6 الخصائص الرئيسية للفلزات: الخصائص والأمثلة والتطبيقات

هل فكرت من قبل فيما يتكون منه هاتفك الذكي؟ أو الألواح الشمسية في بعض المنازل؟ تعمل هذه الأشياء بسبب عناصر خاصة تسمى الفلزات. تقع أشباه الفلزات في منتصف الجدول الدوري. فهي ليست فلزات تمامًا، ولكنها ليست لا فلزات تمامًا أيضًا. لها خصائص خاصة الخصائص الوسيطة التي تجعلها مفيدة للغاية في تكنولوجيا اليوم.

ما هي أشباه الفلزات؟

أشباه الفلزات هي عناصر تُظهِر سمات فلزية وغير فلزية. في الجدول الدوري، ستجدها على طول خط متعرج بين الفلزات واللافلزات. أشباه الفلزات الستة الأكثر شيوعًا هي البورون والسيليكون والجرمانيوم والزرنيخ والأنتيمون والتيلوريوم.

تساعد هذه العناصر في تزويد عالمنا الرقمي بالطاقة. دعونا نلقي نظرة على الخصائص الست الرئيسية التي تجعل أشباه المعادن مميزة ومفيدة للغاية.

1. الموصلية الكهربائية الوسيطة

أحد أهم ما يميز الفلزات هو أنها يمكن أن تكون أشباه الموصلات. وهذا يعني أنها توصل الكهرباء بطريقة خاصة.

كيف يعمل:

• المعادن موصلة للكهرباء بشكل جيد للغاية
• عادةً لا تقوم غير المعادن عادةً بتوصيل الكهرباء
• تقع الفلزات في المنتصف - يمكن جعلها موصلة للكهرباء في ظروف معينة

على عكس الفلزات، توصل الفلزات الكهرباء بشكل أفضل عندما تصبح أكثر دفئًا. وهذا عكس معظم الفلزات!

تطبيقات المنشطات عندما تُضاف كميات ضئيلة من العناصر الأخرى إلى أشباه الموصلات الفلزية لتغيير طريقة توصيلها للكهرباء. على سبيل المثال، تؤدي إضافة القليل من الفوسفور إلى السيليكون إلى تكوين ما يسمى بأشباه الموصلات من النوع "n"، بينما تؤدي إضافة البورون إلى تكوين أشباه موصلات من النوع "p". هذه العملية هي المفتاح لصنع رقائق الكمبيوتر والأجزاء الإلكترونية.

بيانات واقعية:

وتتراوح موصلية الفلزات من 10³ إلى 10³ S/متر، حسب درجة الحرارة. وتشكل رقائق السيليكون حوالي 95% من سوق أشباه الموصلات، مما يوضح مدى أهمية هذه الخاصية.

2. البنية الفيزيائية الهشة

على عكس المعادن التي يمكن ثنيها وتشكيلها، فإن أشباه المعادن هش. وهذا يعني أنها تميل إلى الانكسار عند استخدام القوة عليها.

النقاط الرئيسية:

• تتحطم بدلاً من أن تنحني
• تفتقر إلى ليونة المعادن
• لها تراكيب بلورية تتكسر على طول مستويات محددة

على سبيل المثال، يحتوي السيليكون والجرمانيوم على بنية بلورية تشبه الماس تجعلهما صلبين ولكن من السهل كسرهما. كما أن الزرنيخ والأنتيمون هشان للغاية. تؤثر هذه الخاصية على كيفية استخدام الفلزات في التصنيع.

عند صنع الخلايا الشمسية من السيليكون، تخلق هذه الهشاشة تحديات. يجب وضع طلاءات واقية خاصة لمنع الخلايا من التشقق. غالبًا ما تتطلب عملية تصنيع هذه المواد التصنيع الآلي الدقيق التقنيات.

3. بريق معدني متغير

تتمتع أشباه المعادن بلمعانها، ولكنه ليس بلمعان المعادن الحقيقية.

ما يعنيه ذلك:

• قد تبدو لامعة ولكنها لا تعكس الضوء مثل المعادن
• يختلف اللمعان بين أشباه المعادن المختلفة
• يبدو بعضها معدنيًا، في حين يبدو بعضها الآخر باهتًا أكثر

ويتمتع السيليكون بلمعان معدني داكن، بينما يتمتع التيلوريوم بلمعان أكثر دقة. لا تتعلق هذه الخاصية بالمظهر فقط، بل تؤثر على كيفية تفاعل هذه المواد مع الضوء، وهو أمر مهم للتطبيقات البصرية.

