شرح الفلزات: الاختلافات الرئيسية والخصائص والتطبيقات في العالم الحقيقي

هل تساءلت يومًا عن عناصر خاصة التي تجعل هاتفك الذكي يعمل أو تساعد الألواح الشمسية على جمع الطاقة من الشمس؟ هذه على الأرجح الفلزات - مجموعة فريدة من العناصر التي تقع بين الفلزات واللافلزات في الجدول الدوري. في هذا المقال، سوف نستكشف ما الذي يجعل أشباه الفلزات مميزة، وكيف تختلف عن بعضها البعض، ولماذا هي مهمة في حياتنا اليومية.

ما هي أشباه الفلزات؟

الفلزات هي عناصر تُظهر كلاً من السمات المعدنية وغير المعدنية. فكِّر في هذه العناصر على أنها العناصر "البينية". فهي تقع على طول خط قطري في الجدول الدوري بين المعادن على اليسار واللافلزات على اليمين.

تشترك هذه العناصر الخاصة في بعض السمات الرئيسية:

• يمكنها توصيل الكهرباء جزئيًا (ليس مثل المعادن، ولكن أفضل من غير المعادن)
• هم المواد الصلبة الهشة في درجة حرارة الغرفة
• هم الكهرومغناطيسية يتراوح عادةً من 1.8 إلى 2.2
• يمكن أن تشكل السبائك بالمعادن

هناك 7 أشباه فلزات شائعة:

1. البورون (B)
2. السيليكون (Si)
3. الجرمانيوم (Ge)
4. الزرنيخ (As)
5. الأنتيمون (Sb)
6. التيلوريوم (Te)
7. البولونيوم (بو)

مقارنة الفلزات: الخواص والاستخدامات

لنلقِ نظرة على كل معدن وما يجعله فريدًا ومفيدًا.

البورون

البورون عبارة عن فلز خفيف الوزن ولكنه معدن قوي ذو درجة انصهار عالية جدًا تبلغ 2,076 درجة مئوية. لا يوجد حرًا في الطبيعة، ولكنه غالبًا ما يتحد مع الأكسجين في مركبات مثل البوراكس.

الاستخدامات الرئيسية:

• مثبطات اللهب للأقمشة والمواد
• زجاج البورسليكات (مثل البيركس) التي يمكنها تحمل الحرارة العالية
• الدروع النيوترونية في المفاعلات النووية
• الطب كمطهرات ومكملات غذائية

تبلغ قيمة سوق البورون العالمية حوالي $2.1 مليار دولارمع 80% المستخدمة في إنتاج الزجاج والسيراميك.

السيليكون

السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، حيث يشكِّل حوالي 27.71 تيرابايت من وزنها. وهو أكثر الفلزات شيوعاً وهو مهم للغاية في التكنولوجيا الحديثة.

الاستخدامات الرئيسية:

• رقائق الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية
• الألواح الشمسية التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء
• منتجات السيليكون مثل المواد المانعة للتسرب والغرسات الطبية
• زجاج الإنتاج

يهيمن السيليكون 95% من سوق أشباه الموصلاتمما يجعلها أحد أهم العناصر في عالمنا الذي يعتمد على التكنولوجيا.

الجرمانيوم

الجرمانيوم مميز لأنه شفاف للأشعة تحت الحمراء مع كونه شبه موصل. وعلى الرغم من أنه ليس شائعاً في القشرة الأرضية، إلا أنه يتمتع بخصائص بصرية فريدة من نوعها.

الاستخدامات الرئيسية:

• كابلات الألياف البصرية التي تحمل بيانات الإنترنت
• بصريات الأشعة تحت الحمراء لأجهزة الرؤية الليلية
• الترانزستورات والمكونات الإلكترونية الأخرى

يُستخدم حوالي 351 تيرابايت 5 تيرابايت من الجرمانيوم في الألياف البصرية، ومن المتوقع أن يصل السوق إلى $390 مليون بحلول عام 2027.

الزرنيخ

الزرنيخ معروف بأنه سام، ولكن له استخدامات مهمة عند التعامل معه بأمان. فهو يشكل سبائك هشة وقد استخدم على مر التاريخ.

الاستخدامات الرئيسية:

• أشباه الموصلات (خاصة في رقائق زرنيخيد الغاليوم)
• المواد الحافظة للأخشاب (على الرغم من انخفاض هذا الاستخدام)
• السبائك المعدنية لزيادة الصلابة

انخفض سوق الزرنيخ العالمي بنحو 70% منذ عام 2000 بسبب المخاوف من السمية وحظر استخدامات معينة.

