم Bh (262) 107 ــ مركز أبحاث الأيونات الثقيلة ألمانيا 1981م
البولونيوم Po (209)0000 84 09,240000 # بيير وماري كوري فرنســــــا 1898م
التربيوم Tb 158,92500 65 08,250000 كارل موساندر السويد 1843م
التكنيتيوم Tc 0(98)0000 43 11,500000+ كارلو بيرير؛ إميليو سيجري إيطاليــــــا 1937م
التلوريوم Te 127,60000 52 06,240000 فرانز مولر فون رايخنشتاين رومانيـــــا 1782م
التنتالوم Ta 180,94800 73 16,600000 أندرز إيكبرج السويـــــد 1802م
التنجستن W 183,85000 74 19,300000 فاوستو وخوان خوزيه دي إلهويار أسبانيـــــا 1783م
التيتانيوم Ti 047,88000 22 04,507000 وليم جريجور إنجلترا 1791م
الثاليوم Tl 204,38300 81 11,850000 # السير وليم كروكس إنجلترا 1861م
الثليوم Tm 168,93400 69 09,310000 بير ثيودور كليف السويد 1879م
الثوريوم Th 232,03800 90 11,660000 # جونز برزيليوس السويد 1828م
الجادولينيوم Gd 157,25000 64 07,86000000 جين دي مارجيناك سويســــرا 1880م
الجاليوم Ga 069,72000 31 05,90700000 بول إميل لوكوك دي بويسباودران فرنســـــــا 1875م
الجرمانيوم Ge 072,59000 32 05,32300000 كليمنز وينكلر ألمانيـــــــا 1886م
الحديد Fe 055,84700 26 07,87400000 معروف لـدى القـدامـى
الدبنيوم Db (262) 105 ــ المعهد المشترك للأبحاث النووية روسيا 1970م
الديسبروزيوم Dy 162,50000 66 8,550 بول إميل لوكوك دي بويسباودران فرنســـــا 1886م
الذهب Au 196,96700 79 19,32000000 معروف لـدى القـدامـى
الرادون Rn (222)0000 86 00,009230 فريدريك أرنست دورن ألمانيــــــا 1900م
الراديوم Ra 226,02500 88 05,000000 # بيير وماري كوري فرنســـــا 1898م
الرذرفورديوم Rf (261) 104 ــ المعهد المشترك للأبحاث النووية
معمل لورنس بيركلي روسيا
الولايات المتحـدة 1969م
1970م
الرصاص Pb 207,20000 82 11,35000000 معروف لـدى القـدامـى
الروبيديوم Rb 085,46780 37 01,532000 # روبرت ولهلم بنزن؛ ج. كيركوف ألمانيــــــا 1861م
الروثنيوم Ru 101,07000 44 12,410000 كارل كلاوس روسيـــــا 1844م
الروديوم Rh 102,90600 45 12,410000 وليم ولاستون إنجلـــــترا 1803م
الرينيوم Re 186,20700 75 21,020000 وولتر نوداك؛ إدا تاكي، أوتو بيرج ألمانيــــــا 1925م
الزئبق Hg 200,59000 80 13,54600000 معروف لـدى القـدامـى
الزركونيوم Zr 091,22400 40 06,506000 مارتن ***روث ألمانيــــــا 1789م
الزرنيخ As 074,92160 33 573 معـــروف لـدى القـدامـى
الزنك (الخارصين) Zn 065,39000 30 07,133000 أندرياس مارجراف ألمانيــــــا 1746م
الزينون Xe 131,29000 54 00,005495 # السير وليم رامزي ، # موريس وليم
ترافرس إنجلترا 1898م
السترونتيوم Sr 087,62000 38 02,600000 أ.كراوفورد أسكتلندا 1790م
السليكون Si 028,08550 14 02,330000 # جونز برزيليوس السويــــد 1823م
السمريوم Sm 150,36000 62 07,490000 بول إميل لوكوك دي بويسباودران فرنســـــا 1879م
السيريوم Ce 140,12000 58 6,768 و.فون هسنجر؛
# جونز برزيليوس؛ م. ***روت السويــــد
ألمانيــــــا 1803م
السيزيوم Cs 132,90500 55 1,873 جوستاف كيركوف، # روبرت بنزن ألمانيــــــــا 1860م
السيلنيوم Se 078,96000 34 04,790000 # جونز برزيليوس السويــــد 1817م
السيبورجيوم Sg (266) 106 ــ معمل لورنس بيركلي الولايات المتحدة 1974م
الصوديوم Na 022,98980 11 00,971000 # السير همفري ديفي إنجلـــــترا 1807م
الفاناديوم V 050,94150 23 10,600000 نيلز سفستروم السويــــد 1830م
الفرانسيوم Fr (223)0000 87 ــ مارجريت بيري فرنســـــا 1939م
الفضة Ag 107,86800 47 10,500000 معروف لـدى القـدامـى
الفلور F 018,99840 9 00,00158000 هنري مويسان فرنســـــا 1886م
الفوسفور P 030,97380 15 01,830000 هنيج براند ألمانيـــــــا 1669م
الفيرميوم Fm (257)0000 100 ــ أرجون؛ لوس ألاموس؛ جامعة كاليفورنيا الولايات المتحدة 1953م
القصدير Sn 118,71000 50 07,298400 معروف لـدى القـدامـى
الكالسيوم Ca 040,08000 20 1,55 # السير همفري ديفي إنجلـــــترا 1808م
الكاليفورنيوم Cf (251)000 98 ــ # جلين سيبورج؛ س.ج. تومبسون؛
أ. غيورسو؛ ك. ستريت الولايات المتحدة 1950م
الكبريت S 032,06000 16 02,070000 معروف لـدى القـدامـى
الكدميوم Cd 112,41000 48 8,65 فريدريتش ستروماير ألمانيــا 1817م
الكربون C 012,01100 6 2,25 معـــروف لـدى القـدامـى
الكروم Cr 051,99600 24 7,19 لويس فوكيلين فرنســــــا 1797م
الكريبتون Kr 083,80000 36 00,00348800 # السير وليم رامزي، # موريس ترافرس بريطانيا 1898م
الكلور Cl 035,45300 17 0,00295 # كارل ولهلم شيل السويـــــد 1774م
الكوبالت Co 058,93320 27 8,9 جورج برانت السويـــــد 1737م
الكوريوم Cm (247)0000 96 13,51+ # جلين سيبورج؛
ر.أ. جيمس؛ أ. غيورسو الولايات المتحدة 1944م
اللنثانيوم La 138,90600 57 06,18900000 كارل موساندر السويد 1839م
اللوتيتيوم Lu 174,96700 71 09,84900000 جورج أوربين فرنســـــــا 1907م
اللورنسيوم Lr (260)0000 103 أ. غيورسو؛ ت. سيكيلاند؛ أ.لارش ؛
ر.م. لاتيمر الولايات المتحدة 1961م
