مقدمة البحث

الحمد لله الذي خلق فسوّى، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن الفلزات من أكثر المواد التي يعتمد عليها الإنسان في حياته اليومية، فهي في أسلاكنا الكهربائية وأدوات مطابخنا وجسور مدننا وهياكل سياراتنا وطائراتنا. وقد ذكر الله تعالى الحديد وبيّن أن فيه قوة ومنافع للناس، فقال:

﴿لَقَدْ أَرْسَلْنَا رُسُلَنَا بِالْبَيِّنَاتِ وَأَنْزَلْنَا مَعَهُمُ الْكِتَابَ وَالْمِيزَانَ لِيَقُومَ النَّاسُ بِالْقِسْطِ ۖ وَأَنْزَلْنَا الْحَدِيدَ فِيهِ بَأْسٌ شَدِيدٌ وَمَنَافِعُ لِلنَّاسِ وَلِيَعْلَمَ اللَّهُ مَنْ يَنْصُرُهُ وَرُسُلَهُ بِالْغَيْبِ ۚ إِنَّ اللَّهَ قَوِيٌّ عَزِيزٌ﴾ [الحديد: 25]

وفي هذا البحث نتعرف على السبب الذي يجعل الفلزات لامعة موصلة قابلة للطرق والسحب، وهو نوع خاص من الروابط الكيميائية يسمى الرابطة الفلزية.

تعريف الموضوع

الرابطة الفلزية هي قوة التجاذب الكهربائي بين الأيونات الموجبة للفلز وبين الإلكترونات الحرة الحركة المحيطة بها. فذرات الفلز تفقد إلكترونات تكافؤها بسهولة لأن طاقة تأينها منخفضة نسبيًا، فتتحول إلى أيونات موجبة منتظمة في شكل بلوري، وتبقى الإلكترونات المنفصلة غير مرتبطة بذرة معينة، بل تتحرك بين الأيونات كلها.

الفلزات عناصر تقع في يسار الجدول الدوري ووسطه، وأغلبها صلب في درجة حرارة الغرفة، ما عدا الزئبق فهو سائل.

أهمية الموضوع

فهم الرابطة الفلزية يفسر لنا خواص الفلزات ويساعد المهندسين والكيميائيين على اختيار الفلز المناسب لكل استخدام، وعلى تصميم سبائك جديدة أقوى وأخف وأكثر مقاومة للصدأ. كما يوضح لماذا تنقل الأسلاك النحاسية الكهرباء ولماذا يمكن تشكيل الذهب في صفائح رقيقة جدًا.

أهداف البحث

  • تعريف الرابطة الفلزية وبيان كيفية تكوّنها.
  • شرح نموذج بحر الإلكترونات.
  • معرفة العوامل التي تتحكم في قوة الرابطة الفلزية.
  • تفسير الخواص الفيزيائية للفلزات اعتمادًا على هذه الرابطة.
  • التعرف على السبائك وأهميتها وأمثلة منها.

عناصر البحث

أولًا: نموذج بحر الإلكترونات

يشبّه العلماء الفلز بشبكة من الأيونات الموجبة تسبح في بحر من الإلكترونات المتحركة. وتسمى هذه الإلكترونات إلكترونات غير متمركزة، لأنها لا تنتمي إلى ذرة بعينها. ويعمل هذا البحر الإلكتروني عمل الغراء الذي يمسك الأيونات الموجبة ويمنع تنافرها الكهربائي. وبسبب هذا التركيب لا توجد في الفلز جزيئات منفصلة كما في المواد التساهمية، بل شبكة بلورية متصلة.

ثانيًا: العوامل المؤثرة في قوة الرابطة الفلزية

  • عدد إلكترونات التكافؤ: كلما زاد عدد الإلكترونات المشاركة في البحر زادت قوة الرابطة. فالمغنيسيوم الذي يشارك بإلكترونين لكل ذرة أصلب وأعلى انصهارًا من الصوديوم الذي يشارك بإلكترون واحد.
  • شحنة الأيون الموجب: كلما زادت شحنة الأيون ازداد تجاذبه مع بحر الإلكترونات.
  • نصف قطر الذرة: كلما صغر نصف قطر الأيون اقتربت الإلكترونات منه وقويت الرابطة. ولذلك تقل درجة انصهار فلزات المجموعة الأولى كلما نزلنا في المجموعة، فالليثيوم أعلى انصهارًا من السيزيوم.

