حتما تا به حال در کتاب علوم هشتم عدد کنار اتم را دیدهاید (مانند 6C) و از خود پرسیدهاید این عدد چیست و چه کاربردی دارد. به این عدد عدد اتمی میگویند. عدد اتمی یکی از سادهترین و در عین حال مهمترین مفاهیم شیمی است که کل جدول تناوبی بر اساس آن بنا شده است. اگر بخواهیم خیلی ساده بگوییم، عدد اتمی نشان میدهد در هسته یک اتم چند پروتون وجود دارد. هر عنصر در جدول تناوبی یک عدد اتمی مشخص دارد و همین عدد هویت آن عنصر را تعیین میکند. برای مثال عدد اتمی هیدروژن(1H) برابر ۱ است، زیرا در هسته آن یک پروتون وجود دارد. همچنین برای کربن، این عدد همیشه ۶ است (6C)، یعنی تمام اتمهای کربن در جهان، ۶ پروتون در هسته خود دارند.
در ادامه این مقاله یاد میگیرید عدد اتمی دقیقا چیست، فرمول آن چیست و چطور آن را از روی جدول تناوبی بخوانید. بنابراین تا انتهای این مقاله با ما همراه شوید.
عدد اتمی اتم چیست؟
در هر اتم یک هسته وجود دارد و درون هسته ذرات کوچکتری به نام الکترون، پروتون و نوترون وجود دارد. به تعداد پروتونهای یافت شده در هسته اتم عدد اتمی میگویند. در واقع عدد اتمی و تعداد پروتون های یک اتم باهم برابرند. عدد اتمی هر عنصر منحصر به فرد و متفاوت است و این ویژگی خاصیت شیمیایی عناصر جدول تناوبی را مشخص میکند. به عنوان مثال عنصر هیدروژن دارای ۱ پروتون و ۱ الکترون است (نوترون ندارد) پس عدد اتمی آن ۱ است. نماد عدد اتمی حرف Z است. اگر عدد اتمی یک عنصر بدانید به طور دقیق میدانید آن عنصر چند پروتون در هسته خود دارد.
اولین نفری باشید که از اخبار و اطلاعیههای مرتبط با پایه تحصیلیتان باخبر میشود!
تاریخچه کشف عدد اتمی؛ از مندلیف تا موزلی
شاید برایتان جالب باشد بدانید که جدول تناوبی در ابتدا بر اساس عدد اتمی مرتب نشده بود! داستان کشف این مفهوم کلیدی در شیمی، مسیر پرپیچوخمی را طی کرده است که در ادامه میبینید:
- اشتباه اولیه مندلیف: در سال ۱۸۶۹، «دمیتری مندلیف» اولین جدول تناوبی خود را بر اساس جرم اتمی (وزن اتمها) مرتب کرد. اما او متوجه شد برخی عنصرها با این چیدمان در جای درست خود قرار نمیگیرند (مثلا عناصر تلوریم و ید). بنابراین مجبور شد برای حفظ خواص شیمیایی، جای این عناصر را تغییر دهد، بدون اینکه دلیل علمی آن را بداند.
- کشف پروتون و مدلهای اتمی: سالها بعد در ۱۹۱۱، «ارنست رادرفورد» متوجه شد هسته اتم بار مثبت دارد. سپس دانشمندی به نام «وان دن بروک» پیشنهاد داد که شاید جایگاه هر عنصر در جدول، دقیقا برابر با تعداد بارهای مثبت (پروتونهای آن) باشد.
- آزمایش طلایی موزلی: فیزیکدان جوانی به نام «هنری موزلی» با آزمایش روی پرتوهای ایکس گسیلشده از عناصر مختلف در سال ۱۹۱۳، ثابت کرد که هویت هر عنصر نه به وزن آن، بلکه به بار الکتریکی هسته (تعداد پروتونها) بستگی دارد. او فرمول ریاضی این کشف را ارائه داد و از آن زمان حرف Z (برگرفته از واژه آلمانی Zahl به معنای عدد) به عنوان نماد رسمی عدد اتمی انتخاب شد.
- تکمیل قطعه پازل با کشف نوترون: تا سالها دانشمندان فکر میکردند در هسته اتم الکترون هم وجود دارد تا بارهای اضافی را خنثی کند. اما با کشف نوترون توسط «جیمز چادویک» در سال ۱۹۳۲، مشخص شد که هسته فقط از پروتون و نوترون تشکیل شده است. از آن سال به بعد، تعریف علمی عدد اتمی به طور رسمی به تعداد دقیق پروتونهای هسته اتم تثبیت شد.
فرمول عدد اتمی
در اتمی که بار الکتریکی وجود ندارد یعنی خنثی است تعداد الکترون و پروتون باهم برابر است. با جمع کردن تعداد نوترون و تعداد پروتون عدد جرمی حاصل میشود که در بالا سمت چپ عنصر نوشته میشود و نماد آن A است.