الليثيوم Li 006,94100 3 00,53400000 جوهان أرفيدسون السويـــــد 1817م
المغنسيوم Mg 024,30500 12 01,73800000 # السير همفري ديفي إنجلــــــــترا 1808م
المنجنيز Mn 054,93800 25 07,30000000 جوهان جان السويـــــــد 1774م
المندليفيوم Md (258)0000 101 ــ معمل لورنس بيركلي الولايات المتحدة 1955م
الموليبدنوم Mo 095,94000 42 10,22000000 . # كارل ولهلم شيل السويــــــد 1778م
الميتننريوم Mt (268) 109 ــ مركز أبحاث الأيونات الثقيلة ألمانيـــــــا 1982م
النبتونيوم Np 237,04800 93 20,25000000 أي. م. ماكميلان؛
ب. هـ. أبلسون الولايات المتحدة 1940م
النحاس Cu 063,54600 29 8,96 معـــروف لـدى القـدامـى
النوبليوم No (259)0000 102 - أ. غيورسو؛ # جلين سيبورج
ت. سيكيلاند؛ ج.ر.والتون الولايات المتحدة 1958م
النيتروجين N 014,00670 7 00,00116500 دانيال رذرفورد أســــكتلندا 1772م
النيكل Ni 058,69000 28 08,90200000 أكسل كرونستت السويــــــد 1751م
النيوبيوم Nb 092,90640 41 08,57000000 تشارلز هاتشت إنجلـــــــترا 1801م
النيوديميوم Nd 144,24000 60 07,00000000 # البارون فون فلسباخ النمســـــا 1885م
النيون Ne 020,17900 10 00,00083870 # السير وليم رامزي؛ # موريس ترافرس إنجلــــــــترا 1898م
الهاسيوم Hs (263) 108 ــ مركز أبحاث الأيونات الثقيلة ألمانيـــــــا 1984م
الهفنيوم Hf 178,49000 72 13,31000000 ديرك كوستر؛ # جورج فون هيفيسي الدنمارك 1923م
الهولميوم Ho 164,93000 67 08,79000000 ج.ل. سوريت سويســـرا 1878م
الهيدروجين H 001,00790 1 00,00008375 # هنري كافندش انجلــــــترا 1766م
الهيليوم He 004,00260 2 00,00016640 # السير وليم رامزي؛
نيلز لانجليه؛ ب.ت. كليف أسكتلندا والسويد 1895م
اليتربيوم Yb 173,04000 70 06,959000 جين دي ماريناك سوييسرا 1878م
اليتريوم Y 088,90590 39 04,472000 كارل موساندر السويد 1843م
اليود I 126,90500 53 04,93000000 برنار كورتوا فرنســــــا 1811م
اليورانيوم U 238,02900 92 19,070000 مارتن ***روث ألمانيـــــــا 1789م
اليوروبيوم Eu 151,96000 63 05,24500000 يوجين ديمارسي فرنســـــــا 1901م
* يدل الرقم بين القوسين على العدد الكتلي للنظير الأكثر استقراراً
+ الكثافة مبنية على الحساب لا على قياسات حقيقية.
# له مقالة بالموسوعة
# # بالتقدير
الجدول الدوري للعناصر يُرتب العناصر في صفوف أفقية تسمى الدورات وذلك تبعًا لأعدادها الذرية. والعدد الذري هو عدد البروتونات (جسيمات موجبة الشحنة) في نواة الذرة (اللُب). وتوجد أيضًا في نويات جميع الذرات تقريبًا، جسيمات غير مشحونة كهربائيًا تسمى النيوترونات.
تحتوي ذرات أي عنصر على نفس العدد من البروتونات ولكن بعض ذرات العنصر تحتوي أحيانًا على عدد من النيوترونات تختلف من ذرة لأخرى. وتسمى الذرات التي تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات نظائر العنصر
تحتوي جميع الذرات على إلكترونات (جسيمات سالبة الشحنة) تدور حول النواة. وتحتوي الذرة المتوازنة كهربائيًا على نفس العدد من الإلكترونات والبروتونات. وتقسَّم الإلكترونات المحيطة بالذرة إلى مدارات (مجموعات) تبعًا للطاقة الخاصة بكل منها. وتنجذب الإلكترونات القريبة إلى النواة بقوة أكبر من غيرها. ولكل مدار رقم خاص به، والمدار القريب من النواة هو المدار رقم 1.
يستطيع كل مدار استيعاب عدد معين من الإلكترونات.فالمدارات 1، 2، 3، 4، 5، 6، و7 تستطيع استيعاب 2، 8، 18، 32، 50، 72، و98 إلكترونًا كحد أقصى. وتسمى المدارات أحيانًا بالحروف Q, P, O, N, M, L, K.
يشكل كل صف رأسيّ في الجدول الدوري مجموعة من العناصر ذات علاقة ببعضها. وتتشابه عناصر كل مجموعة في الطريقة التي تكوِّن بها المركبات كما أن لها خواص أخرى متشابهة. وينبثق هذا التشابه من التشابه في التراكيب الإلكترونية في كل مجموعة.
يسيطر عدد الإلكترونات، في المدار الخارجي على السلوك الكيميائي للذرة. ويوجد نفس العدد من الإلكترونات، في معظم المجموعات، في المدارات الخارجية لكل عنصر.
يمكن تقسيم الصفوف الرأسية الثمانية عشر للعناصر إلى مجموعتين (أ) و (ب) وذلك بناء على التركيب الإلكتروني. ويستطيع العلماء التكهن بدقة أكبر بالتفاعلات الكيميائية للعناصر التي تظهر في المجموعة أ. ويمكن أيضا ترقيم الأسطر العمودية من 1 إلى 18 من اليسار إلى اليمين.
كيفية استخدام الجدول.
تُعتبر طريقة استخدام الأعداد الذرية هي الأسهل لتعيين مواقع العناصر في الجدول. ويبين جدول العناصر العدد الذري لكل منها. يُصنّف الكيميائيون العناصر التي لها نفس الخواص المتشابهة، في مجموعة واحدة. وتوضح هذه المجموعات بالألوان في الجدول الدوري. وللحصول على معلومات عن هذه العناصر. أنظر: الملحق
يشمل استخدام الجدول الدوري مقارنة السلوك الكيميائي للعناصر. تحتوي المجموعة 8 أ، على سبيل المثال، على الهيليوم والنيون والأرجون والكريبتون والزينون والرادون.
توجد هذه العناصر المسماة بالغازات الخاملة في الحالة الغازية عند درجة الحرارة والضغط العادي، ولا يتحد أي منها بسهولة مع عناصر أخرى لتكوين مركبات.
