الكيمياء الفيزيائيهالكيمياءالكيمياء غير العضويه

الرابطة الفلزية أو المعدنية

 هي نوع من الترابط الكيميائي بين ذرتين أو أكثر من ذرات المعدن، والذي ينشأ من التجاذب بين نوى المعدن المشحونة إيجابيًا وإلكترونات التكافؤ غير المتمركزة.

الرابطة الفلزية أو المعدنية

منذ قرون عديدة، أثارت المعادن فضول الإنسان وأدهشته ببريقها وقوتها الغامضة. إنها تلك العناصر التي تمتلك تأثيرًا سحريًا يمتد إلى عالم الصناعة والتكنولوجيا وحتى الفن. وراء كل هذا السحر والقوة، تكمن رموز الروابط الفلزية أو المعدنية، تلك القوى الغامضة التي تجمع بين الذرات في شبكات من البريق والتماسك.

في هذا العصر الذي يعتمد بشكل كبير على التكنولوجيا، ندعوكم في هذه الرحلة المثيرة لاستكشاف أعماق الروابط الفلزية أو  المعدنية، من خلال التأمل في كيفية تكوينها وتأثيرها على خصائص المواد المعدنية.

دعونا نتعمق معًا في عالم يتخلله اللمعان والقوة، ونكتشف سرّ الرابطة الفلزية أو المعدنية التي تجمع بين العناصر وتجسد جمالًا لا مثيل له في عالم الكيمياء والفيزياء.

تعريف الرابطة الفلزية أو المعدنية (Metallic bonds) :

 هي نوع من الترابط الكيميائي بين ذرتين أو أكثر من ذرات المعدن، والذي ينشأ من التجاذب بين نوى المعدن المشحونة إيجابيًا وإلكترونات التكافؤ غير المتمركزة.

الروابط المعدنية هي نوع من الروابط الكيميائية وهي مسؤولة عن العديد من الخصائص المميزة للمعادن مثل بريقها اللامع وقابليتها للطرق وتوصيلها للحرارة والكهرباء.

في أوائل القرن العشرين، توصل بول درود إلى نظرية الروابط المعدنية “بحر الإلكترونات” من خلال نمذجة المعادن كخليط من النوى الذرية (النوى الذرية = النوى الموجبة + الغلاف الداخلي للإلكترونات) وإلكترونات التكافؤ.

تحدث الروابط الفلزية أو المعدنية بين ذرات المعدن. في حين أن الروابط الأيونية تربط المعادن (الفلزات) باللافلزات، فإن الروابط المعدنية تربط كتلة كبيرة من ذرات المعدن .

تميل المعادن إلى أن تكون لها نقاط انصهار وغليان عالية مما يشير إلى وجود روابط قوية بين الذرات. حتى المعدن الناعم مثل الصوديوم (نقطة الانصهار 97.8 درجة مئوية) ينصهر عند درجة حرارة أعلى بكثير من العنصر (النيون) الذي يسبقه في الجدول الدوري. للصوديوم البنية الإلكترونية 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . عندما تتجمع ذرات الصوديوم معًا، يتشارك الإلكترون الموجود في المدار الذري 3s لذرة صوديوم واحدة في الفضاء مع الإلكترون المقابل الموجود في ذرة مجاورة ليشكل مدارًا جزيئيًا – بنفس الطريقة التي تتشكل بها الرابطة التساهمية.

ومع ذلك، فإن الفرق هو أن كل ذرة صوديوم تتلامس مع ثماني ذرات صوديوم أخرى – وتحدث المشاركة بين الذرة المركزية والمدارات 3s على جميع الذرات الثماني الأخرى. تتلامس كل واحدة من هذه الثماني بدورها بثماني ذرات صوديوم، والتي تتلامس بدورها بثماني ذرات – وهكذا دواليك، حتى تحصل على كل الذرات الموجودة في تلك الكتلة من الصوديوم.

تتداخل جميع المدارات 3s الموجودة في جميع الذرات لتعطي عددًا كبيرًا من المدارات الجزيئية التي تمتد على كامل قطعة المعدن. يجب أن يكون هناك عدد كبير من المدارات الجزيئية، بطبيعة الحال، لأن أي مدار يمكن أن يحمل إلكترونين فقط.

يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية داخل هذه المدارات الجزيئية، وبالتالي ينفصل كل إلكترون عن ذرته الأم. ويقال أن الإلكترونات غير متمركزة. يتم تثبيت المعدن معًا بواسطة قوى الجذب القوية بين النوى الموجبة والإلكترونات غير المتمركزة .

لا ترتبط إلكترونات التكافؤ بذرات محددة ولكنها تتحرك بحرية حول المعدن بأكمله، مما يجعله موصلًا للكهرباء.
لا ترتبط إلكترونات التكافؤ بذرات محددة ولكنها تتحرك بحرية حول المعدن بأكمله، مما يجعله موصلًا للكهرباء.

 

يوصف هذا أحيانًا بأنه “مجموعة من الأيونات الموجبة في بحر من الإلكترونات”. إذا كنت ستستخدم هذا الرأي، فاحذر! هل المعدن يتكون من ذرات أم أيونات؟ وهي مصنوعة من الذرات . يمثل كل مركز إيجابي في الرسم البياني كل ما تبقى من الذرة باستثناء الإلكترون الخارجي، لكن هذا الإلكترون لم يُفقد – ربما لم يعد مرتبطًا بذرة معينة، لكنه لا يزال موجودًا في البنية. 

خصائص الفلزات أو المعادن في ضوء الرابطة الفلزية أو المعدنية:

تتمتع المعادن أو الفلزات بالعديد من الصفات الفريدة، مثل القدرة على توصيل الكهرباء والحرارة، وطاقة تأين منخفضة ، وسالبية كهربية منخفضة (وبالتالي فإنها تتخلى عن الإلكترونات بسهولة لتكوين الكاتيونات). وتشمل خصائصها الفيزيائية مظهرًا لامعًا (لامعًا)، كما أنها قابلة للطرق والليونة. المعادن لها بنية بلورية ولكن يمكن تشويهها بسهولة.

1-الموصلية : بما أن الإلكترونات حرة، إذا تم دفع إلكترونات من مصدر خارجي إلى سلك معدني عند أحد طرفيه (الشكل2) ، ستتحرك الإلكترونات عبر السلك وتخرج من الطرف الآخر بنفس المعدل (الموصلية هي حركة الشحنة).

2-القابلية للطرق والليونة :لا يفسر نموذج البحر الإلكتروني للمعادن خواصها الكهربائية فحسب، بل يوضح أيضًا قابليتها للطرق والليونة. ويعمل بحر الإلكترونات المحيط بالبروتونات بمثابة وسادة، ولذلك عندما يتم الطرق على المعدن، على سبيل المثال، فإن التركيب العام لبنية المعدن لا يتضرر أو يتغير. يمكن إعادة ترتيب البروتونات ولكن بحر الإلكترونات يتكيف مع التكوين الجديد للبروتونات ويحافظ على المعدن سليمًا. عندما تتحرك طبقة واحدة من الأيونات في بحر الإلكترونات على طول مساحة واحدة بالنسبة للطبقة التي تحتها، فإن البنية البلورية لا تنكسر ولكنها تتشوه فقط

3-السعة الحرارية : يتم تفسيرها بقدرة الإلكترونات الحرة على التحرك في المادة الصلبة.

4-اللمعان : يمكن للإلكترونات الحرة أن تمتص الفوتونات الموجودة في “البحر”، لذلك تبدو المعادن معتمة المظهر. يمكن للإلكترونات الموجودة على السطح أن ترتد الضوء بنفس التردد الذي يسقط فيه الضوء على السطح، وبالتالي يبدو المعدن لامعًا.

ومع ذلك، فإن هذه الملاحظات نوعية فقط، وليست كمية، لذلك لا يمكن اختبارها. تعتبر نظرية “بحر الإلكترونات” اليوم مجرد نموذج مبسط لكيفية عمل الروابط المعدنية.

في المعدن المنصهر، لا تزال الرابطة الفلزية أو المعدنية موجودة، على الرغم من تفكك البنية المنظمة. لا يتم كسر الرابطة المعدنية بالكامل حتى يغلي المعدن. وهذا يعني أن نقطة الغليان هي في الواقع دليل أفضل لقوة الرابطة المعدنية من نقطة الانصهار. عند الذوبان، يتم فك الرابطة، ولا تنكسر.

