الروابط الفلزية وخواص الفلزات

3-4

الروابط الفلزية وخواص الفلزات

Metallic Bonds and the Properties of Metals

الأهداف

• تصف الرابطة الفلزية.
• تربط نموذج بحر الإلكترونات بالخواص الفيزيائية للفلزات.
• تعرف السبائك، وتذكر خواصها.

مراجعة المفردات

الخاصية الفيزيائية: خاصية المادة التي يمكن مشاهدتها وقياسها دون تغيير تركيب المادة.

المفردات الجديدة

• نموذج بحر الإلكترونات
• الإلكترونات الحرة
• الرابطة الفلزية
• السبيكة

الفكرة الرئيسية

تكوّن الفلزات شبكات بلورية يمكن تمثيلها أو نمذجتها بأيونات موجبة تحيط بها بحر من إلكترونات التكافؤ الحرة الحركة.

الربط مع الحياة

تخيل سفينة عائمة تتمايل في المحيط، وهي محاطة بالماء من كل جانب. وعلى الرغم من بقاء السفينة عائمة في مكانها إلا أن الماء يتحرك بحرية من أسفلها. يمكن تطبيق هذا الوصف على ذرات الفلزات وإلكتروناتها بطريقة مشابهة نوعًا ما.

الروابط الفلزية

Metallic Bonds

على الرغم من أن الفلزات ليست مركبات أيونية، إلا أنها تشترك مع المركبات الأيونية في عدة خواص؛ فالروابط في الفلزات والمركبات الأيونية تعتمد على التجاذب بين الجسيمات ذات الشحنات المختلفة.

وفي العادة تكوّن الفلزات شبكات بلورية في الحالة الصلبة شبيهة بالشبكة البلورية الأيونية التي سبق ذكرها. وفي هذه الحالة تكون كل ذرة محاطة بـ 8-12 ذرة أخرى.

بحر من الإلكترونات

رغم أن لذرات الفلزات إلكترون تكافؤ على الأقل، إلا أنها لا تشترك في الإلكترونات أو تفقدها أو تكتسبها. وبدلًا من ذلك تتداخل مستويات الطاقة الخارجية بعضها في بعض.

ويعرف هذا التداخل بنموذج بحر الإلكترونات؛ حيث يفترض هذا النموذج أن ذرات الفلزات جميعها في الحالة الصلبة تسهم في تكوين بحر الإلكترونات الذي يحيط بأيونات الفلز الموجبة في الشبكة الفلزية.

لا ترتبط الإلكترونات الموجودة في مستويات الطاقة الخارجية في الذرات الفلزية بأي ذرة محددة، ويمكنها الانتقال بسهولة من ذرة إلى أخرى. وتعرف هذه الإلكترونات ذات الحركة الإلكترونية والتداخل الحر، وعندما تتحرك الإلكترونات الخارجية بحرية في الفلز، وهو في الحالة الصلبة، تتكون الأيونات الفلزية الموجبة.

ترتبط هذه الأيونات مع الأيونات الفلزية الموجبة المجاورة جميعها من خلال بحر من إلكترونات التكافؤ، كما في الشكل 3-10.

والرابطة الفلزية هي قوة التجاذب بين الأيونات الموجبة للفلزات والإلكترونات الحرة في الشبكة الفلزية.

الشكل 3-10

الصورة التابعة: صفحة103_الشكل_3_10_نموذج_بحر_الإلكترونات_في_الرابطة_الفلزية.png

توزيع الإلكترونات التكافؤ للفلزات، التي تبدو كسحابة زرقاء ذات إشارات سالبة، بالتداخل حول الأيونات الفلزية الموجبة، التي تبدو باللون الأحمر.

وتؤدي قوى التجاذب بين الأيونات الموجبة وبحر الشحنات السالبة إلى ربط ذرات الفلز بعضها مع بعض في الشبكة الفلزية.

العناصر الموضحة في الشكل:

• أيون فلز موجب
• بحر من الإلكترونات

سؤال الشكل

فسر لماذا تعرف إلكترونات الفلزات بالإلكترونات الحرة؟

خواص الفلزات

يفسر الترابط الفلزي الخواص الفيزيائية للفلزات، والتي تظهر قوة الروابط الفلزية.