ويكمن مغزى هذا السلوك عند مقارنته مع العناصر ذات العدد الذري الأكبر أو الأصغر بمقدار واحد عن كل من الغازات الخاملة. تعتبر ذرات العناصر المجاورة من أكثر العناصر قدرة على التفاعل فهي تغير غالبًا تركيبها الإلكتروني إلى ذلك الخاص بأقرب ذرة غاز خامل.
يعتبر فقدان أو اكتساب الإلكترونات عند اتحاد الذرة مع ذرات أخرى أحد الطرق التي تسلكها الذرة لتغيير تركيبها الإلكتروني.
تتحول الذرات أو مجموعة من الذرات عندما تكتسب أو تفقد إلكترونات إلى أيونات ذات شحنات كهربائية. فعندما يتفاعل الصوديوم مع غاز الكلور على سبيل المثال، تفقد كل ذرة صوديوم إلكترونًا وتكتسب كل ذرة كلور إلكترونًا واحدًا. ويصبح لأيون الصوديوم عندئذ نفس التركيب الإلكتروني لذرة الغاز الخامل، النيون، كما يصبح لأيون الكلور نفس التركيب الإلكتروني لذرة الغاز الخامل الأرجون.
تطور الجدول الدوري.
عندما اكتشف الكيميائيون عناصر جديدة، اكتشفوا أيضا تشابه بعض العناصر في سلوكها. ومع بداية منتصف القرن التاسع عشر، اقترح كيميائيون عديدون طرقًا لتنظيم العناصر المعروفة في جدول دوري وذلك لتجميع العناصر التي تتشابه في خواصها معًا. وكان على رأس هؤلاء الباحثين جوليوس مايَوْ من ألمانيا، ودمتري مندليف من روسيا.
وجد الكيميائيون أن العناصر التي تتشابه في خواصها تظهر بانتظام عندما ترتب حسب الزيادة في وزنها الذري. الوزن الذري هو وزن الذرة مقارنة بذرة الكربون 12، التي لها وزن ذري محدد مقداره 12 وحدة. تُعْطي النظائر المشعّة في الغالب أعدادًا كتلية بدلا من الأوزان الذرية، يكافئ العدد الكتلي للذرة مجموع بروتوناتها ونيوتروناتها، وهو مطابق إلى حد كبير للوزن الذري.
تُعرف حقيقة ظهور العناصر ذات الخواص المتشابهة على فترات منتظمة بالقانون الدوري. وجد الكيميائيون فيما بعد بأن الجدول الدوري يكون أكثر دقة عند ترتيب العناصر تبعا لتركيبها الإلكتروني لا تبعا لأوزانها الذرية.
القوى داخل الذرّة
يتناول فرع الفيزياء المسمَّى بالميكانيكا الكمية مسألة القوى داخل الذرة وحركة الجسيمات تحت الذرية. وقد افُتتحت الدراسة في هذا الفرع من فروع الفيزياء في عام 1913م عندما استخدم عالم الفيزياء الدنماركي نيلز بور نظرية الكم لشرح حركة الإلكترونات داخل الذرات. وقام علماء فيزياء آخرون بتطوير ميكانيكا الكم، وطبقوا مبادئها على النواة والإلكترونات.
ميكانيكا الكم
ميدانٌ من ميادين علم الفيزياء، يصف تركيب الذرّة وحركة الجسيمات الذرية، ويوضح كذلك كيف تمتص الذرات الطاقة في شكل ضوء، وكيف تطلقها، ويوضح طبيعة الضوء.
تمضي ميكانيكا الكم إلى ما يتجاوز الحدود القصوى للفيزياء التقليدية، التي تقوم على أساس القوانين التي صاغها العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن. وهي تُعد من المُنجَزَات العلمية الكبرى التي تحققت في القرن العشرين. وبالإضافة إلى أهميتها النظرية، فقد ساهمت في تطوير أجهزة عملية مثل أجهزة الليزر والترانزستور، كما مكنت العلماء من تحقيق فهم أفضل للروابط والتفاعلات الكيميائية.
فهم ميكانيكا الكم.
تتحرك في الذرة جسيماتٌ صغيرةٌ ذاتُ شحنة كهربائية سالبة. ويُطلق على هذه الجسيمات الإلكترونات وتتحرك في مدارات حول نواة ذات شحنة موجبة. وتوضح ميكانيكا الكم أن الإلكترونات لايمكنها التحرك إلا في مدارات بعينها، وكلّ مدار يدعى المدار المُكمَّى وله قيمة معينة من الطاقة. وعندما يكون إلكترون ما في مدار محدد فإنه يوجد في مستوى بعينه من مستويات الطاقة، ولايطلق الطاقة أو يمتصها. ويظل الإلكترون في هذه الحالة العادية، طالما أن ذرته على حالها، ولكن إذا ما أثرت قوى خارجية على هذه الذرة، فإن الإلكترون يمكن أن يتغير متنقلاً إلى مدار مكمّى آخر.
وعندما يقفز الإلكترون من مدار ذي طاقة أعلى إلى مدار ذي طاقة أقل، فإنه يطلق الطاقة على شكل ضوء، وهذا الضوء يُطلق في صورة حزمة صغيرة من الطاقة تدعى كم (كوانتم) أو فوتون. وتساوي طاقة الفوتون هذه الفرق في الطاقة بين المدارين اللذين حدث القفز من أحدهما إلى الآخر. والإلكترون يمكنه كذلك أن يمتص فوتوناً، ويقفز من مدار ذي طاقة أدنى إلى مدار ذي طاقة أعلى. وبهذه الطريقة فإن ميكانيكا الكم توضح العملية التي من خلالها تُطلق الذرة فوتونات الضوء وتمتصها.
كان العلماء في السابق يعتقدون أن الضوء موجةٌ تنبعث على شكل دفقٍ متواصل، ولكننا الآن نعرف أن للضوء خواصّ كل من الجسيمات (الفوتونات) والموجات. وللفوتون طاقة تتناسب مع تردد الموجات؛ أي مع عدد الذبذبات في الثانية.
يشكل الضوء الصافي خطًّا طيفيًا واحدًا، يمثل ترددًا أو لوناً معيناً. وتطلق ذرات عنصر كيميائي ما موجات ذات ترددات واسعة النطاق لإنتاج العديد من الخطوط المختلفة. وتشكل هذه السلسلة من الخطوط طيف العنصر الكيميائي، الذي يختلف عن طيف أي عنصر آخر. ويمكن باستخدام ميكانيكا الكم تقدير ترددات خيوط طيف أي عنصر.
وتوضح ميكانيكا الكم أن الإلكترونات وغيرها من الجسيمات الذرية للمادة مرتبطة بالموجات كذلك. وهذه الموجات التي تسمى موجات المادة لها أطوال موجية محددة. والطول الموجي يتناسب في كل الأحوال مع تردد الموجات ومع كمية حركة الجسيمات. وهذه الكمية تُحسب بضرب كتلة الجسيمات في سرعتها.
