البنى الفلزية والترابط: شرح كيمياء HSC

يمكنك طرق الألومنيوم لتحويله إلى صفيحة رقيقة، وسحب النحاس ليصبح سلكًا، ثم استخدام ذلك السلك لتمرير تيار كهربائي. جرّب معاملة بلورة ملح بالطريقة نفسها فستتشقق.

فما المختلف داخل الفلز؟

تخيّل مادة صلبة تتكوّن فقط من صفوف من الجسيمات الموجبة. والآن تخيّل دفع أحد الصفوف جانبًا. ألن تتنافر الشحنات الموجبة المتجاورة وتجعل البنية تنهار؟

بلى. الجزء الناقص من الصورة هو الإلكترونات.

01ابدأ ببناء البنية الفلزية

في نموذج HSC، يحتوي الفلز الصلب على شبكة ثلاثية الأبعاد منتظمة من الأيونات الفلزية الموجبة تحيط بها إلكترونات غير متمركزة.

الشبكة هي ببساطة ترتيب متكرر للجسيمات. وتعني كلمة غير متمركزة أن الإلكترونات ليست مرتبطة بذرة محددة أو محصورة في رابطة محددة. فالإلكترونات الخارجية، أو إلكترونات التكافؤ، تكون موزعة في أنحاء البنية الفلزية.

يبقى الفلز متماسكًا لأن الشحنات المتعاكسة تتجاذب. الرابطة الفلزية هي التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات الفلزية الموجبة والإلكترونات غير المتمركزة.

وهذا يعطينا النموذج الأساسي:

\[ \text{أيونات فلزية موجبة} + \text{إلكترونات غير متمركزة} + \text{تجاذب كهروستاتيكي} \]

لم تغادر الإلكترونات الفلز. فهي تظل جزءًا من البنية، ولذلك يكون الفلز ككل متعادلًا كهربائيًا.

فعلى سبيل المثال، يعامل نموذج HSC فلز المغنيسيوم على أنه مراكز مغنيسيوم موجبة تحيط بها إلكترونات التكافؤ غير المتمركزة. وهذا لا يعني أن أيونات \(\mathrm{Mg}^{2+}\) منفردة تطفو داخل الفلز. بل هي جزء من بنية فلزية واحدة متصلة.

تشبيه مفيد، وإن كان طريفًا قليلًا

فكّر في الترابط التساهمي على أنه علاقة تتشارك فيها ذرتان الإلكترونات معًا بطريقة محددة جدًا.

أما الترابط الفلزي فأقل حصرية. فإلكترونات التكافؤ ليست مرتبطة بأيون معين، بل تكون مشتركة عبر البنية بأكملها.

يساعدنا ذلك على تصور سبب كون الترابط الفلزي غير اتجاهي. فالتجاذب لا يعتمد على اتصال أيون معين بجار معين.

وهنا تنتهي فائدة التشبيه. فالإلكترونات ليست أشخاصًا صغارًا يتنقلون بين شركاء. إن صورة «بحر الإلكترونات» نموذج مبسط لسلوك الإلكترونات في الفلز. ويستخدم الوصف الأكثر اكتمالًا ميكانيكا الكم ونطاقات الطاقة، لكن نموذج الشبكة والإلكترونات غير المتمركزة هو المستوى المناسب والمفيد لشرح الخواص الفلزية في HSC.

02لماذا توصل الفلزات الكهرباء

افترض أنك وصلت سلكًا من النحاس عبر فرق جهد.

قبل توصيل الدائرة، تكون الإلكترونات غير المتمركزة متحركة بالفعل داخل الفلز، لكن لا توجد حركة كلية في اتجاه واحد.

فما الذي يتغير عند تطبيق مجال كهربائي؟

تكتسب الإلكترونات انجرافًا كليًا صغيرًا عبر البنية. ولأن هذه الجسيمات المشحونة تستطيع التحرك خلال المادة الصلبة، فإنها تنقل الشحنة.

