ما هي وحدة الكتلة الذرية؟

الدالتون (Dalton) هي واحدة قياس الكتلة الذرية للعناصر الكيميائية، وهي عبارة عن واحدة قياس صغيرة جدًا، تساوي إلى واحد على 12 من كتلة ذرة الكربون 12-، أي ما يعادل تقريبًا حوالي  86 538 1.66 × 10⁻²⁷ كيلو غرام، أطلق عليها هذا الاسم نسبةً إلى العالم الكيميائي والفيزيائي الأنكليزب جون دالتون الذي اقترح الفكرة الحديثة للذرة (بالرغم من أنّه لم يسمها بالاسم) والجزيء في عام 1803.

اختلف الكيميائيين والفيزيائيين على القيمة الدقيقة للدالتون خلال النصف الأول من القرن العشرين، حيث استخدم الكيميائيين القيمة 24 1.66 × 10⁻²⁴ غرام بينما اعتمد الفيزيائيين القيمة 79 1.659 × 10⁻²⁴ غرام.

بالرغم من أنّ الدالتون لا تنتمي إلى النظام الدولي المسؤول عن تصنيف الواحدات (SI)، إلا أنّه يعترف بها، حيث تمت الموافقة عليها من قبل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية كاسم خاص لوحدة الكتلة الذرية (amu)، وأصبحت تستخدم بهذا المعنى بشكل شائع خاصةً في الكيمياء الحيوية وقياس الطيف الكتلي، في أغلب الإحيان ستجد أغلب الدراسات تكون الكتل الذرية مكتوبة بدون واحدة حيث من المتعارف عليه أنّ واحدتها هي وحدة الكتل الذرية (amu) أو يرمز لها أحيانًا ب (u)، لكن في محاضرات الأحياء الجزيئية والكيمياء العضوية يرمز لها بالرمز (Da)، أمّا عند وصف البروتينات فإنّها توصف بالكيلو دالتون (KDa) أو الميغا دالتون(MDa)، كون البروتينات عبارة عن جزيئات كبيرة نسبيًا.

تقاس الكتلة الذرية النسبية باستخدام جهاز مطياف الكتلة، الذي اكتشفه العالم الكيميائي فرانسيس أستون، بحيث توضع عينة من العنصر ضمن الجهاز ثمّ تقذف بمجموعة من الإلكترونات، الأمر الذي يجعلها تتحول إلى أيون موجب، يستخدم مجال كهربائي لتحفيز حدوث هذه الأيونات الموجبة، بعد أن تصبح تلك العينات أيونات موجبة تنحرف هذه الأيونات تحت تأثير مجال مغناطيسي، ونتيجةً لذلك تنحرف النظائر بنسب مختلفة، حيث تنحرف النظائر الثقيلة بدرجة كبيرة بالنسبة للنظائر الخفيفة، الأمر الذي ينتج عنه طيف كتلة، الذي يستخدم لتوضيح نقطتين هما:

نسبة كتل النظائر في هذه العينة.

تواجد النظائر ضمن العينة.

في البداية لم تنسب وحدة الدالتون إلى ذرة الكربون، بل عَمِلَ أستون على استخدام ذرة الأوكسجين، حيث كانت 1/16 من كتلة الأوكسجين، وكانت وحدة الكتل الذرية المعروفة الفيزيائية تعرف على أنّها تعادل 1/16 من كتلة ذرة الأوكسجين قبل العام 1961م، أمّا وحدة الكتل الذرية الكيميائية كانت تعادل 1/16 من متوسط كتلة ذرة الأوكسجين، وكلاهما مختلفة عن القيمة المستخدمة في وقتنا هذا، حيث أدى اكتشاف نظائر الأوكسجين في عام 1929 إلى اختلاف تمثيل الكتل الذرية، إذ سبب استخدام الأوكسجين الموزون الكيمياء وقواعد الفيزياء النقية كأساس لواحدة الكتلة اختلاف وظهور أخطاء أكيدة في الحسابات، بالتالي لا ينفع استخدام الأوكسجبن كمرجع عمليًا، لذا استبدل بالكربون كمرجع في عام 1961 لتقليل الاختلافات مع الدراسات السابقة.