ثالثًا: الخواص الفيزيائية للفلزات

الخاصيةالتفسير بالرابطة الفلزية
التوصيل الكهربائيالإلكترونات الحرة تتحرك في اتجاه واحد عند تطبيق فرق جهد فتنقل الشحنة
التوصيل الحراريتنقل الإلكترونات الحرة الطاقة الحركية بسرعة من الجزء الساخن إلى البارد
القابلية للطرقعند الطرق تنزلق طبقات الأيونات فوق بعضها دون أن تنكسر الرابطة، لأن بحر الإلكترونات يتكيف مع الوضع الجديد
القابلية للسحبيمكن تحويل الفلز إلى أسلاك رقيقة لنفس السبب
البريق الفلزيالإلكترونات الحرة تمتص الضوء الساقط وتعيد إشعاعه فيظهر السطح لامعًا
ارتفاع درجتي الانصهار والغليانتحتاج الشبكة الفلزية إلى طاقة كبيرة لفك الرابطة، ويختلف ذلك من فلز إلى آخر

ومن المفيد المقارنة مع المركبات الأيونية، فهي هشة تتكسر عند الطرق لأن انزلاق الطبقات يضع أيونات متشابهة الشحنة متجاورة فتتنافر، أما الفلزات فلا يحدث فيها ذلك. وفي المقابل لا توصل المركبات الأيونية الكهرباء وهي صلبة لأن أيوناتها ثابتة في مواضعها.

رابعًا: السبائك

السبيكة مخلوط متجانس يتكون من فلز أساسي مع فلز آخر أو مع عنصر لا فلزي، بغرض تحسين الخواص. وتختلف السبيكة عن الفلز النقي في أنها غالبًا أصلب وأقوى وأقل عرضة للتآكل، لأن ذرات العنصر المضاف تختلف في الحجم عن ذرات الفلز الأصلي فتعيق انزلاق الطبقات.

السبيكةمكوناتهااستخداماتها
البرونزالنحاس والقصديرالتماثيل والأجراس والمسامير البحرية
النحاس الأصفرالنحاس والخارصينالصنابير والآلات الموسيقية
الفولاذالحديد وقليل من الكربونالمباني والجسور وهياكل السيارات
الفولاذ المقاوم للصدأالحديد والكروم والنيكلأدوات الجراحة وأواني الطبخ
الذهب عيار الحليالذهب مع النحاس أو الفضةالمجوهرات، لأن الذهب النقي لين جدًا

خامسًا: أمثلة تطبيقية

يُستعمل النحاس في الأسلاك الكهربائية لأنه موصل ممتاز وسهل السحب، ويُستعمل الألمنيوم في الطائرات وأسلاك الضغط العالي لخفة وزنه، ويُستعمل التنجستن في الفتائل لأنه يتحمل حرارة مرتفعة جدًا قبل أن ينصهر، ويستعمل الزئبق في بعض موازين الحرارة القديمة لأنه سائل في درجة حرارة الغرفة. وتدل هذه الأمثلة على أن اختلاف الرابطة الفلزية بين فلز وآخر هو سبب اختلاف استعمالاته.

سادسًا: مقارنة بين الروابط الثلاثة

وجه المقارنةالرابطة الأيونيةالرابطة التساهميةالرابطة الفلزية
أطرافهافلز ولا فلزلا فلزاتذرات الفلز نفسه
طبيعة الرابطةانتقال إلكترونات وتجاذب بين أيوناتمشاركة بالإلكتروناتأيونات موجبة في بحر إلكتروني
التوصيل الكهربائيجيد في المصهور والمحلول فقطضعيف غالبًاجيد في الحالة الصلبة والمصهورة
الطرق والسحبهشغير قابل غالبًاقابل

وتبيّن هذه المقارنة أن نوع الرابطة هو المفتاح لفهم سلوك المادة، وأن معرفة تركيب المادة تساعدنا على التنبؤ بخواصها قبل تجربتها.

النتائج

  • الرابطة الفلزية قوة تجاذب بين أيونات موجبة وبحر من الإلكترونات غير المتمركزة.
  • تزداد قوة الرابطة بزيادة عدد إلكترونات التكافؤ وشحنة الأيون وبنقص نصف القطر.
  • التوصيل الكهربائي والحراري والبريق والطرق والسحب كلها نتيجة مباشرة لحرية حركة الإلكترونات.
  • السبائك تحسّن خواص الفلزات وتزيد صلابتها ومقاومتها للتآكل.

التوصيات

  • الاهتمام بإعادة تدوير الفلزات للمحافظة على الموارد الطبيعية وتقليل التلوث.
  • حماية الأدوات الحديدية من الصدأ بالطلاء أو بالتغليف بفلز آخر.
  • إجراء تجارب مخبرية آمنة تقارن توصيل الفلزات المختلفة للكهرباء.

الخاتمة

عرفنا في هذا البحث أن الرابطة الفلزية هي سر خواص الفلزات، فبحر الإلكترونات الحرة يفسر توصيلها للكهرباء والحرارة ولمعانها وقابليتها للطرق والسحب، وأن قوة هذه الرابطة تتغير بحسب عدد إلكترونات التكافؤ وحجم الأيون. وبفضل السبائك استطاع الإنسان أن يصنع مواد أمتن وأنفع، وهذا من نعم الله التي سخرها لعباده.

المراجع

  • كتب الكيمياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
  • كتاب Chemistry لمؤلفه Raymond Chang، وهو مرجع جامعي مشهور في الكيمياء العامة.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الروابط الفلزية وخواص الفلزات