ولهذا توصل الفلزات الصلبة الكهرباء.

لا تحتاج الأيونات الموجبة إلى التحرك على طول السلك. ففي الفلز الصلب، تهتز حول مواضعها في الشبكة، بينما توفر الإلكترونات غير المتمركزة حاملات الشحنة المتحركة.

ومن التفسيرات الضعيفة الشائعة:

توصل الفلزات الكهرباء لأن لديها إلكترونات حرة.

كلمة «حرة» غامضة أكثر من اللازم. فالإلكترونات لم تتحرر من جميع القوى، بل تظل منجذبة إلى شبكة الأيونات الموجبة.

والتفسير الأفضل هو:

توصّل الفلزات الكهرباء لأنها تحتوي على إلكترونات غير متمركزة تستطيع التحرك عبر البنية وحمل الشحنة عند تطبيق فرق جهد.

03لماذا يمكن ثني الفلزات دون أن تتحطم

لنعد الآن إلى اللغز الأصلي.

تخيّل دفع طبقة من الأيونات الموجبة جانبًا بالنسبة إلى طبقة أخرى. إذا كان الترابط يعتمد على أزواج ثابتة من الجسيمات متصلة في اتجاهات ثابتة، فقد يؤدي تحريك الطبقات إلى كسر تلك الروابط.

لكن الترابط الفلزي يتصرف بطريقة مختلفة.

نظرًا لأن الإلكترونات غير المتمركزة تمتد في أنحاء البنية، يمكن للأيونات الموجبة أن تغيّر موضعها مع بقائها منجذبة إلى كثافة الإلكترونات المحيطة.

لذلك تستمر الرابطة الفلزية في الحفاظ على تماسك البنية أثناء تحرك الطبقات.

ويساعد ذلك على تفسير خاصيتين مرتبطتين:

• القابلية للطرق هي قدرة المادة على أن تُشكَّل أو تُطرَق لتكوين صفائح.
• القابلية للسحب هي قدرة المادة على أن تُسحَب لتكوين أسلاك.

يُعد سحب النحاس لتكوين أسلاك كهربائية مثالًا مألوفًا على القابلية للسحب. أما درفلة الألومنيوم إلى رقائق رقيقة فهي مثال على القابلية للطرق.

لاحظ ما لا يقوله هذا التفسير. فهو لا يقول إن الأيونات الفلزية تتحرك بحرية داخل المادة الصلبة كما تتحرك الجسيمات في السائل. ما تزال الأيونات تشغل بنية صلبة منظمة. لكن عند تطبيق قوة كافية، يمكن للطبقات أن تتحرك بالنسبة إلى بعضها بعضًا.

04الترابط الفلزي قوي، لكن ليست كل الفلزات متساوية في القوة

قد يكون من المغري حفظ الجملة «للفلزات روابط فلزية قوية» والتوقف عند ذلك.

لكن هذا يسبب مشكلات لأن الفلزات تختلف اختلافًا هائلًا. فالصوديوم لين إلى درجة تسمح بقطعه بسهولة، بينما تمتلك فلزات مثل التنغستن درجات انصهار أعلى بكثير.

تعتمد قوة التجاذب الفلزي على مدى قوة جذب الأيونات الموجبة للإلكترونات غير المتمركزة.

في نموذج HSC المبسط، يُتوقع عمومًا أن يكون التجاذب أقوى عندما:

• تكون شحنة الأيونات الفلزية الموجبة أكبر،
• يُسهم عدد أكبر من إلكترونات التكافؤ في نظام الإلكترونات غير المتمركزة، و
• تكون الأيونات الموجبة أصغر، بحيث تكون الشحنات المتجاذبة أقرب إلى بعضها.

يمكن لهذه العوامل أن تزيد التجاذب الكهروستاتيكي بين شبكة الأيونات والإلكترونات غير المتمركزة.