درجات الغليان والانصهار

تختلف درجات انصهار الفلزات على نحو كبير. فالزئبق سائل عند درجة حرارة الغرفة، مما يجعله يستخدم في بعض الأجهزة العلمية، ومنها مقاييس درجات الحرارة وأجهزة قياس الضغط الجوي.

وفي المقابل، فإن درجة انصهار التنجستن W هي 3422°C، ولذلك يصنع منه فتيل المصباح الكهربائي، وبعض أجزاء السفن الفضائية.

وتكون درجات انصهار وغليان الفلزات في العادة عالية، كما يبينها الجدول 3-11، إلا أن درجات الانصهار ليست مرتفعة جدًا كدرجات الغليان؛ لأن الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة الحركة في الفلز لا تحتاج إلى طاقة كبيرة جدًا لجعلها تتحرك بعضها فوق بعض.

إلا أنه في أثناء الغليان يجب فصل الذرات عن مجموعة الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة الأخرى، مما يتطلب طاقة كبيرة جدًا.

الجدول 3-11

درجات الانصهار والغليان

الصورة التابعة: صفحة104_الجدول_3_11_درجات_انصهار_وغليان_بعض_الفلزات.png

| العنصر | درجة الانصهار °C | درجة الغليان °C |
| ---------- | ---------------: | --------------: |
| الليثيوم | 180 | 1347 |
| القصدير | 232 | 2623 |
| الألومنيوم | 660 | 2467 |
| الباريوم | 727 | 1850 |
| الفضة | 961 | 2155 |
| النحاس | 1083 | 2570 |

قابلية الطرق والسحب

الفلزات قابلة للطرق، أي أنها تتحول إلى صفائح عند طرقها، وهي أيضًا قابلة للسحب، أي يمكن تحويلها إلى أسلاك.

ويوضح الشكل 3-11 كيف تتحرك الجسيمات الموجودة في الترابط الفلزي بواسطة الدفع أو الشد بعضها عبر بعض.

وتكون الفلزات عادة متينة للغاية. وعلى الرغم من حركة الأيونات الموجبة في الفلز إلا أنها ترتبط مع الإلكترونات المحيطة بها بصورة قوية، ولا يمكن فصلها بسهولة عن الفلز.

توصيل الحرارة والكهرباء

تجعل حركة الإلكترونات حول أيونات الفلزات الموجبة الفلزات موصلات جيدة للحرارة والكهرباء؛ حيث تقوم الإلكترونات الحرة بنقل الحرارة من مكان إلى آخر بسرعة أكبر من توصيل المواد التي لا تحتوي على إلكترونات حرة.

تتحرك الإلكترونات الحرة بسهولة بوصفها جزءًا من التيار الكهربائي عند حدوث فرق جهد عبر الفلز. وتتفاعل هذه الإلكترونات الحرة مع الضوء من خلال امتصاصه وإطلاق الفوتونات مما ينتج عنه خاصية البريق واللمعان.

الصلابة والقوة

لا تقتصر الإلكترونات الحرة الحركة في الفلزات الانتقالية على الإلكترونين الخارجيين في المستوى s، وإنما تشمل أيضًا الإلكترونات الداخلية في المستوى d. وكلما زادت أعداد الإلكترونات الحرة الحركة زادت خواص الصلابة والقوة.

فعلى سبيل المثال، توجد الروابط الفلزية القوية في الفلزات الانتقالية، ومنها الكروم والحديد والنيكل، في حين أن الفلزات القلوية لينة؛ لأن لها إلكترونًا واحدًا حر الحركة في المستوى ns¹.

ماذا قرأت؟

قارن بين ما يحدث عند طرق كل من الفلزات والمركبات الأيونية بالمطرقة؟

الشكل 3-11

الصورة التابعة: صفحة104_الشكل_3_11_قابلية_الفلزات_للطرق_والسحب.png

تؤدي القوة المؤثرة الخارجية، كالمطرقة مثلًا، إلى جعل الأيونات تتحرك عبر الإلكترونات الحرة، مما يجعل الفلز قابلًا للطرق والسحب.

العناصر الموضحة في الشكل:

• قوة مؤثرة خارجية
• إعادة تشكيل الفلز

السبائك الفلزية

Metal Alloys

نظرًا إلى طبيعة الرابطة الفلزية، يصبح من السهل إدخال عناصر مختلفة إلى الشبكة الفلزية لتكوين السبيكة.