الكتلة الذرية هي الواحدة للذرة وتتعدد تسمياتها بحيث تسمى الكتلة الذرية النسبية أو ما يسمى بالوزن الذري؛ وتُستخدم للتعبير عن كتلة النظير في الكيمياء ويرمز لها amu اختصارًا لـ Atomic Mass Unit. ويمكن قياسها على أنها تساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون، وتم اختيارها لتكون بهذا القياس لأن الكربون 12 يعتبر مرجع لقياس النظائر.

وبالعودة إلى المراجع الكيميائية تعتبر الكتلة الذرية وزن 1 مول من العنصر في وحدة الغرام أي إذا كان عنصر الكربون 12 يساوي 12 فإن المول الواحد منه يساوي 12 غرام ويعتبر الكربون العنصر الوحيد الذي له كتلة بعدد صحيح وتساوي وحدة الكتلة الذرية القيم التالية:

1.66053904020 ×10 ^-27 kg

1.66053904020 ×10 ^-24 g

تبين العناصر الطبيعية للمواد أن أغلب تلك العناصر تتكون من خليط من النظائر في العنصر الواحد؛ حيث أن للأوكسجين أكثر من خليط فمثلًا من الأكسجين 16 والذي يتشكل من 8 بروتونات و8 نيوترونات، وهنالك الأكسجين 17 الذي يتكون في نواته من 9 نيوترونات، بينما الأكسجين 18 يتشكل من 10 نيوترونات وبهذا الشكل نتبين أن نسب النظائر لا تعتبر متساوية.

وهنالك انحرافات تتشكل بين الكتلة الذرية والعدد بالنسبة للكتلة ويكون الانحراف موجب عندما يكون هيدروجين 1 بينما يتحول إلى السالب عندما يصبح حديد 56 ويعود ثانية ليكون موجب عندما يكون النظير أثقل بازدياد عدده الذري، ومثال ذلك أن عناصر الحديد الأثقل في انشطارها النووي تقوم بإنتاج طاقة بينما انشطار العناصر الأخف يحتاج طاقة وفي عملية الانصهار يكون العكس صحيح.

يرمز إلى وحدة الكتلة الذرية بالرمز u أو تعرف أيضًا باسم دالتون ويرمز لها Da، ويعود هذا الاسم نسبةً إلى العالم المعروف “جون دالتون” الذي اقترح الهيدروجين ككتلة ذرة لقياس وحدة الكتل. وبالعودة إلى الكيمياء الحيوية وبالحديث عن البروتونات فأن رمز دالتون da، ولأن البروتونات جزيئات كبيرة فهي تُعرف بالكيلو دالتون ويرمز لها KDa وبذلك فإن كل كيلو دالتون يساوي 1000 دالتون.

من المعروف أنّ كتلة ذرة الهيدروجين تساوي 1 وحدة من الكتل الذرية وبهذا السياق فان الذرة أي الجزيء الذي يكون له “1” من النيترونات والبروتونات حتمًا يكون له “1” من وحدات الكتلة الذرية؛ ويعود هذا السبب إلى ذرة الكربون والتي يوجد فيها 6 نيوترونات و6 إلكترونات و6 بروتونات، ويكون كل من البروتون والنيترون لهما الكتلة نفسها. بينما تعتبر كتلة الإلكترون كتلة مهملة وذلك لأن كتلة الطاقة المتعلقة بالترابط لنويات الذرة لا تعتبر جزء لا يتجزأ من المجموع الكامل لكتلة الذرة.

ولم يتوحد مقياس للكتلة الذرية إلا في ستينات القرن الماضي حيث كان الخبراء يعتمدون على مقياسين أساسيين حتى العام 1960، أما الكيمياء التطبيقية فقد اعتمدت هذا المقياس بعد عامٍ من اعتماد اتحاد الفيزياء الدولي على مقياسٍ موحد. ومن أسباب استخدام وحدة الكتلة الذرية أيضًا هو أنها تعتبر سهلة الاستخدام فيما يخص العديد من التجارب ويجب ألا نهمل كونها تتصف بالدقة في مقارنة الكتل المتعلقة بالذرات والجزيئات أو ما يُعرف أيضًا بتحديد الكتلة النسبية أكثر من قياس الكتلة المطلقة بينما مقارنة الكتل تتم عن طريق ما يُعرف بمطياف الكتل المطلقة.