05لماذا توصل الفلزات الحرارة

الفلزات أيضًا موصلات جيدة للحرارة عمومًا.

يحدث انتقال الحرارة في الفلز عبر جزأين مهمين من البنية.

أولًا، تستطيع الإلكترونات غير المتمركزة نقل الطاقة بسرعة عبر المادة. وثانيًا، تهتز الجسيمات الموجودة في الشبكة بقوة أكبر عند تسخينها وتنقل الطاقة إلى الأجزاء المجاورة من البنية.

في تفسيرات HSC، تُعد الإلكترونات غير المتمركزة المتحركة سببًا مهمًا لقدرة الفلزات على نقل الطاقة الحرارية بفاعلية.

ولهذا تكون مواد مثل النحاس والألومنيوم مفيدة في أواني الطهي ومعدات نقل الحرارة، رغم أن الاختيار العملي للمادة يعتمد أيضًا على التكلفة والكتلة ومقاومة التآكل وخواص أخرى.

06لماذا تكون كثير من الفلزات لامعة

عندما يصل الضوء إلى سطح فلز، يتفاعل مجاله الكهرومغناطيسي مع الإلكترونات غير المتمركزة.

تستجيب هذه الإلكترونات للإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط، وينعكس جزء كبير من الضوء عن السطح. ويسهم ذلك في البريق الفلزي المميز لكثير من الفلزات ذات الأسطح المكشوفة حديثًا.

قد يبدو سطح الفلز المتسخ أو المتأكسد باهتًا لأن ما تراه قد يكون في الواقع طبقة من مادة أخرى فوق الفلز.

07نموذج واحد يفسر عدة خواص

الفائدة من نموذج الترابط الفلزي هي أنك لا تحتاج إلى حفظ تفسير منفصل لكل خاصية.

كن حذرًا مع العبارة المتعلقة بدرجة الانصهار. فكثير من الفلزات لها درجات انصهار مرتفعة، لكن عبارة «كل الفلزات لها درجات انصهار مرتفعة» خاطئة. فالزئبق سائل عند درجة حرارة الغرفة، ولفلزات المجموعة 1 درجات انصهار منخفضة نسبيًا مقارنة بكثير من الفلزات الانتقالية.

08أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً: هل الإلكترونات حرة فعلًا؟

قد يؤدي وصفها بأنها «بحر من الإلكترونات الحرة» إلى تكوين صورة خاطئة.

قد يتخيل الطالب أن الإلكترونات تتحرك باستقلال تام، كما لو أن الأيونات الموجبة لا تؤثر فيها. ولو كان ذلك صحيحًا، لما وُجد سبب لبقاء تلك الإلكترونات داخل الفلز.

والتمييز المفيد هو:

غير متمركزة لا تعني أنها غير مرتبطة بالفلز.

فالإلكترونات ليست متمركزة حول ذرة واحدة بعينها أو بين زوج واحد بعينه من الذرات، لكنها تظل جزءًا من البنية الفلزية ومنجذبة إلى الأيونات الموجبة.

وهذا التجاذب نفسه هو الرابطة الفلزية.

وهناك نتيجة مفيدة أخرى. فإذا تمكن إلكترون من مغادرة الفلز تمامًا، فسيكون من الضروري عمومًا تزويده بالطاقة. فالإلكترونات الفلزية متحركة داخل المادة، وليست حرة تلقائيًا في الانطلاق خارجها.

09ما الذي يتغير في السبيكة؟

افترض إدخال عدد قليل من ذرات عنصر مختلف إلى فلز نقي.

إذا كانت الذرات الجديدة مختلفة في الحجم، فإن الترتيب الذي كان منتظمًا يصبح مشوهًا. ولا تعود الطبقات قادرة على الانزلاق بعضها بجانب بعض بالسهولة نفسها.

وهذا أحد الأسباب التي قد تجعل السبيكة أصلب وأقل سهولة في التشوه من الفلز النقي الذي صُنعت منه.

