الخواص الفيزيائية للعناصر في كيمياء HSC
تعرّف على كيفية تصنيف العناصر إلى فلزات ولافلزات وأشباه فلزات باستخدام الخواص الفيزيائية الملحوظة وموقعها في الجدول الدوري. يتضمن أمثلة محلولة ومفاهيم خاطئة شائعة.
أمامك ثلاث مواد صلبة رمادية أُزيلت عنها الملصقات. إحداها ألومنيوم، والثانية سيليكون، والثالثة كبريت. لا يُسمح لك بالتعرّف إليها عن طريق جعلها تتفاعل مع أي مادة. يمكنك فقط النظر إليها، وثنيها، واختبار قدرتها على توصيل الكهرباء، ومقارنة خواص فيزيائية أخرى.
هل لا يزال بإمكانك تحديد أيّها هو أيّ عنصر؟
على الأرجح، نعم. لكن المهارة المفيدة ليست حفظ أن «المعادن لامعة». فهناك أشياء كثيرة لامعة. المهارة الحقيقية هي الجمع بين عدة خواص فيزيائية، ثم استخدام الموقع المحتمل للعنصر في الجدول الدوري للتحقق مما إذا كان تصنيفك منطقيًا.
01ما الذي يُعد خاصية فيزيائية؟
الخاصية الفيزيائية هي شيء يمكنك ملاحظته أو قياسه من دون تحويل المادة إلى مادة كيميائية مختلفة.
بالنسبة إلى العنصر، تشمل الخواص الفيزيائية المفيدة ما يلي:
- الحالة عند درجة حرارة الغرفة: صلب أو سائل أو غاز
- اللون والمظهر
- البريق، أي مدى لمعان السطح
- التوصيل الكهربائي
- التوصيل الحراري
- القابلية للطرق، أي إمكانية طرق المادة أو ضغطها لتأخذ شكلًا جديدًا
- القابلية للسحب، أي إمكانية سحبها لتكوين سلك
- الهشاشة
- الكثافة
- درجة الانصهار
- درجة الغليان
لنفترض أنك ثنيت قطعة من سلك النحاس. تظل القطعة نحاسًا، ولذلك تكون قد اختبرت خاصية فيزيائية.
أما إذا أحرقت النحاس وتكوّن مركّب نحاسي جديد، فأنت تدرس سلوكًا كيميائيًا بدلًا من ذلك.
هذا التمييز مهم لأن الخواص الفيزيائية تتيح لنا تصنيف مادة من دون الحاجة إلى حدوث تفاعل كيميائي.
02ابدأ بالنمط العام في الجدول الدوري
قبل التفكير في الخواص الفردية، تصوّر الجدول الدوري.
النمط العام هو:
| منطقة الجدول الدوري | التصنيف الرئيسي |
|---|---|
| الجانب الأيسر | معادن |
| الوسط | معادن، بما في ذلك الفلزات الانتقالية |
| حول الحد المتعرج | أشباه فلزات |
| الجانب العلوي الأيمن | لافلزات |
الهيدروجين استثناء مهم. فهو يقع في الجانب الأيسر بسبب توزيعه الإلكتروني، لكنه لافلز.
يمكنك التفكير في الجدول الدوري على أنه خريطة لأحياء مختلفة. فمعرفة الحي الذي يسكن فيه شخص لا تخبرك بمنزله بالتحديد، لكنها تعطيك معلومات مفيدة عن المكان الذي ينبغي أن تبحث فيه. وبالمثل، فإن معرفة موقع عنصر ما تعطيك توقعًا أوليًا قويًا بشأن خواصه الفيزيائية.
لكن التشبيه يتوقف عند هذا الحد. فالعناصر لا تمتلك خواصها بسبب التصنيف المكتوب عليها في الجدول الدوري. وإنما تنتج خواصها من بنيتها الذرية ونوع الترابط فيها.
03ماذا تتوقع من الفلز؟
تخيّل عنصرًا مجهولًا لامعًا، ويمكن تسطيحه من دون أن يتحطم، ويوصل الكهرباء جيدًا.