وتقدم موجات المادة تفسيراً لترتيب الإلكترونات في مدارات منفصلة. فعندما يكون إلكترون بعيداً عن المؤثرات الخارجية فإن موجته تتطابق حول نواة الذرة على مسافة تتيح لهذه الموجة أن تلاحق نفسها دون صعوبة. وإلكترونات الذرة الواحدة لها موجات ذات أطوال موجية مختلفة. وهذه الإلكترونات تُشكل مدارات على مسافات متباينة من النواة.
ويعد مبدأ الريبة من الأفكار الأساسية الأخرى في ميكانيكا الكم. ووفقاً لهذا المبدأ فإن وضع جسيم ما وسرعته لايمكن قياسهما بدقة على نحو متزامن. وهذا المبدأ صحيح، لأن الجسيم له خواص موجية معينة. وبالإضافة إلى ذلك فإن الطريقة المستخدمة لتحديد وضع الجسيم وسرعته لاتسمح بدقة لاحدود لها. فعلى سبيل المثال يتعين على الفيزيائيين (علماء الطبيعة) للقيام بمثل هذه القياسات إطلاق الفوتونات على الجسيم لرؤيته. ولكن هذه الفوتونات تصطدم بالجسيم ولذا فإنها تؤثر على وضعه وسرعته. ونتيجة لذلك فإن الفيزيائيين لايمكنهم قياس خواص الأجسام إلا ببعض الدقة ولكن ليس بالضبط تماماً.
نبذة تاريخية
طرح عالم الفيزياء الألماني ماكس بلانك في 1900م فكرة الكمات لتفسير طيف الضوء المنبعث من أجسام ساخنة بعينها. وفي 1905م قام عالم الفيزياء الألماني المولد ألبرت أينشتاين بتوسيع نطاق فكرة بلانك، وذلك لتفسير الظاهرة المسماة بالتأثير الكهروضوئي. وبذلك برهن أينشتاين على أن الضوء يتكون من جسيمات من الطاقة لها خواص موجية. واقترح نيلز بور، عالم الفيزياء الدنماركي، نظرية التركيب الإلكتروني للذرة في عام 1913م، وأوضح كذلك كيف تشع الذرات الضوء. ويطلق العلماء على عمل بور نظرية الكم للتمييز بينه وبين النسق الأوسع نطاقاً لميكانيكا الكم.
طرح عالم الفيزياء الفرنسي لويس دو بروغلي فكرة موجات المادة في سنة 1924م. وقام عالما الفيزياء النمساوي إيرفين شرودينجر والألماني هيسينبرج، كل منهما مستقلاً عن الآخر، بتطوير أشكال ميكانيكا الكم في منتصف العشرينيات من القرن العشرين. وتم منذ ذلك الحين توحيد تلك الأشكال في نسق واحد وتطبيقها على العديد من المجالات العلمية، بما في ذلك الكيمياء وعلم الأحياء الجزيئية. وفيزياء الأجسام الصلبة.
مستويات طاقة الإلكترونات.
حسب نظرية ميكانيكا الكم، لا تستطيع الإلكترونات أن تحصل علي أي كمية مفترضة من الطاقة. بدلاً من ذلك، فإن الإلكترونات مقيَّدة بمجموعة من الحركات كل منها مرتبط بقيمة محدَّدة من الطاقة. تُسمَّى هذه الحركات بالحالات الكمية أو مستويات الطاقة. فعندما يكون إلكترون في حالة كمية معينة، فإنه لا يمتص ولا يعطي طاقة. ولهذا السبب، فإن الذرة تستطيع أن تكتسب أو تفقد طاقة فقط عندما يغيِّر واحد أو أكثر من إلكتروناتها من حالته الكمية.
وكما يبحث الماء دائمًا عن أقل مستوى ممكن، فإن الإلكترونات تبحث دائمًا عن الحالة المرتبطة بأقل طاقة. ومع ذلك، فإن أي حالة كمية لا يمكن أن تُشغل إلا بإلكترون واحد فقط. فعندما تمتلئ الحالات الكمية الأكثر انخفاضًا، فإن باقي الإلكترونات تُجبر على الانتقال لتشغل حالات كمية أعلى. فإذا كانت جميع الإلكترونات في أقل الحالات انخفاضًا فيُقال حينئذ: إن الذرة في الحالة الأرضية. وهذه الحالة طبيعية للذرات عند درجة الحرارة العادية.
إذا سُخِّنت المادة إلى درجات حرارة أعلى من بضع مئات من الدرجات، تتوفر طاقة كافية لرفع إلكترون أو أكثر إلى مستوى طاقة أعلى. وتصبح الذرة حينئذ في حالة إثارة. ومع ذلك، فنادرًا ما تبقى هذه الذرة في حالة الإثارة لأكثر من جزء من الثانية. يسقط الإلكترون المثار فورًا إلى حالة أكثر انخفاضًا ويستمر في السقوط حتى تعود الذرة إلى الحالة الأرضية. وعند كل سقوط، يعطي الإلكترون قدرًا محددًا من الطاقة الإشعاعية المركزة يسمى بالفوتون. وتساوي طاقة الفوتون الفرق بين مستويين للطاقة. ويمكن كشف الفوتونات التي تعطيها الإلكترونات كضوء مرئي وكصور أخرى للإشعاع الكهرومغنطيسي.
وقد شبّه بور، في بادئ الأمر، الحالات الكمية للإلكترونات بمدارات الكواكب حول الشمس. لكن علماء الطبيعة اليوم يعلمون أن هذا التشبيه غير صحيح؛ لأن الإلكترون ليس مجرد جسم بسيط. فللإلكترون أيضًا بعض خواص الموجات. وإنه حقًا لمن الصعب أن نتخيل كيف يكون شيء ما جُسَيْمًا وموجةً في الوقت نفسه. وتمثل هذه الصعوبة إحدى المشاكل التي واجهت العلماء وهم يحاولون وصف الذرة لغير العلماء. فللقيام بذلك، ينبغي أن يستخدم العلماء أفكارًا مألوفة مبنية على معرفتنا بالعالم الذي نلاحظه. لكن الظروف داخل الذرة الدقيقة تختلف كثيرًا جدًا عن الظروف التي نقابلها في عالم كل يوم. ولهذا السبب، يستطيع علماء الفيزياء وصف حركات الإلكترونات تمامًا وبدقة فقط باستخدام الرياضيات.
القوى داخل النواة.