لم يختفِ الترابط الفلزي. فما تزال الإلكترونات غير المتمركزة موجودة، ولهذا تظل كثير من السبائك موصلة للكهرباء. لكن تغير الشبكة يمكن أن يجعل حركة الطبقات أكثر صعوبة.

وهذا مثال مفيد على أهمية البنية المجهرية. فقد تحتوي مادتان كلتاهما على ترابط فلزي، ومع ذلك تمتلكان خواص ميكانيكية مختلفة تمامًا.

10طريقة موثوقة لتفسير خاصية فلزية

عندما يطلب منك سؤال في HSC تفسير خاصية باستخدام الترابط الفلزي، ابنِ إجابتك بهذا الترتيب:

1. اذكر البنية. اذكر الأيونات الفلزية الموجبة والإلكترونات غير المتمركزة.
2. حدّد القوة أو الحركة ذات الصلة. مثل الإلكترونات المتحركة في حالة التوصيل، أو التجاذب الكهروستاتيكي غير الاتجاهي في حالة القابلية للطرق.
3. اربط ذلك السلوك المجهري بالخاصية الملحوظة.

بالنسبة إلى التوصيل الكهربائي، قد تصبح الإجابة:

يحتوي الفلز على أيونات موجبة مرتبة في شبكة تحيط بها إلكترونات غير متمركزة. تستطيع الإلكترونات التحرك عبر البنية وحمل الشحنة عند تطبيق فرق جهد، ولذلك يوصل الفلز الكهرباء.

أما بالنسبة إلى القابلية للطرق، فتتغير الخطوة الوسطى:

يمكن لطبقات الأيونات الموجبة أن تتحرك مع بقائها منجذبة إلى الإلكترونات غير المتمركزة المحيطة، ولذلك يمكن أن يستمر الترابط الفلزي بينما يتغير شكل الفلز.

إن الربط بين البنية، وسلوك الجسيمات، والخاصية القابلة للملاحظة هو ما يحوّل الوصف إلى تفسير.

11الأسئلة والحلول

السؤال 1

توصّل قطعة من النحاس الكهرباء مع بقائها في الحالة الصلبة. اشرح كيف يفسر نموذج الترابط الفلزي هذه الملاحظة.

الحل 1

يوصل النحاس الكهرباء وهو صلب لأنه يحتوي على إلكترونات غير متمركزة تستطيع التحرك عبر البنية الفلزية وحمل الشحنة.

يتكون النحاس من أيونات فلزية موجبة مرتبة في شبكة تحيط بها إلكترونات تكافؤ غير متمركزة. وتبقى الأيونات الموجبة بالقرب من مواضعها في الشبكة، ولذلك تحافظ المادة الصلبة على شكلها.

عند تطبيق فرق جهد، تكتسب الإلكترونات غير المتمركزة انجرافًا كليًا عبر الفلز. ولأن الإلكترونات جسيمات مشحونة، فإن هذه الحركة تنقل الشحنة وتنتج تيارًا كهربائيًا.

والنقطة الأساسية هي أن التوصيل الكهربائي لا يتطلب من أيونات النحاس نفسها أن تتحرك عبر المادة الصلبة.

السؤال 2

يقول طالب: «إذا فقدت ذرات الفلز إلكترونات تكافؤها وأصبحت أيونات موجبة، فلا بد أن تكون قطعة الفلز بأكملها موجبة الشحنة».

اشرح الخطأ.

الحل 2

يبقى الفلز متعادلًا كهربائيًا لأن إلكترونات التكافؤ لم تغادر قطعة الفلز.

في نموذج الترابط الفلزي، تصبح إلكترونات التكافؤ غير متمركزة بدلًا من أن تبقى مرتبطة بذرات منفردة. وتكون المراكز الفلزية المتبقية موجبة، لكن الإلكترونات غير المتمركزة سالبة الشحنة تظل موجودة في المادة نفسها.