قبل متابعة القراءة، ماذا تتوقع أن يكون؟
على الأرجح هو فلز.
ويصبح هذا الاستنتاج أقوى بكثير لأن ثلاث خواص مختلفة تشير جميعها في الاتجاه نفسه.
الخواص الفيزيائية النموذجية للفلزات
معظم الفلزات:
- صلبة عند درجة حرارة الغرفة
- ذات بريق عند قطعها حديثًا أو صقلها
- موصلات جيدة للكهرباء
- موصلات جيدة للحرارة
- قابلة للطرق
- قابلة للسحب
كما أن كثيرًا من الفلزات لها كثافات ودرجات انصهار مرتفعة نسبيًا، مع أن هذه الخواص تختلف بدرجة كبيرة.
والسبب في توصيل الفلزات للكهرباء مهم بشكل خاص.
في الفلز، تكون بعض الإلكترونات الخارجية غير متمركزة. أي إنها ليست مرتبطة بذرة معينة واحدة. وعند تطبيق فرق جهد، تستطيع هذه الجسيمات المشحونة التحرك عبر البنية الفلزية وحمل الشحنة الكهربائية.
ولهذا يكون التوصيل الكهربائي عادةً دليلًا أقوى بكثير من اللمعان وحده.
لكن النموذج الأول له استثناءات
القول إن «الفلزات صلبة» مفيد، لكنه ليس صحيحًا تمامًا.
فالزئبق، \(\ce{Hg}\)، سائل عند درجة حرارة الغرفة.
وكذلك فإن القول إن «للفلزات درجات انصهار مرتفعة» مبسّط أكثر من اللازم. فبعض الفلزات تنصهر عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا.
كما أن «الفلزات كثيفة» ليست قاعدة موثوقة بمفردها. فالليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم فلزات منخفضة الكثافة.
والقاعدة الأفضل هي:
صنّف العنصر باستخدام نمط من الخواص، لا باستخدام خاصية واحدة بمعزل عن غيرها.
اختبر فهمك
عنصر مجهول لونه رمادي فضي، ويوصل الكهرباء بدرجة عالية، ويمكن طرقه إلى صفيحة رقيقة من دون أن ينكسر. هل يُرجح أن يكون فلزًا أم لافلزًا أم شبه فلز؟
الإجابة: فلز.
يُعد كل من التوصيل الكهربائي والقابلية للطرق دليلين قويين بشكل خاص. كما أن مظهره يدعم هذا التصنيف، لكن اللمعان وحده لن يكون كافيًا.
ومن المرجح أن يكون موقعه في الجانب الأيسر أو عبر الجزء الأوسط من الجدول الدوري.
04ما الذي يجعل اللافلزات مختلفة؟
والآن، فكّر في عنصر مجهول آخر.
إنه مادة صلبة هشة. ولا يوصل الكهرباء في الظروف العادية. وعند ضربه، يتشقق بدلًا من أن يتسطح.
ماذا تتوقع؟
الإجابة الأكثر احتمالًا هي لافلز.
الخواص الفيزيائية النموذجية لللافلزات
عادةً ما تكون اللافلزات:
- ضعيفة التوصيل للكهرباء
- ضعيفة التوصيل للحرارة
- هشة عندما تكون صلبة
- غير قابلة للطرق
- غير قابلة للسحب
وتتنوع حالاتها الفيزيائية بدرجة أكبر بكثير من الفلزات.
عند درجة حرارة الغرفة، تشمل اللافلزات:
- غازات مثل الأكسجين، \(\ce{O2}\)، والنيتروجين، \(\ce{N2}\)
- مواد صلبة مثل الكربون، \(\ce{C}\)، والكبريت، \(\ce{S}\)
- عنصرًا سائلًا مألوفًا واحدًا، وهو البروم، \(\ce{Br2}\)
هذا التنوع هو أحد الأسباب التي تجعل «الحالة عند درجة حرارة الغرفة» غير كافية لتصنيف عنصر.