تنطبق القواعد الكمية التي تحكم حركة الإلكترونات أيضًا على حركة البروتونات والنيوترونات داخل النواة. لكن القوة التي تحافظ على جسيمات النواة معًا تختلف كثيرًا عن قوة الجذب التي تمسك بالإلكترونات داخل الذرة.فكل جُسَيْم نووي ينجذب إلى أقرب جار له بما يُسمَّى بالقوة النووية أو ما يُسمَّى في بعض الأحيان بالتفاعل القويّ. ومن المعروف أن الشحنات المتماثلة تتنافر، لكن القوى النووية العظيمة تتغلب على التنافر المتبادل بين البروتونات موجبة الشحنة، وهكذا تحافظ على النواة من التفكك. وتتلاشى هذه القوة بسرعة مالم تكن جُسَيمات النواة شديدة التقارب فيما بينها. والإلكترونات محصَّنة ضد القوة النووية.
والقوة النووية بالغة التعقيد، ولم يستطع العلماء بعد التوصل إلى وصف رياضي دقيق لها. وهناك نظرية تُعْرف بالنموذج المداري النووي تعطي تقديرات سليمة لمستويات الطاقة في النواة.
ويستطيع بروتون واحد ونيوترون واحد أن يشغلا كل حالة كمية في النواة. ولهذا السبب فإن النواة الحقيقية يكون بها عدد متساو تقريبًا من البروتونات والنيوترونات. لكن البروتون والنيوترون الموجودان في نفس الحالة الكمية لا تتساوى كمية الطاقة الخاصة بكل منهما بالضرورة. ويُطْرد كل بروتون كهربائيًا بوساطة باقي البروتونات في النواة مما يزيد من طاقته.
ويكون الاختلاف في مستويات الطاقة بين البروتونات محسوسًا في النواة متعددة البروتونات، كما تتوافر بها حالات طاقة منخفضة للنيوترونات أكثر مما تتوافر فيها للبروتونات. وتفسر هذه الحقيقة لماذا تحتوي النواة الثقيلة على عدد من النيوترونات يفوق عدد البروتونات.
كيف يدرس العلماء الذرات
يستخدم العلماء أجهزة قياس وتقنيات متعددة لدراسة الذرات. وتعتمد الأجهزة والطرق المستخدمة على نوعية الدراسة، وهل هي دراسة للذرات نفسها، أو للإلكترونات، أو للجُسيمات النووية أو لجسيمات الكوارك.
ويستخدم الباحثون الأشعة السينية لدراسة ترتيب الذرات في الأنماط العادية المتكررة كما في البلّورات. فعندما تمر الأشعة السينية خلال بلورة، فإن الذرات تكسر الأشعة السينية بطريقة معينة. تنتج هذه الأشعة المنكسرة أنماطًا ضوئية على فيلم فوتوغرافي تحكي مدى تباعد الذرات بعضها عن بعض، وكيف تنتظم داخل البلورة. وتمكِّن المجاهر الإلكترونية الماسحة والمجاهر الخندقية الماسحة وكذلك مجاهر انبعاث المجال العلماء من ملاحظة أوضاع الذرات المفردة.
ويدرس العلماء حركة الإلكترونات أساسًا بوساطة تحليل الضوء المنبعث من ذرات الغازات المسخَّنة. ويُستخدم المطياف (مقياس الطيف) لتحليل الضوء إلى طَيْف. وهو يعطي خطًا منفصلاً لكل طول موجي من الضوء. ويرتبط كل طول موجي مع فَرْق الطاقة بين حالتين من الحالات الكمية في الذرة. وبعد تعيين الأطوال الموجية، يستطيع العلماء رسم بيان كامل عن مستويات الطاقة. ويستطيعون كذلك، بمساعدة الميكانيكا الكمية، الحصول على وصف لحركات الإلكترون داخل الذرة.
وقد تم التوصل إلى معظم ما يعرفه العلماء اليوم عن تكوين النواة بوساطة التجارب التي أجريت باستخدام معجِّلات الجُسَيمات. تقوم هذه المعجِّلات بقذف النواة بشعاع من الإلكترونات أو البروتونات عالية الطاقة. وتستطيع البروتونات أو الإلكترونات المتحركة بسرعة التأثير في حركة الجسيمات في النواة، بل تستطيع في بعض الأحيان إطلاق سراحها. ويمكن في بعض التجارب، تحريك نواة بأكملها وجعلها تصطدم بنواة ساكنة أخرى. وقد تمكن علماء الفيزياء النووية من تطوير أنواع متعددة من الكواشف لملاحظة الجُسيمات التي تنطلق نتيجة لهذه التصادمات. ويقوم أغلب هذه الكواشف بإنتاج إشارة كهربائية عندما يمر خلالها جُسَيْم.
تطور النظرية الذرية
لقد نشأت فكرة تكوُّن كل شيء من أجزاء بسيطة صغيرة خلال القرن الخامس قبل الميلاد في نطاق الفلسفة الذرية. وقد قدم هذه الفلسفة الفيلسوف الإغريقي ليوسيبّوس. وقام تلميذه ديموقريطس بتطويرها بصورة أكمل. وأعطى ديموقريطس الجُسيم الأولي الاسم ذرة الذي يعني غير قابل للقطع. وقد تخيل الذرات كجسيمات صلبة صغيرة مركبة من نفس المادة، لكنها تختلف عن بعضها في الشكل والحجم. وقد أدخل العالم الإغريقي أبيقور في القرن الرابع قبل الميلاد أفكار ديموقريطس في فلسفته. وفي حوالي عام 50 ق.م. قدم الفيلسوف والشاعر الروماني لوكريشيس المباديء الأساسية للفلسفة الذرية في قصيدته: "عن طبيعة الأشياء".
وفي العصور الوسطى حدث تجاهل تام لفكرة الذرات.
وقد نتج هذا التجاهل بسبب رفض أرسطو، وهو أحد فلاسفة الإغريق، لهذه الفكرة حيث سادت فيه نظرياته مجالات الفلسفة والعلم في العصور الوسطى. لكن فكرة كون الذرات هي وحدات البناء الأساسية لكل المواد عاشت وانتعشت في القرنين السادس عشر والسابع عشر الميلاديين نتيجة لاعتناق مؤسسي العلم الحديث، أمثال فرانسيس بيكون وإسحق نيوتن من إنجلترا، وكذلك جاليليو من إيطاليا، لها. ولكنهم لم يضيفوا شيئًا يُذكر إلى النظرية الذرية التي وصفها ديموقريطس.
ميلاد النظرية الذرية الحديثة.
في عام 1750م خرج العالم رودجر بُسْكوفتْش اليوغوسلافي المولد بفكرة مؤداها أن ديموقريطس ربما يكون قد أخطأ بتصوره أن الذرة غير قابلة للتفتت. واعتقد بُسْكوفتش أن الذرة تحتوي على أجزاء أصغر وهذه بدورها تحتوي أيضًا على أجزاء أصغر وأصغر وهكذا حتى وحدات البناء الأساسية للمادة. وشعر أن وحدات البناء هذه لابد أن تكون نقاطًا هندسية بلاحجم على الإطلاق. واليوم يعتنق أغلب علماء الذرة صورة حديثة لفكر بُسْكوفتش.