لذلك تتوازن الشحنة الموجبة الكلية مع الشحنة السالبة الكلية.

خطأ الطالب هو التعامل مع كلمة غير متمركزة كما لو كانت تعني أُزيلت تمامًا من الفلز. فالإلكترونات مشتركة في أنحاء البنية الفلزية، وليست مفقودة إلى الوسط المحيط.

السؤال 3

يمكن درفلة فلز إلى صفيحة رقيقة دون أن يتفكك. ويشرح طالب آخر ذلك بقوله: «تنزلق الأيونات الموجبة لأنها لا تتجاذب مع بعضها».

قيّم هذا التفسير وقدّم تفسيرًا أفضل.

الحل 3

التفسير غير صحيح لأن الفلز يتماسك بفعل التجاذب بين الأيونات الموجبة والإلكترونات غير المتمركزة، وليس بسبب غياب القوى.

كانت الأيونات الفلزية الموجبة ستتنافر مع الأيونات الموجبة الأخرى لو كان ذلك هو التفاعل الوحيد الموجود. لكن الشبكة محاطة بإلكترونات غير متمركزة سالبة الشحنة.

عندما تتحرك طبقات الأيونات، تظل الإلكترونات موزعة في أنحاء البنية الفلزية. ولذلك يمكن للأيونات أن تبقى منجذبة كهروستاتيكيًا إلى كثافة الإلكترونات المحيطة حتى بعد تغير مواضعها النسبية.

يسمح هذا التجاذب غير الاتجاهي للفلز بالتشوه دون الحاجة إلى بقاء مجموعة ثابتة من الروابط بين أزواج معينة من الجسيمات في المواضع نفسها.

وهذا هو التفسير المجهري للقابلية للطرق.

السؤال 4

من السهل نسبيًا ثني الفلز النقي A. وبعد إضافة كمية صغيرة من عنصر آخر ذي ذرات أكبر، تصبح السبيكة الناتجة أصعب بصورة ملحوظة في التشوه، لكنها تظل موصلة للكهرباء.

اشرح كلتا الملاحظتين باستخدام استدلال على مستوى الجسيمات.

الحل 4

تكون السبيكة أصعب في التشوه لأن الذرات المختلفة في الحجم تعطل انتظام الشبكة وتعيق حركة الطبقات، بينما تظل قادرة على التوصيل لأن الإلكترونات غير المتمركزة ما تزال موجودة.

في الفلز النقي، تكوّن الجسيمات الفلزية المتشابهة في الحجم بنية منتظمة نسبيًا. وعند تطبيق قوة، يمكن للطبقات أن تتحرك مع استمرار التجاذب الفلزي.

يؤدي إدخال ذرات أكبر إلى تشويه هذا الترتيب المنتظم. وتجعل البنية غير المنتظمة من الصعب على الطبقات أن تتحرك بسلاسة بعضها بجانب بعض، ولذلك يلزم تطبيق قوة أكبر لتشويه المادة.

ولا تزال السبيكة قادرة على توصيل الكهرباء لأن الترابط الفلزي يظل موجودًا، ولا تزال الإلكترونات غير المتمركزة قادرة على التحرك عبر البنية.

والفخ المهم هو افتراض أن زيادة المقاومة الميكانيكية تعني بالضرورة أن الإلكترونات أصبحت ثابتة. فالصلادة الأعلى تنتج أساسًا من التغيرات في الشبكة وصعوبة حركة طبقات الجسيمات، وليس من إزالة قدرة الإلكترونات كلها على الحركة.

السؤال 5

يتعلم طالب أن الفلز الصلب يحتوي على شبكة منتظمة من الأيونات الموجبة، ثم يلاحظ أن الفلز نفسه يظل موصلًا للكهرباء بعد انصهاره.

فيدّعي أن هذا يدحض نموذج الترابط الفلزي لأن الشبكة الصلبة المنتظمة لم تعد موجودة.