اعتقاد خاطئ مغرٍ: جميع اللافلزات باهتة وعازلة
هذا نمط مفيد للمبتدئين، لكنه ليس قاعدة دقيقة.
يتكوّن الجرافيت من الكربون فقط، وهو لافلز، ومع ذلك فإن الجرافيت يوصل الكهرباء.
لماذا؟
لأن ذرات الكربون فيه مرتبة بطريقة تسمح لبعض الإلكترونات بالحركة عبر البنية.
لذلك، لا تكون المادة الموصلة فلزًا تلقائيًا. فلا يزال عليك الجمع بين قدرتها على التوصيل والأدلة الأخرى، وكذلك موقعها في الجدول الدوري حيثما أمكن ذلك.
اختبر فهمك
العنصر X مادة صلبة صفراء وهشة وتوصل الكهرباء بدرجة ضعيفة جدًا. أين تتوقع أن يقع في الجدول الدوري؟
الإجابة: على الأرجح في منطقة اللافلزات في الجانب العلوي الأيمن.
تتوافق هذه الخواص مع لافلز. والكبريت مثال جيد لعنصر يمتلك هذا المزيج من الخواص.
05تقع أشباه الفلزات بالقرب من الحد الفاصل
الحد الفاصل بين الفلزات واللافلزات ليس حادًا تمامًا.
بالقرب من الحد المتعرج توجد عناصر تُصنف عادةً على أنها أشباه فلزات. وتمتلك هذه العناصر بعض الخواص المرتبطة بالفلزات وبعض الخواص المرتبطة باللافلزات.
ويُعد السيليكون أهم مثال في كيمياء HSC.
السيليكون:
- صلب عند درجة حرارة الغرفة
- هش بدلًا من أن يكون قابلًا للطرق
- يمكن أن يكون سطحه لامعًا
- شبه موصل
شبه الموصل يوصل الكهرباء بصورة أفضل من اللافلز النموذجي، ولكن ليس بجودة الفلز النموذجي في الظروف نفسها. كما يمكن التحكم عمدًا في قدرته على التوصيل، وهو أحد الأسباب التي تجعل السيليكون مهمًا جدًا في الإلكترونيات.
وهذا مثال جيد على أن المظهر قد يضللك. فقد يبدو السيليكون فلزيًا، لكن هشاشته وسلوكه الكهربائي يقدمان صورة أكثر اكتمالًا.
مثال محلول: تصنيف ثلاثة عناصر مجهولة
لثلاثة عناصر صلبة الخواص الآتية.
| العنصر | المظهر | التوصيل الكهربائي | السلوك الميكانيكي |
|---|---|---|---|
| A | لامع | مرتفع | قابل للطرق |
| B | رمادي لامع | متوسط | هش |
| C | أصفر باهت | منخفض جدًا | هش |
صنّف كل عنصر على أنه فلز أو شبه فلز أو لافلز.
الخطوة 1استخدم التوصيل الكهربائي كدليل رئيسي
يمتلك العنصر A توصيلًا كهربائيًا مرتفعًا، وهذا يشير بقوة إلى سلوك فلزي.
يمتلك العنصر B توصيلًا متوسطًا، وهذا يشير إلى سلوك شبه موصل.
يوصل العنصر C الكهرباء بدرجة ضعيفة جدًا، وهذا يتوافق مع كونه لافلزًا.
الخطوة 2تحقّق من الخواص الميكانيكية
العنصر A قابل للطرق. وهذا يدعم بقوة تصنيفه فلزًا.
العنصر B هش. وهذا لا يتوافق مع السلوك الفلزي النموذجي ويدعم تصنيفه شبه فلز.
العنصر C هش أيضًا، وهذا يدعم تصنيفه لافلزًا.
الخطوة 3اجمع الأدلة
- A هو فلز.
- B هو شبه فلز.
- C هو لافلز.
ومن الأمثلة الحقيقية المعقولة: الألومنيوم للعنصر A، والسيليكون للعنصر B، والكبريت للعنصر C.