تعداد نوترون + تعداد پروتون (عدد اتمیZ) = عدد جرمی(A)
حالا با دانستن این موضوع میتوانیم مسائل مربوط به عدد اتمی و عدد جرمی را پاسخ دهیم.
مسئله عدد اتمی
عنصری خنثی با عدد جرمی ۱۲ دارای ۶ الکترون است، تعداد پروتون و تعداد نوترون آن را مشخص کنید.
حل: از آنجا که عنصر خنثی است پس تعداد الکترون و پروتون آن برابر است. تعداد پروتون آن نیز ۶ است که به این معنی است که عدد اتمی این عنصر نیز ۶ است. عدد جرمی، حاصل جمع پروتونها و نوترونهای یک عنصر است. پس مقدار نوترون این عنصر خنثی نیز ۶ است.
عدد اتمی در جدول تناوبی کجاست؟
در جدول تناوبی، هر عنصر خانه منحصر به فرد خودش را دارد. در نمادگذاری شیمیایی، عدد جرمی (A) در سمت چپ و بالای نماد عنصر، و عدد اتمی (Z) در سمت چپ و پایین نماد عنصر نوشته میشود. این نمایش به شیمیدانان کمک میکند تا خصوصیات شیمیایی و ایزوتوپی هر عنصر را به درستی شناسایی کنند. برای پیدا کردن عدد اتمی یا عدد جرمی هر عنصر کافی است به جدول تناوبی (مندلیف) مراجعه کنید، عنصر مورد نظر را پیدا کنید و عدد اتمی آن را بخوانید. برای مثال به نمونههای زیر دقت کنید:
- عدد اتمی آهن (Fe): ۲۶
- عدد اتمی نپتونیوم (Np): ۹۳
- عدد اتمی نیکل (Ni): ۲۸
- عدد اتمی نقره (Ag): ۴۷
عدد اتمی نشاندهنده چیست؟
عدد اتمی خاصیت شیمیایی و هویت یک عنصر را مشخص میکند. هر عنصر یک عدد اتمی منحصر به فرد دارد و هیچ دو عنصری عدد اتمی یکسان ندارد. وقتی عدد اتمی عنصری ۲۶ است یعنی هیچ عنصر دیگری جز آهن (Fe) وجود ندارد که عدد اتمی آن ۲۶ باشد.
چیدمان عناصر در جدول تناوبی تصادفی نیست و مبنای آن عدد اتمی است. هر عنصر براساس تعداد پروتونهایش، از کوچک به بزرگ در جایگاه مشخص خود قرار میگیرد. به عنوان مثال در دوره دوم جدول تناوبی ابتدا لیتیم با عدد اتمی ۳ قرار میگیرد؛ پس از آن بریلیوم با عدد اتمی ۴ میآید و در ادامه بور با عدد اتمی ۵ قرار میگیرد.
پس نتیجه میگیریم که عدد اتمی، علاوه بر اینکه هویت یک عنصر را مشخص میکند، جای آن عنصر را در جدول تناوبی نیز تعیین میکند. مهمتر اینکه این عدد برای هر عنصر همیشه ثابت میماند و هرگز تغییر نمیکند.
تفاوت عدد اتمی و عدد جرمی
عدد جرمی که با نماد (A) نشان داده میشود، تعداد کل پروتونها و نوترونهای موجود در هسته اتم را نشان میدهد. به همین دلیل به آن «عدد نوکلئون» نیز میگویند.
مقدار عدد جرمی تقریبا برابر با جرم اتم است که با یکای جرم اتمی (amu) سنجیده میشود.
نکته مهم: ایزوتوپهای یک عنصر، عدد جرمی متفاوتی دارند؛ زیرا تعداد نوترونهایشان فرق میکند. در واقع اگر عدد اتمیZ را از عدد جرمی A کم کنیم، تعداد نوترونها (n) به دست میآید:
n = A – Z
| ویژگی | عدد اتمی (Z) | عدد جرمی (A) |
| تعریف | تعداد پروتونها | تعداد پروتون + نوترون |
| نماد | Z | A |
| آیا تغییر میکند؟ | ثابت است | در ایزوتوپها تغییر میکند |
| نقش | هویت عنصر | جرم تقریبی اتم |
به عنوان مثال گرافیت (مغز مداد) و الماس هر دو از کربن ساخته شدهاند. پس عدد اتمی گرافیت و عدد اتمی الماس هر دو ۶ است، چون هر دو کربن هستند. بنابراین در هر دو فقط شکل چیدهشدن اتمها فرق دارد، نه عدد اتمیشان.