تبلغ انعكاسية السيليكون حوالي 20-35%، بينما يعكس الأنتيمون حوالي 50% من الضوء. وهذا أقل من معظم المعادن الحقيقية التي يمكن أن تعكس ما يصل إلى 95% من الضوء.

4. التفاعلية الكيميائية المذبذبة

أمفوتيريك يعني أن الفلزات يمكن أن تتفاعل مع كل من الأحماض والقواعد. وهذا يجعلها متعددة الاستخدامات في التفاعلات الكيميائية.

على سبيل المثال، يتفاعل السيليكون مع هيدروكسيد الصوديوم (قاعدة) من خلال هذا التفاعل: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂O

لكن السيليكون يتفاعل أيضًا مع حمض الهيدروفلوريك (HF). هذا السلوك المزدوج نادر ومفيد للغاية في الكيمياء والتصنيع.

هذه الخاصية مهمة بشكل خاص لـ

• حفر الزجاج (باستخدام تفاعل السيليكون مع HF)
• صنع مواد مقاومة للماء
• صنع سيراميك ومركبات خاصة

تجعل القدرة على التفاعل بطرق متعددة من الفلزات مكونات رئيسية في العديد من العمليات الصناعية. عند تصنيع أجزاء دقيقة من خلال عمليات مثل التفريز باستخدام الحاسب الآلي الرقمي، فإن فهم هذه الخواص الكيميائية أمر بالغ الأهمية.

5. ازدواجية التوصيل الحراري

تقوم أشباه الفلزات بتوصيل الحرارة بشكل أفضل من اللافلزات ولكن ليس مثل الفلزات. هذه الخاصية الوسطية تجعلها مفيدة في العديد من التطبيقات.

أمثلة على ذلك:

• تبلغ الموصلية الحرارية للبورون 27 وات/م كلفن
• النحاس (معدن) له 385 وات/م-ك
• معظم المعادن غير المعدنية لها قيم أقل من 1 وات/م-ك

هذه الخاصية تجعل الفلزات مفيدة في:

• زجاج مقاوم للحرارة (باستخدام البورون)
• مواد الواجهة الحرارية (باستخدام السيليكون)
• مستشعرات درجة الحرارة
• إدارة الحرارة في الإلكترونيات

يمكن لزجاج البورسليكات، الذي يحتوي على البورون، أن يتحمل التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة دون أن يتشقق. ولهذا السبب يستخدم في معدات المختبرات وأواني الطهي.

6. طاقة التأين الوسيطة

طاقة التأين هي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون من الذرة. وتتراوح طاقات التأين في أشباه الفلزات بين طاقات التأين للفلزات واللافلزات.

ما يعنيه ذلك:

• فهي لا تتخلى عن الإلكترونات بسهولة مثل الفلزات
• فهي لا تحتفظ بالإلكترونات بإحكام مثل غير الفلزات
• وهذا يؤثر على كيفية تكوينها للروابط وتفاعلها الكيميائي

على سبيل المثال، تبلغ طاقة التأيُّن في البورون حوالي 800 كيلوجول/مول، بينما تبلغ طاقة تأين الألومنيوم (وهو فلز) 578 كيلوجول/مول. ويؤثر هذا الاختلاف على سلوك هذه العناصر في التفاعلات الكيميائية.

وترتبط هذه الخاصية أيضاً بسمية الفلزات. وتسهم طاقة التأين الوسيطة للزرنيخ في سميته، حيث تبلغ الجرعة المميتة المميتة (LD₅₀₀) 15-30 ملغم/كغم في البشر.

التطبيقات العملية لخصائص الفلزات

هذه الخصائص الست الخاصة تجعل الفلزات مفيدة للغاية في عالمنا الحديث. وفيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية:

الإلكترونيات والحوسبة

• السيليكون في رقائق الكمبيوتر والخلايا الشمسية والترانزستورات
• الجرمانيوم في الألياف البصرية وتقنية الرؤية الليلية
• البورون المنشطات لتصنيع أشباه الموصلات

السيليكون أشباه الموصلات يسمح السلوك بالتحكم الدقيق في الإشارات الكهربائية في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية. بلغت قيمة السوق العالمية لأشباه الموصلات $580 مليار دولار في عام 2023، حيث يقود السيليكون 95% من الإنتاج.