المهم في الاستدلال ليس أسماء العناصر، بل عملية استخدام عدة خواص فيزيائية معًا.
06كيف يساعدك الموقع في الجدول الدوري على توقع الخواص
لا يقتصر دور الجدول الدوري على الفصل بين الفلزات واللافلزات.
هناك اتجاه عام في الصفة الفلزية، أي مدى قوة سلوك العنصر كفلز.
عبر الدورة من اليسار إلى اليمين، تقل الصفة الفلزية عمومًا.
نزولًا في المجموعة، تزداد الصفة الفلزية عمومًا.
إذًا، يكون الاتجاه العام:
- نحو أسفل اليسار: سلوك فلزي متزايد
- نحو أعلى اليمين: سلوك لافلزي متزايد
لماذا؟
عبر الدورة، تجذب النواة عمومًا الإلكترونات الخارجية بقوة أكبر. ويصبح نزع هذه الإلكترونات أكثر صعوبة، ولذلك يقل الميل إلى إظهار السلوك الفلزي.
أما نزولًا في المجموعة، فتكون الإلكترونات الخارجية أبعد عن النواة وأكثر حجبًا بواسطة الإلكترونات الداخلية. ويكون نزعها أسهل عمومًا، مما يدعم سلوكًا فلزيًا أكبر.
هذا تفسير مفيد للنمط العام. لكنه لا يعني أن كل خاصية فيزيائية تتغير بسلاسة عبر كل صف وعمود.
تعتمد درجة الانصهار والكثافة والصلابة والتوصيل على التفاصيل الدقيقة لبنية كل عنصر ونوع الترابط فيه، ولذلك قد تكون اتجاهاتها أقل بساطة بكثير.
07لا تفترض وجود اتجاه حين لا يكون موجودًا
يتعلم الطلاب أحيانًا اتجاهًا دوريًا واحدًا ثم يحاولون تطبيقه على كل شيء.
على سبيل المثال:
«العناصر الواقعة أبعد إلى اليسار لها درجات انصهار أعلى لأنها أكثر فلزية».
هذه ليست قاعدة عامة صحيحة.
انظر إلى الدورة 3. فهي تشمل الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم والسيليكون والفوسفور والكبريت والكلور والأرجون. وبنى هذه العناصر مختلفة جدًا.
فبعضها يكوّن شبكات فلزية عملاقة. ويكوّن السيليكون شبكة تساهمية عملاقة. كما توجد عدة لافلزات على هيئة جزيئات صغيرة أو ذرات منفردة.
ولأن الانصهار يعتمد على القوى التي يجب التغلب عليها، فإن درجات الانصهار لا ترتفع أو تنخفض ببساطة وفقًا للصفة الفلزية.
لذلك، استخدم الموقع في الجدول الدوري لتوقع التصنيفات العامة والسلوك العام، لكن استخدم الترابط والبنية عند تفسير خاصية فيزيائية معينة بالتفصيل.
اختبر فهمك
يقول طالب: «السيليكون قريب من الألومنيوم في الجدول الدوري، ولذلك ينبغي أن تكون خواصهما الفيزيائية متشابهة تقريبًا».
ما الخطأ في هذا الاستدلال؟
الإجابة: يمكن للعناصر المتجاورة أن تظل ذات بُنى وأنواع ترابط مختلفة.
يمتلك الألومنيوم ترابطًا فلزيًا، وهو موصل جيد وقابل للطرق. أما السيليكون فيكوّن بنية تساهمية عملاقة، وهو هش ويتصرف كشبه موصل.
يعطي الموقع الدوري دلائل مفيدة، لكنه لا يغني عن فهم البنية والترابط.
08مثال محلول: استخدام الأدلة عندما تتعارض المؤشرات
لعنصر مجهول الخواص الآتية:
- صلب عند درجة حرارة الغرفة
- رمادي ولامع
- هش عند ضربه
- يوصل الكهرباء، ولكن بكفاءة أقل بكثير من النحاس
يصنّفه أحد الطلاب فلزًا لأنه لامع ويوصل الكهرباء. هل هذا هو التصنيف الأنسب؟
الخطوة 1حدّد الأدلة التي تشير إلى السلوك الفلزي
قد يشير المظهر اللامع وبعض التوصيل الكهربائي إلى فلز.