الأنتيمون

الأنتيمون يجعل السبائك أكثر صلابة ومقاومة للتآكل. وهو معروف منذ العصور القديمة وله مظهر فضي.

الاستخدامات الرئيسية:

• مثبطات اللهب للمنسوجات والبلاستيك
• بطاريات الرصاص الحمضية للسيارات
• بيوتر وسبائك معدنية أخرى

يُستخدم حوالي 60% من الأنتيمون في مثبطات اللهب، وأصبح مهمًا في بعض أنودات بطاريات أيونات الليثيوم.

التيلوريوم

التيلوريوم موصلة للضوء، أي أنها توصل الكهرباء بشكل أفضل عند تعرضها للضوء. وهي نادرة ولكنها قيمة للتطبيقات المتخصصة.

الاستخدامات الرئيسية:

• الألواح الشمسية (ألواح تيلورايد الكادميوم أو CdTe)
• الأجهزة الكهروحرارية التي تحول الحرارة إلى كهرباء
• السبائك المعدنية لتحسين قابلية التشغيل الآلي

يساعد التيلوريوم في تعزيز كفاءة الألواح الشمسية إلى حوالي 22% في ألواح CdTe. يأتي حوالي 40% من الإمدادات العالمية من تكرير النحاس.

البولونيوم

البولونيوم مشع ونادر للغاية. وقد اكتشفته ماري كوري في عام 1898. ونظرًا لنشاطه الإشعاعي (وهو أكثر إشعاعًا من اليورانيوم بحوالي 250,000 مرة)، فإن استخداماته محدودة للغاية.

الاستخدامات الرئيسية:

• المزيلات الساكنة في البيئات الصناعية المتخصصة
• البطاريات النووية للتطبيقات الفضائية
• الأبحاث الأغراض

يبلغ عمر النصف للبولونيوم-210 فقط 138 يوماًوقد استُخدمت تاريخيًا في مركبات القمر السوفيتية للتدفئة أثناء الليالي القمرية الباردة.

لمحة سريعة عن الاختلافات الرئيسية

يوضح الجدول أدناه كيفية المقارنة بين هذه الفلزات في الخواص الرئيسية:

أهم التطبيقات الصناعية واليومية

تُظهر القيمة السوقية العالمية للمعادن الفلزية أهميتها في الصناعة:

الإلكترونيات

السيليكون هو ملك الإلكترونيات. أكثر من 95% من جميع الأجهزة الإلكترونية تستخدم أشباه موصلات السيليكون في رقائقها ودوائرها. من هاتفك الذكي إلى كمبيوتر سيارتك، يجعل السيليكون كل شيء ممكنًا. يستخدم الجرمانيوم في الترانزستورات المتخصصة والمكونات الإلكترونية الأخرى.

الطاقة

التيلوريوم أمر بالغ الأهمية لأنواع معينة من الألواح الشمسية. تنتج ألواح CdTe الشمسية 75% انبعاثات كربونية أقل من ألواح السيليكون التقليدية. وفي الوقت نفسه البورون في المفاعلات النووية كدرع نيوتروني، مما يساعد على التحكم في التفاعلات بأمان.

المواد

الأنتيمون يُضاف إلى العديد من المواد كمثبط للهب. عندما يُكتب على أثاثك أو ملابس أطفالك عبارة "مقاومة للهب"، فقد تحتوي على مركبات الأنتيمون. السيليكون يُستخدم أيضًا في صناعة بوليمرات السيليكون الموجودة في كل شيء بدءًا من أدوات المطبخ وحتى الغرسات الطبية.

الطب

البورون في المطهرات وعلاجات التهاب المفاصل. تاريخيًا، كان الزرنيخ يستخدم في الأدوية، على الرغم من أن استخدامه اليوم محدود جدًا بسبب المخاوف من السمية.

اعتبارات السلامة والبيئة

في حين أن الفلزات تتيح التكنولوجيا الحديثة، إلا أن بعضها يمثل مخاوف خطيرة تتعلق بالسلامة:

الزرنيخ مقلقة على وجه الخصوص، حيث تتسبب المياه الجوفية الملوثة بالزرنيخ في وفاة أكثر من 20,000 حالة وفاة سنويًا بسبب تلوثها بالزرنيخ، ولا سيما في بنغلاديش وأجزاء من الهند.