عدد اتمی و یونها
زمانی که اتم الکترون از دست میدهد یا الکترون میگیرد به آن یون میگویند. یا به زبانی دیگر اتم ها یا مولکولهایی که بار خالص آنها صفر نیست و از لحاظ بار الکتریکی خنثی نیستند را یون میگویند. توجه کنید که عدد اتمی در یونها ثابت میماند و تغییر نمیکند.
به عنوان مثال سدیم وقتی یک الکترون از دست میدهد و به ⁺Na تبدیل میشود، باز هم ۱۱ پروتون دارد. پس عدد اتمیاش هنوز ۱۱ است. فقط تعداد الکترونهایش از ۱۱ به ۱۰ رسیده است.
وقتی سدیم یک الکترون از دست میدهد به ⁺Na تبدیل میشود در واقع تعداد الکترون آن از ۱۱ به ۱۰ تغییر کرده است ولی تعداد پروتون یا به عبارتی عدد اتمی آن ثابت باقی خواهد ماند. توجه داشته باشید همانطور که گفتیم یونها همچنان همان عنصر قبلی هستند (یعنی سدیم یونی هنوز سدیم است). تفاوت یون و اتم تنها در تعداد الکترونهاست و عدد اتمی (تعداد پروتونها) در هر دو ثابت باقی میماند. جدول زیر به شما کمک میکند ویژگیهای ساختاری و رفتاری اتم و یون را با یکدیگر مقایسه کنید:
| یون | اتم |
| ذرهای منفرد یا دستهای از ذرات باردار | پایهایترین جزء سازنده یک عنصر |
| در محیطهای محلول به صورت آزاد و مستقل رفتار میکند | در محیطهای محلول به شکل وابسته عمل میکند. |
| عامل اصلی در شکلگیری پیوندهای شبکه یونی | واحد بنیادین برای تشکیل ساختار مولکولی |
| عدم توازن الکتریکی (تفاوت در تعداد الکترون و پروتون) | دارای توازن بار (تعداد الکترون و پروتون یکسان) |
| از نظر آرایش الکترونی معمولا به ثبات رسیده (پایدار) | از نظر آرایش الکترونی غالبا واکنشپذیر (ناپایدار) |
عدد اتمی برخی عناصر مهم
در جدول زیر میتوانید عدد اتمی برخی عناصر مهم را مشاهده کنید:
| عنصر | نماد | عدد اتمی |
| هیدروژن | H | ۱ |
| هلیم | He | ۲ |
| بور | B | ۵ |
| کربن | C | ۶ |
| نیتروژن | N | ۷ |
| اکسیژن | O | ۸ |
| آهن | Fe | ۲۶ |
| نیکل | Ni | ۲۸ |
| مس | Cu | ۲۹ |
| نقره | Ag | ۴۷ |
| طلا | Au | ۷۹ |
| نپتونیوم | Np | ۹۳ |
جمعبندی
در نهایت خوب است چند نکته را کنار هم مرور کنیم تا تصویر کاملتری از عدد اتمی در ذهنمان بماند. عدد اتمی همان تعداد پروتونهای هسته است و آن را با نماد Z نشان میدهیم؛ این عدد هویت هر عنصر را مشخص میکند و هیچ دو عنصری عدد اتمی یکسان ندارند. در اتم خنثی تعداد الکترونها هم برابر همین عدد است.
از آنجا که عدد اتمی برابر با تعداد پروتونهای هسته است، با تغییر الکترونها (در یونها) یا تغییر نوترونها (در ایزوتوپها)، عدد اتمی هیچ تغییری نمیکند؛ به همین دلیل است که با تبدیل شدن یک اتم به یون، نوع آن عنصر عوض نمیشود. این عدد ثابت، هویت هر عنصر را میسازد و جایگاه آن را در جدول تناوبی معین میکند.
سوالات متداول
عدد اتمی فقط شامل تعداد پروتونهای هسته است. نوترونها و الکترونها در عدد اتمی شمرده نمیشوند.
عنصر اکسیژن عدد اتمی ۸ دارد. دقت داشته باشید که گاز اکسیژن (O₂) از دو اتم اکسیژن ساخته شده، اما عدد اتمی همان عنصر اکسیژن یعنی ۸ است.
متان (CH₄) عدد اتمی ندارد، چون یک ترکیب است نه عنصر خالص. عدد اتمی فقط برای عناصر تعریف میشود. متان از کربن (عدد اتمی ۶) و هیدروژن (عدد اتمی ۱) ساخته شده است.
نمک هم یک ترکیب است، پس عدد اتمی واحد ندارد. نمک از سدیم (عدد اتمی ۱۱) و کلر (عدد اتمی ۱۷) تشکیل شده است.
این یک دام رایج است. گاما یک عنصر نیست، بلکه یک نوع پرتو (پرتو گاما) است. پرتو گاما انرژی است و اصلا اتم نیست، پس عدد اتمی ندارد.