هل هذا الادعاء صحيح؟ اشرح.

الحل 5

لا. فالانصهار يزيل الانتظام بعيد المدى للشبكة الصلبة، لكنه لا يزيل تلقائيًا الإلكترونات المتحركة المسؤولة عن التوصيل الفلزي.

في الحالة الصلبة، تشغل المراكز الفلزية الموجبة شبكة مرتبة، ويمكن للإلكترونات غير المتمركزة أن تتحرك في أنحاء البنية.

عندما ينصهر الفلز، لا تعود الجسيمات الموجبة مثبتة في شبكة منتظمة. بل تصبح متحركة وغير مرتبة. ومع ذلك، يمكن أن تظل الإلكترونات غير متمركزة في أنحاء الفلز السائل، ولذلك يظل من الممكن نقل الشحنة.

الافتراض الخفي لدى الطالب هو أن الترابط الفلزي يتطلب شبكة صلبة ثابتة تمامًا. يصف نموذج الشبكة البنية المرتبة للفلز الصلب، بينما يمكن أن يستمر عدم تمركز الإلكترونات والتفاعلات الفلزية في الحالة السائلة.

السؤال 6

يمتلك فلزان افتراضيان، X وY، البنية البلورية نفسها. تسهم كل ذرة من X بإلكترون تكافؤ واحد غير متمركز وتكوّن مركزًا موجبًا كبيرًا نسبيًا. وتسهم كل ذرة من Y بإلكتروني تكافؤ غير متمركزين وتكوّن مركزًا موجبًا أصغر وذا شحنة أعلى.

باستخدام نموذج الترابط الفلزي فقط، توقّع أي الفلزين يجب أن يحتاج إلى طاقة أكبر لفصل جسيماته. واذكر أحد قيود هذا التنبؤ.

الحل 6

يجب أن يحتاج الفلز Y إلى طاقة أكبر لفصل جسيماته لأن النموذج يتنبأ بتجاذب كهروستاتيكي أقوى بين مراكزه الموجبة وإلكتروناته غير المتمركزة.

يسهم Y بعدد أكبر من الإلكترونات غير المتمركزة لكل ذرة، مما يعطي كثافة شحنة سالبة أكبر في أنحاء البنية الفلزية. كما أن مراكزه الموجبة ذات شحنة أعلى.

ولأن هذه المراكز الموجبة أصغر أيضًا، يمكن أن تكون الشحنات المتعاكسة أقرب إلى بعضها. وتؤدي هذه العوامل جميعها إلى تعزيز التجاذب الكهروستاتيكي.

ولذلك يجب أن يلزم مقدار أكبر من الطاقة للتغلب على التجاذب الفلزي في Y، ومن ثم يتنبأ النموذج بترابط فلزي أقوى، وبدرجة انصهار أعلى إذا تساوت جميع العوامل الأخرى.

والقيد المهم هو عبارة إذا تساوت جميع العوامل الأخرى. فالخواص الفلزية الحقيقية تتأثر أيضًا بالبنية البلورية والتوزيع الإلكتروني وتفاصيل لا يشملها النموذج المبسط لشبكة الأيونات وبحر الإلكترونات. ويعطي النموذج تنبؤًا مفيدًا كيميائيًا، لكنه ليس قاعدة عددية عامة تنطبق في جميع الحالات.

بمجرد إتقان هذا النموذج، يصبح تفسير خواص السبائك أسهل بكثير. فبدلًا من حفظ أن السبائك غالبًا ما تكون أصلب، يمكنك أن تسأل ما الذي حدث للشبكة وما إذا كانت طبقاتها لا تزال قادرة على الحركة بسهولة. ويمكن بعد ذلك استخدام الاستدلال نفسه الذي يربط بين البنية والخاصية لمقارنة المواد الصلبة الفلزية بالمواد الأيونية والجزيئية والمواد ذات الشبكات التساهمية.