الاستخدامات الصناعية

• الأنتيمون في مثبطات اللهب والبطاريات (إنتاج 140,000 طن في عام 2022)
• التيلوريوم في الفولاذ لتسهيل تشكيله
• البورون في إنتاج الزجاج والسيراميك
• السيليكون في التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي تطبيقات للإلكترونيات

التطبيقات الطبية

• البورون المركبات في المطهرات
• الزرنيخ في علاجات العلاج الكيميائي المحدودة
• السيليكون في الغرسات والأجهزة الطبية

التكنولوجيا البيئية

• السيليكون في الخلايا الشمسية
• التيلوريوم في الألواح الشمسية
• البورون في المغذيات الزراعية

دراسات الحالة الرئيسية لتطبيقات الفلزات

السيليكون في الطاقة الشمسية

السيليكون شبه موصلة جعلت منه نجم الطاقة الشمسية. في حين كانت كفاءة خلايا السيليكون الشمسية حوالي 15% فقط في عام 2000، إلا أن التحسينات في المنشطات والتصنيع رفعت هذه الكفاءة إلى 22% بحلول عام 2023. واليوم، تشكل خلايا السيليكون 95% من جميع الألواح الشمسية في جميع أنحاء العالم. إن بنية هشة من السيليكون لا يزال يمثل تحديًا، مما يتطلب أغطية زجاجية واقية.

البورون في الطاقة النووية

يمتص البورون-10، وهو نظير البورون، النيوترونات بقوة. وهذا يجعله مثاليًا لقضبان التحكم في المفاعلات النووية. ويُستخدم حوالي 2500 طن من البورون سنوياً في التطبيقات النووية في جميع أنحاء العالم. البورون الخصائص الوسيطة السماح لها بالعمل بفعالية في الظروف القاسية داخل المفاعلات.

الزرنيخ في الطب

على الرغم من كونه سامًا، فقد وجد ثالث أكسيد الزرنيخ دورًا في علاج نوع معين من سرطان الدم. ويوضح استخدامه كيف أن السلوك المذبذب من الفلزات يمكن تسخيرها طبيًا عند السيطرة عليها بشكل صحيح. ويوازن الطب الحديث بعناية بين الآثار السامة للزرنيخ وقدراته على مكافحة السرطان.

مقارنة خواص الفلزات

إليك كيفية تكديس الفلزات في مقابل الفلزات واللافلزات:

أهمية الفلزات

تتميز أشباه الفلزات بأنها مميزة لأنها تسد الفجوة بين الفلزات واللافلزات. ويمنحها هذا الوسط خصائص مثالية للتكنولوجيا الحديثة.

لقد غيّر السيليكون وحده عالمنا من خلال:

• أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية
• الطاقة الشمسية
• الأجهزة الطبية
• التصنيع الآلي المتقدم للأجزاء الدقيقة

لولا الفلزات، لما كانت لدينا الثورة الرقمية التي تميز الحياة العصرية. مجموعتها الفريدة من الخصائص - من تطبيقات أشباه الموصلات إلى فائدتها في إنشاء مواد متخصصة - مما يجعلها لا يمكن الاستغناء عنها في تكنولوجيا اليوم.

الأسئلة المتداولة

الخاتمة

إن الفلزات هي عناصر مميزة حقًا لها ست خصائص رئيسية تجعلها ضرورية للتكنولوجيا الحديثة. وهي الموصلية الوسيطة, بنية هشة، بريق متغير, السلوك المذبذبوالتوصيل الحراري المعتدل، وطاقة التأين المتوازنة، تخلق مجموعة فريدة من الخصائص.

من السيليكون في جهاز الكمبيوتر الخاص بك إلى البورون في الزجاج المقاوم للحرارة، تمكّن الفلزات بهدوء الكثير من عالمنا التكنولوجي. ومع استمرارنا في تطوير تقنيات جديدة، ستظل هذه العناصر متعددة الاستخدامات في قلب الابتكار.

يساعدنا فهم هذه الخصائص الست في معرفة سبب أهمية الفلزات المعدنية وكيف ستستمر في تشكيل مستقبلنا من خلال تقنيات التصنيع المتقدمة مثل التصنيع الآلي الدقيق باستخدام الحاسب الآلي وإنتاج أشباه الموصلات.