تعتمد قوة الرابطة الفلزية أو المعدنية على ثلاثة أشياء:

1-عدد الإلكترونات التي أصبحت غير متمركزة من المعدن (العدد الإجمالي للإلكترونات غير المتمركزة).

2-شحنة الكاتيون أوالمعدن (حجم الشحنة الموجبة التي يحملها الكاتيون المعدني).

3-حجم الكاتيون(نصف القطر الأيوني للكاتيون).

ستكون الرابطة المعدنية القوية نتيجة لعدد أكبر من الإلكترونات غير المتمركزة، مما يؤدي إلى زيادة الشحنة النووية الفعالة على الإلكترونات الموجودة في الكاتيون، مما يجعل حجم الكاتيون أصغر.

الروابط الفلزية المعدنية قوية وتتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة لكسرها، وبالتالي فإن المعادن لها درجات انصهار وغليان عالية. 

 

إن التجاذب القوي بين الذرات في الروابط المعدنية يجعل المعادن قوية ويمنحها كثافة عالية، ونقطة انصهار عالية، ونقطة غليان عالية، وقلة التطاير. هناك استثناءات. على سبيل المثال، الزئبق سائل في الظروف العادية وله ضغط بخار مرتفع. في الواقع، جميع المعادن الموجودة في مجموعة الزنك (Zn، Cd، وHg) متطايرة نسبيًا.

ما مدى قوة الرابطة الفلزية المعدنية؟

نظرًا لأن قوة الرابطة تعتمد على الذرات المشاركة فيها، فمن الصعب تصنيف أنواع الروابط الكيميائية. قد تكون الروابط التساهمية والأيونية والمعدنية جميعها روابط كيميائية قوية. حتى في المعدن المنصهر، يمكن أن يكون الترابط قويًا. 

الجاليوم، على سبيل المثال، مادة غير متطايرة ولها نقطة غليان عالية على الرغم من أن نقطة انصهارها منخفضة. إذا كانت الظروف مناسبة، فإن الترابط المعدني لا يتطلب حتى شبكة. وقد لوحظ هذا في النظارات التي لها بنية غير متبلورة.

تطبيقات الروابط الفلزية أو المعدنية:

  • الصناعة الهندسية: تستخدم المواد المعدنية في تصنيع الأدوات والأجزاء الهندسية بسبب قوة وتحملها للتوترات.
  • الصناعة الإلكترونية: تُستخدم المواد المعدنية في تصنيع الأسلاك الكهربائية والأجهزة الإلكترونية بسبب قدرتها الجيدة على توصيل الكهرباء.
  • البنية التحتية: تستخدم المعادن في بناء المنشآت الهندسية مثل الجسور والمباني بسبب قوة وتحملها للضغوط والتوترات.

وختاما تعتبر الرابطة الفلزية أو المعدنية واحدة من أساسيات الكيمياء والفيزياء، و تلعب دورًا حاسمًا في فهم خصائص وسلوك المواد المعدنية. و فهم هذه الروابط يسهم في تطوير التقنيات والتطبيقات التي تعتمد على المواد المعدنية في مختلف المجالات الصناعية والتقنية.

المراجع:

1-موقع https://chemistrytalk.org/metallic-bonding/ أطلعت عليه بتاريخ 26/1/2024.

2-موقع https://www.thoughtco.com/metallic-bond-definition-properties-and-examples-4117948 أطلعت عليه بتاريخ 26/1/2024.

3-موقع  https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Chemical_Bonding/Fundamentals_of_Chemical_Bonding/Metallic_Bonding أطلعت عليه بتاريخ 26/1/2024.

4-موقع  https://byjus.com/chemistry/metallic-bonds/أطلعت عليه بتاريخ 26/1/2024.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى

اشترك الان مجانا ليصلك كل جديد⚡

سيكون لك الاولويه للحصول علي احدث المعلومات

 

ضع بياناتك هنا🎁

 

تم الاشتراك بنجاح

تم الاشتراك بنجاح شكرا لك علي الاشتراك