حدث تقدم سريع في تطوير النظرية الذرية عندما أصبحت الكيمياء علمًا دقيقًا خلال أواخر القرن الثامن عشر. فقد اكتشف علماء الكيمياء أنه من الممكن تجميع العناصر لتكوين مركَّبات، وذلك بنسب محدَّدة مبنية على كتلة أي من هذه العناصر. وتمكن العالم البريطاني جون دالتون في عام 1803م من تطوير نظرية ذرية تفسر هذا الاكتشاف. فقد اقترح دالتون أن كل عنصر يتكون من نوع خاص من الذرات وأن اختلاف خواص العناصر ينجم عن اختلاف ذراتها. وذهب إلى أبعد من ذلك فقال: إن ذرات كل عنصر متماثلة تمامًا في الحجم والشكل والكتلة.
وتبعًا لنظرية دالتون، فإن الذرات، عندما تتجمع لتكوِّن مركَّبًا معيَّنًا، تتجمع دائمًا وفق نسب عددية محدَّدة. وعلى هذا يصبح تركيب كتلة من مركب معين هو نفسه على الدوام.
الأوصاف الأولى للتركيب الذري.
في عام 1897م، اكتشف عالم الفيزياء البريطاني جوزيف طومسون أن الذرات قابلة للتفتت. وقد توصل إلى اكتشافه هذا عندما كان يدرس الأشعة التي تنتقل بين الألواح المعدنية في صمام مفرغ. وقرر أن هذه الأشعة تتكون من جُسيمات خفيفة الوزن سالبة الشحنة. وبهذا يكون قد اكتشف الإلكترونات. وتبين طومسون على الفور أن الإلكترونات لابد أن تكون جزءًا من الذرة. واقترح نموذجًا للذرة تنغمس فيه الإلكترونات سالبة الشحنة في كرة موجبة الشحنة. وبالرغم من أن وصف طومسون كان بعيدًا كل البعد عن الوصف الصحيح للذرة، فإن عمله شجَّع علماء آخرين على بحث هيكل الذرة.
في عام 1911م قدَّم عالم الفيزياء البريطاني إرنِسْت رَذَرْفورد نظريته عن تكوين الذرة. فقد أعلن رذرفورد، وهو أحد تلاميذ طومسون السابقين، أن كل وزن الذرة تقريبًا مركَّزٌ في نواة دقيقة الحجم، وأن هذه النواة محاطة بإلكترونات تنتقل بسرعات بالغة الكبر خلال المنطقة الخارجية للذرة.
وقد بنى رذرفورد نظريته على نتائج التجارب التي قام فيها بقذف شرائح رقيقة من الذهب بجسيمات ألفا. فقد نفذت أغلب الجُسيمات من الشرائح، مما بين أن ذرات الذهب لابد أن تكون مكونة أساسًا من فضاء فارغ. لكن بعض الجُسيمات ارتدت كما لو كانت قد اصطدمت بشيء صلب. واستخلص رذرفورد من ذلك أن هذه الجُسيمات المرتدة انعكست بفعل قوة عظيمة من النواة الصغيرة الثقيلة لذرة من ذرات الذهب.
ولم تبين نظرية رذرفورد كيفية ترتيب الإلكترونات في الذرات. وفي عام 1913م اقترح العالم الدنماركي نيلز بور، الذي كان قد سبق له العمل مع رذرفورد، وصفًا لذلك. افترض بور أن الإلكترونات تنتقل فقط في مجموعة محدَّدة من المدارات حول النواة. ولم يكن افتراض بور الأوَّلي هذا مناسبًا، ولكن كثيرًا من الأفكار خلف هذا الافتراض ثبتت صحتها.
وفي عام 1924م رأى العالم الفرنسي لوي دي بروجلي أن للإلكترونات خواص الموجات. وفي 1928م تم الحصول على وصف سليم لترتيب الإلكترونات بمساعدة علماء فيزياء آخرين وخصوصًا وولفجانج باولي وإيرفين شرودينجر النمساويين وماكس بورن وفرنر هيسينبرج الألمانيين.
دراسة النواة.
بالرغم من أن علماء الفيزياء (الطبيعة) فهموا حركة الإلكترونات بحلول عام 1928م، إلا أن النواة ظلت غامضة إلى حد كبير. وقد تم تشخيص البروتونات في عام 1902م. واعتقد رذرفورد في عام 1914م أن البروتونات لابد أن تكون جزءًا من النواة. وتبيَّن العلماء أن النواة لا يمكن أن تكون مكونة من بروتونات فقط. وفي 1932م اكتشف عالم الفيزياء البريطاني جيمس تشادْويك أن النواة تحتوي أيضًا على جُسيمات غير مشحونة سُمِّيت بالنيوترونات. كذلك طوّر العلماء في أوائل الثلاثينيات من القرن العشرين معجِّلات للجُسيمات قادرة على إنتاج طاقات عالية بدرجة كافية لدراسة النواة.
لم يتوقع رواد الفيزياء النووية أن يروا في وقت قصير تطبيقًا علمياً لما لديهم من معرفة. لكن الباحثين اكتشفوا في عام 1938م أن قذف نواة ذرة اليورانيوم بنيوترون يسبب انشطارها إلى جزءين وإطلاق طاقة. وأطلقوا على هذه العملية الانشطار النووي. وجاء هذا الاكتشاف قبل اندلاع الحرب العالمية الثانية في عام 1939م بشهور قليلة، واستُخدم الانشطار النووي في القنابل النووية التي ساعدت على وضع نهاية لهذه الحرب في عام 1945م.
وقد جعل تطوير الأسلحة النووية الحكومات تقف على أهمية تطوير الفيزياء النووية. نتيجة لهذا، رُصدت مبالغ طائلة من الأموال للأبحاث النووية بعد الحرب. كما كانت الاستخدامات السلمية للانشطار النووي محل اهتمام متزايد. ففي الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ تشغيل أول محطة نووية لتوليد الطاقة الكهربائية بتحويل الطاقة الحرارية التي تنتج من الانشطار النووي للنظير يورانيوم 235.
لكن سباق التسلح كان في الواقع السبب الرئيسي وراء الاهتمام البالغ بالأبحاث النووية. ففي أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ العلماء في تطوير القنبلة الهيدروجينية. وتختلف في فكرتها عن القنبلة الذرية، فهي تعتمد على اتحاد ذرات الهيدروجين. وعملية اتحاد الذرات هي الفاعلة في إنتاج الحرارة والضوء في الشمس والنجوم الأخرى. وهي عملية من الصعب التحكم فيها. ولو كان في استطاعة العلماء التحكم في عملية اتحاد الذرات لاستطاعوا إنتاج طاقة حرارية أرخص كثيرًا من تلك التي تنتج من الانشطار النووي نظرًا لتوفر غاز الهيدروجين.