البولونيوم شديد الخطورة - ميكروغرام واحد فقط هو جرعة قاتلة للبشر. وقد حظيت باهتمام الجمهور في عام 2006 عندما استُخدمت في تسميم الجاسوس الروسي السابق ألكسندر ليتفينينكو.

لدى العديد من البلدان لوائح صارمة بشأن استخدام هذه العناصر في المنتجات الاستهلاكية. على سبيل المثال، تم حظر استخدام الزرنيخ في معظم المواد الحافظة للأخشاب في الأماكن السكنية في الولايات المتحدة منذ عام 2003.

دراسات حالة واقعية

دراسة حالة 1: السيليكون في رقاقة M1 من Apple

أحدثت خصائص أشباه الموصلات السيليكونية ثورة في مجال الحوسبة. تستخدم رقاقة M1 من Apple تقنية معالجة 5 نانومتر لتعبئة 16 مليار ترانزستور على رقاقة صغيرة. هذا التطعيم المتطور للسيليكون (إضافة كميات صغيرة من العناصر الأخرى) يقلل من استخدام الطاقة بمقدار 601 تيرابايت و5 تيرابايت مع مضاعفة السرعة مقارنة بالأجيال السابقة.

دراسة الحالة 2: التيلوريوم في ألواح First Solar

تسيطر شركة First Solar على حوالي 50% من سوق الطاقة الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بألواح CdTe. وتستخدم هذه الألواح التيلوريوم لتحقيق معدلات كفاءة تصل إلى 22%، مما يجعل الطاقة الشمسية في متناول الجميع. تتميز ألواح الشركة ببصمة كربونية أقل من ألواح السيليكون التقليدية.

دراسة الحالة 3: البورون في الأمان النووي

يُستخدم كربيد البورون في قضبان التحكم في 100% من المحطات النووية التجارية على مستوى العالم. وقدرته على امتصاص النيوترونات تجعله ضرورياً لمنع الانصهار في حالات الطوارئ. وخلال كارثة فوكوشيما في عام 2011، تم إلقاء البورون في المفاعلات للمساعدة في وقف التفاعلات النووية المتسلسلة.

الاتجاهات المستقبلية في استخدام الفلزات

يبدو المستقبل مشرقًا للميتالويدات في العديد من المجالات المتطورة:

الحوسبة الكمية

ويجري البحث في كل من السيليكون والجرمانيوم لاستخدامهما في البتات الكمية أو "الكيوبتات". قد تشكل نقاط السيليكون الكمية أساسًا للحواسيب الكمية المستقبلية التي يمكن أن تحل المشاكل التي يستحيل على الحواسيب الحالية حلها.

التكنولوجيا الخضراء

لا يزال التيلوريوم مهمًا للطاقة الشمسية. حيث يعمل الباحثون على زيادة كفاءة المواد الكهروحرارية التي تحتوي على التيلوريوم، والتي يمكن أن تساعد في استعادة الحرارة المهدرة من العمليات الصناعية ومحركات المركبات.

التطورات الطبية

يُظهر العلاج بالتقاط النيوترونات البورون النيوترونية (BNCT) نتائج واعدة لعلاج أنواع معينة من السرطان. وتستخدم هذه التقنية قدرة البورون على امتصاص النيوترونات لاستهداف الخلايا السرطانية على وجه التحديد، مما قد يقلل من الآثار الجانبية مقارنة بالعلاج الإشعاعي التقليدي.

الخاتمة

الفلزات هي عناصر مميزة حقًا تسد الفجوة بين المعادن واللافلزات. فخصائصها الفريدة تجعلها ضرورية للتكنولوجيا الحديثة، بدءاً من السيليكون في حاسوبك إلى البورون في أواني الطهي المقاومة للحرارة.

وعلى الرغم من أن بعض الفلزات تمثل تحديات تتعلق بالسلامة، إلا أن فوائدها قد غيرت عالمنا. ومع تقدم التكنولوجيا، ستستمر هذه العناصر متعددة الاستخدامات في أداء أدوار حاسمة في مجالات الإلكترونيات والطاقة والطب وغيرها.

في المرة القادمة التي تستخدم فيها هاتفك الذكي أو تعجب بتركيب ألواح الطاقة الشمسية، تذكر أن المعادن التي تعمل خلف الكواليس لجعل هذه التقنيات ممكنة!