فالسبيكة خليط من العناصر ذات الخواص الفلزية الفريدة، لذا نجد لها الكثير من التطبيقات والاستخدامات التجارية. فالفولاذ والبرونز والحديد الزهر من السبائك الكثيرة المفيدة.

كما تستعمل سبيكة التيتانيوم والفاناديوم لبناء هياكل الدراجات الهوائية كالتي تظهر في الشكل 3-12.

الشكل 3-12

الصورة التابعة: صفحة105_الشكل_3_12_استخدام_سبيكة_التشكيل_في_الدراجات_الهوائية.png

تصنع أجزاء الدراجات الهوائية في بعض الأحيان من سبيكة التيتانيوم، التي تحتوي على 3% من الألومنيوم و2.5% من الفاناديوم.

خواص السبائك

تختلف خواص السبائك قليلًا عن خواص عناصرها المكونة لها. فالفولاذ مثلًا حديد مخلوط بعنصر آخر على الأقل. تبقى بعض خواص الحديد فيه، ولكن للفولاذ خواص إضافية أخرى منها أنه أكثر قوة.

وتتفاوت خواص بعض السبائك وتتغير باختلاف طرائق تصنيعها. وفي حالة بعض الفلزات تنتج بعض الخواص المختلفة اعتمادًا على طريقة التسخين والتبريد.

ويبين الجدول 3-12 أسماء بعض السبائك المهمة واستعمالاتها المتنوعة.

مفردات

أصل الكلمة

الصورة التابعة: صفحة105_مفردات_أصل_كلمة_السبيكة.png

السبيكة Alloy

جاءت من الكلمة اللاتينية alligare والتي تعني يشي.

الجدول 3-12

السبائك التجارية

الصورة التابعة: صفحة105_الجدول_3_12_السبائك_التجارية.png

| الاسم الشائع | التركيب | الاستعمالات |
| ---------------------- | ------------------------------ | ---------------------------------- |
| النيكو | 50% Fe, 20% Al, 20% Ni, 10% Co | المغناطيسات |
| البراس، النحاس الأصفر | 67-90% Cu, 10-33% Zn | السباكة، والأدوات العامة، والإضاءة |
| البرونز، النحاس الأحمر | 70-95% Cu, 1-25% Zn, 1-18% Sn | الأجراس، المدليات |
| الحديد الصلب | 96-97% Fe, 3-4% C | القوالب |
| الذهب - عيار 10 قيراط | 42% Au, 12-20% Ag, 37.46% Cu | المجوهرات، الحلي الذهبية |
| حبيبات الرصاص | 99.8% Pb, 0.2% As | حبيبات الطلقات النارية |
| الفولاذ المقاوم للصدأ | 73-79% Fe, 14-18% Cr, 7-9% Ni | المقاص، والأدوات |
| فضة النقود | 92.5% Ag, 7.5% Cu | أدوات المائدة، والحلي |

التقويم 3-4

الخلاصة

الصورة التابعة: صفحة105_التقويم_3_4_الخلاصة_والأسئلة.png

الخلاصة

• تتكون الرابطة الفلزية عندما تجذب أيونات الفلز الموجبة إلكترونات التكافؤ الحرة الحركة.
• تتحرك الإلكترونات في نموذج بحر الإلكترونات عبر الشبكة الفلزية، ولا ترتبط مع أي ذرة محددة.
• يفسر نموذج بحر الإلكترونات الخواص الفيزيائية للفلزات.
• تتكون السبائك الفلزية عند دمج فلز مع عنصر آخر أو أكثر.

أسئلة التقويم 3-4

• الفكرة الرئيسية: قارن بين تركيب المركبات الأيونية والفلزات.

• اشرح كيف يمكن تفسير كل من التوصيل الكهربائي وارتفاع درجة غليان الفلزات بواسطة الرابطة الفلزية؟

• قارن بين أسباب قوى التجاذب في الروابط الأيونية والروابط الفلزية.

• صمم تجربة للتمييز بين المواد الأيونية الصلبة والمواد الفلزية الصلبة، بحيث تشمل على الأقل طريقتين مختلفتين للمقارنة بين المواد الصلبة. فسر إجاباتك.

• نموذج: ارسم نموذجًا يوضح قابلية الفلزات للطرق، أو السحب إلى أسلاك، مستعينًا بنموذج بحر الإلكترونات كما في الشكل 3-10.