وبعيدًا عن سباق التسلح، فإن الدراسة الأكاديمية للفيزياء النووية، وإنشاء معجِّلات الجسيمات متزايدة الحجم والطاقة أدَّت إلى زيادة معرفتنا بتفاصيل النواة.
وقد تبين العلماء أن البروتون والنيوترون لا يمكن أن يكونا مجرد جُسيمات بسيطة. ووجدوا أيضًا أن النيوترون غير خال من الشحنات الكهربائية. بل تبينوا أنه يحتوي على كميات متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. كما اكتشف الباحثون مئات من الجسيمات الجديدة متشابهة جدًا، وكذلك للبروتونات والنيوترونات مما قاد لفكرة أن كل الجسيمات النووية مكونة من تنظيمات مختلفة لقليل من الأجزاء الصغيرة.
اكتشافات حديثة.
بحلول عام 1964م، توصل الباحثون إلى قرائن تدل على ماهية الأجزاء الأساسية المكونة للبروتونات والنيوترونات والجُسيمات النووية الأخرى. فقد طرح عالما الفيزياء الأمريكيان موراي جل ـ مان وجورج زفايج نظرية تصف هذه الأجزاء. وسمَّى جل ـ مان هذه الأجزاء بجسيمات الكوارك. وبيَّن علماء الفيزياء في عام 1971م أن هذه الجسيمات أصغر كثيرًا من البروتونات والنيوترونات.
وقد قاد نجاح نظرية الكوارك إلى تقدم سريع في الفيزياء تحت الذرية. وظل صعبًا التوصل إلى وصف دقيق للقوة بين البروتونات والنيوترونات نظرًا لشدة تعقيد هذه الجُسيمات، ومع ذلك، فإن القوة التي تحتفظ بجسيمات الكوارك معًا أصبحت مفهومة تمامًا مما سيساعد علماء الفيزياء مستقبلاً في فهم القوة النووية. ويبقى السؤال ما إذا كانت جسيمات الكوارك هي
وحدات البناء الأساسية النهائية للذرات. كثير من الأبحاث مخصص للإجابة عن هذا السؤال.
ملحق
لقَلَوي
يشير هذا المصطلح في الكيمياء إلى ستة عناصر كيميائية تعرف باسم الفلزات القلوية، وهي الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم والفرانسيوم. وتشكل هذه العناصر المجموعة الأولى في الجدول الدوري. وتحتل مركبات الفلزات القلوية منزلة بين أكثر المواد الكيميائية رواجًا وفائدة. وتستعمل مئات الأطنان من أملاح الفلزات القلوية في الصناعة كل سنة. وتستخرج تلك الأملاح من المناجم والآبار. وتستخدم أملاح الصوديوم والبوتاسيوم مواد أولية لهيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم. وتلك المركبات القلوية، والأخرى التي تصنع منها، تستعمل في صناعة الزجاج والورق والصابون والنسيج، وفي تكرير النفط وتصنيع الجلود. وتأتي كلمة القلوي من الكلمة العربية القلي، وتعني الرماد النباتي. وقد كان الرماد النباتي أول مصدر لاستخراج مركبات الفلزات القلوية.
وعندما تستخدم كلمة القلوي بمفردها، فإنها تشير إلى هيدروكسيدات الفلزات القلوية وفي بعض الأحيان إلى كربونات الفلزات القلوية. ووهيدروكسيد الفلز القلوي مركب يحتوي على أيون الفلز القلوي الموجب، وكذلك على أيون الهيدروكسيد السالب. وهيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم قلويان. وعندما تأتي كلمتا الفلز القلوي، بعد كلمة أخرى كما في هاليد الفلز القلوي فإنها تشير إلى وجود أيون موجب لفلز قلوي. فكلوريد الصوديوم (NaCL)، هاليد لفلز قلوي حيث يتكون من الأيون الموجب لفلز الصوديوم القلوي، والأيون السالب للكلور.
توجد فلزات القلويات في الطبيعة على شكل مركبات دائمًا. ويمكن فصل الفلزات عن أملاحها هيدروكسيداتها بعملية تدعى التحليل الكهربائي. ويمكن استخراج نحو 14,2كجم من الصوديوم، و 12,9كجم من البوتاسيوم من 454كجم من القشرة الأرضية. كما يمكن استخراج نحو 156جم من كل من الروبيديوم، والسيزيوم و32جم من الليثيوم. ويحصل على الفرانسيوم، وهو فلز قلوي مشع، بشكل بسيط عندما ينحلّ اليورانيوم.
وباستثناء الفلزات المعروفة باسم السليكات الشائعة، فإن معظم المركبات القلوية تذوب بسهولة في الماء. وتقوم الأمطار بغسل تلك المركبات من التربة، ثم تتجمع في المحيطات، والبحيرات التي لا مخرج لها، مثل البحيرة المالحة العظيمة في يوتا بالولايات المتحدة الأمريكية. وقد تركت عمليات تبخُّر البحار والبحيرات القديمة بقايا هائلة من الأملاح القلوية على امتداد العالم.
وتكوِّن جميع الفلزات القلوية أيونات موجبة أحادية الشحنة. وهي نشطة كيميائيًا، وتتفاعل بشدة مع الماء مكونة الهيدروكسيد، ومطلقة غاز الهيدروجين والحرارة.
الفِلِز
مادة متبلورة، ذات متانة عالية عادة، تشغل حيزًا كبيرا من الأرض التي نعيش عليها. وتمثل الفلزات ما يقرب من 80% من العناصر المعروفة لنا. وتمثل الفلزات أيضًا أهمية كبيرة بالنسبة للإنسان؛ لأنها تدخل في عمليات التصنيع والإنشاء. فالفلزات وأخلاط منها تسمى السبائك تستخدم في صنع السيارات، ومختلف أنواع الآلات. وتستخدم المركبات التي تحتوي على فلزات، في صنع الأدوية والبطاريات ومنتجات أخرى.
ما الفلز.
تتصف الفلزات بخصائص معينة، تميزها عن غيرها من العناصر. فالفلزات تعكس الضوء، ولها بريق وتعد موصلات جيدة للحرارة والكهرباء. ومعظم الفلزات قابلة للطَّرق أي يمكن طرقها وتحويلها إلى رقائق. وكذلك فإن معظم الفلزات قابلة للسحب أي يمكن تحويلها إلى أسلاك.
وفي التفاعل الكيميائي مع مادة لا فلزية، تفقد ذرة الفلز إلكترونًا أو أكثر، تكتسبه المادة اللافلزية. وعلى سبيل المثال، يتفاعل فلز الصوديوم مع الكلور ليكوّنا مُركّب كلوريد الصوديوم. وفي هذا التفاعل الكيميائي تتخلّى كل ذرة صوديوم عن إلكترون واحد، يحمل شحنة سالبة، لتكوين أيون كلوريد. أما الأيونات المعاكسة في الشحنة فإنها تتحد مكوّنة كلوريد الصوديوم، وهو ملح الطعام الشائع.
وتختلف خصائص الفلز النقي عن خصائص المركب الذي يحتوي على فلز. على سبيل المثال، يكون فلز الصوديوم في حالته الفلزية، برّاقًا وذا قابلية عالية للطَّرق، ويتفاعل بسرعة مع الهواء. أما مركب كلوريد الصوديوم فلا لون له. وهو أيضًا هش ومستقر في الهواء.
وتظهر معظم العناصر الفلزية في القشرة الأرضية على هيئة مركبات وليس في الحالة الفلزية التي نعرفها. فالقشرة الأرضية، على سبيل المثال، تحتوي على 8% من الألومنيوم، و5% من الحديد، و4% من الكالسيوم. وقد يتم العثور في القشرة الأرضية على بعض الفلزات النادرة والأقل تفاعلاً في الحالة الفلزية. ومن هذه الفلزات، النّحاس، والذهب، والزئبق، والبلوتونيوم. ويعتقد العلماء، أن نواة الأرض تتكون بشكل رئيسي من الحديد والنيكل في الحالة الفلزية.
وتحتفظ مركبات الفلزات بخصائص الفلزات. وتشتمل هذه المركبات على البرونز، وفلز الأجراس، وفلز المدافع، وفلز الطباعة. أمَّا السبائك والفلزات التي لاتحتوي على الحديد، فيطلق عليها اسم الفلزات والسبائك غير الحديدية.
الفلزات عبر العصور.
عرف الأقدمون الفلزات المحلية واستعملوها. وكان الذهب يستخدم في الزخرفة، وصنع الأطباق والجواهر وغيرها منذ عام 3500ق.م. وقد تمَّ التنقيب عن الأجسام الذهبية التي تشير إلى درجة عالية من الحضارة، في موقع آثار مدينة أور في جنوبي بلاد ما بين النهرين. وقد استخدمت الفضة منذ عام 2400ق.م. واعتبرها الكثير من الأقدمين أكثر قيمة من الذهب، لأنه كان نادرًا في حالته الأصلية. كما تم استخدام النحاس الأصلي في زمن مبكر في صُنع الأدوات المنزلية والمعدات الأخرى. فقد كان يتم العثور عليه قرب سطح الأرض في حالته الأصلية، وكان يمكن تصنيعه وتشكيله بسهولة.
ومنذ القرن الحادي عشر قبل الميلاد، اعتُبر كلٌّ من الحديد والفولاذ من الفلزات الرئيسية وبخاصة في الإنشاءات. واليوم يتم استهلاك كمية كبيرة من هذين الفلزين في صناعة المعدات الفولاذية. والشيء نفسه ينطبق على ترسبات النحاس، والرصاص، والزنك، ومن ثم فإن خبراء الفلزات يستبدلون الألومنيوم بالفولاذ في صُنع العديد من الآلات. فكمية الألومنيوم الموجودة بالقشرة الأرضية تكاد تكون غير محدودة.
أما المغنسيوم، وهو فلز آخر خفيف وقوي، فقد أصبح مُهمًا. ويتم استخلاصه من ماء البحار، والصخور الشائعة، المعروفة باسم الدولوميت. أما الفلز المشع وهو اليورانيوم، فإنه يستخدم وقودًا في المفاعلات النووية.
الغاز الخامل
مصطلح كيميائي يشير إلى مجموعة من ستة عناصر كيميائية، هي الأرجون Ar، والهيليوم He والكربتون Kr والنيونNe والرادون Rn والزينونXe . وهي توجد في الطبيعة وفي الجو. وقد اكتشف العالمان البريطانيان البارون رايلي ووليم رامزي الغازات الخاملة في أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر الميلادي.
وخلافًا لمعظم العناصر الغازية، فإن الغازات الخاملة أحادية الذرة، أي توجد في الطبيعة على شكل ذرات منفردة بدلاً من جزيئات من ذرتين أو أكثر. والذرات ذات ترتيبات مستقرة من الإلكترونات. ولذا فإن الذرات في الظروف العادية، لاتكتسب أو تفقد إلكترونات أو تتشارك في إلكترونات مع عناصر أخرى. وتسمى الغازات الستة بالغازات الخاملة لأنها لاتتفاعل بسهولة مع عناصر أخرى. ولكن الكربتون، والرادون، والزينون، تتحد مع الفلور والأكسجين لتكوين مركبات.
وهناك استخدامات عديدة للغازات الخاملة. فكلها عدا الرادون، الذي هو عنصر مشع للغاية، تستخدم مصادر للضوء في المصابيح المتوهجة، ومصابيح التفريغ الغازي. انظر: الضوء الكهربائي. كما يُستخدم بعضها في أجهزة تعرف بالليزرات الغازية.
يستعمل الأرجون والهيليوم في عملية لحام تدعى اللحام القوسي. وهي توفر وسطًا خاملاً كيميائيًا لتسخين فلزات معينة، مثل الألومنيوم والمغنسيوم، إلى نقطة انصهارها دون أن تتفاعل كيميائيًا. ويمكن أيضا استعمال الهيليوم في البالونات التي تحمل أجهزة علمية عاليا في الجو، وفي أبحاث الحرارة المنخفضة. ويستخدم الأطباء الرادون أحيانا ـ بسبب إشعاعيته ـ في علاج السرطان.
الأتربة النادرة
مصطلح يعني أي مجموعة من العناصر الفلزية التي تتراوح أعدادها الذرية بين 58 و71. وأول من درس الأتربة النادرة هو جوستاف موساندر في الأربعينيات من القرن التاسع عشر. والواقع أن تسمية الأتربة النادرة غير صحيحة، إذ أن تلك العناصر ليست أتربة ولا هي نادرة، وإنما أطلق عليها هذا الاسم لأن الكيميائيين فصلوها لأول مرة في شكل أكاسيد. وهذه الأكاسيد تشبه إلى حد ما أكاسيد الكالسيوم والمغنسيوم والألومنيوم، التي تعرف أحياناً باسم الأتربة المعتادة .
وهذه العناصر لها ثلاثة إلكترونات في الغلاف الخارجي لذراتها وتشترك بها في التفاعلات الكيميائية. وبسبب هذا التركيب تشترك جميع عناصر الأتربة النادرة في خواص متشابهة في محاليلها المائية، ويمكن وجودها جميعًا في الحالة الثلاثية التكافؤ أي ثلاث شحنات كهربائية لكل ذرة. ونظرًا لتشابه خواصها الكيميائية فإنه من الصعب فصلها.