لكن أيًا من هاتين الخاصيتين لا يثبت أنه فلزي.
الخطوة 2ابحث عن أدلة تتعارض مع تصنيفه كفلز
العنصر هش.
الفلزات النموذجية قابلة للطرق، أي إن طبقات ذراتها تستطيع التحرك من دون أن تتحطم البنية بأكملها.
ولذلك تُعد الهشاشة دليلًا مهمًا ضد كونه فلزًا نموذجيًا.
الخطوة 3فسّر التوصيل الكهربائي بمزيد من الدقة
العنصر يوصل الكهرباء، لكن بكفاءة أقل بكثير من النحاس.
وهذا يشير إلى أنه قد يكون شبه موصل بدلًا من موصل فلزي عادي.
الخطوة 4اختر التصنيف الذي يفسر جميع الأدلة
أفضل تصنيف هو شبه فلز.
ويتوافق السيليكون جيدًا مع هذا الوصف.
توضح النتيجة لماذا لا ينبغي تصنيف عنصر بالاعتماد على خاصية واحدة واضحة بصريًا. فعبارة «لامع يعني فلز» اختصار تقريبي وليست قاعدة.
09قاعدة عملية لاتخاذ القرار في أسئلة HSC
عندما يعطيك السؤال خواص فيزيائية ويطلب منك تصنيف عنصر، اتبع هذا الترتيب.
- تحقّق من التوصيل الكهربائي. التوصيل المرتفع يدعم بقوة كون العنصر فلزًا. وقد يشير سلوك شبه موصل ذي توصيل متوسط إلى شبه فلز.
- تحقّق من القابلية للطرق أو الهشاشة. القابلية للطرق تدعم كونه فلزًا. أما الهشاشة فتدعم كونه لافلزًا أو شبه فلز.
- استخدم المظهر كدليل داعم. البريق مفيد، لكنه ليس حاسمًا.
- تحقّق من الحالة عند درجة حرارة الغرفة. يمكن أن يساعد ذلك، لكن تذكّر الزئبق والبروم.
- استخدم الموقع في الجدول الدوري لتأكيد استنتاجك. يشير الجانب الأيسر والوسط إلى الفلزات، وتشير المنطقة المتعرجة إلى أشباه الفلزات، ويشير الجانب العلوي الأيمن إلى اللافلزات.
- اذكر الاستثناءات عندما تكون مهمة. لا تُضعف إجابة قوية بالتظاهر بأن كل عنصر يتبع قاعدة مبسطة أكثر من اللازم.
بهذه الطريقة تحصل على إجابة أقوى بكثير من مجرد سرد خواص محفوظة من دون شرح كيفية ارتباطها بعضها ببعض.
10تصبح الخواص الفيزيائية مفيدة فيما يتجاوز التصنيف
يمكن أيضًا استخدام الخواص الفيزيائية نفسها التي تُستخدم لتصنيف العناصر للمساعدة في تحديد كيفية فصل المواد.
تتيح الاختلافات في درجة الغليان والذوبانية وحجم الجسيمات والمغناطيسية وغيرها من الخواص الفيزيائية فصل المخاليط من دون الحاجة بالضرورة إلى تغيير المواد كيميائيًا. وإذا كنت ستنتقل إلى هذا الموضوع، فراجع كيفية اختيار تقنيات الفصل في كيمياء HSC.
الخطوة المهمة التالية هي تفسير سبب امتلاك العناصر لهذه الخواص الفيزيائية. وهذا ينقلك من مجرد ملاحظة أن الألومنيوم يوصل الكهرباء وأن السيليكون هش إلى تفسير هذه الملاحظات باستخدام الترابط الفلزي، والبنى التساهمية، وحركة الإلكترونات، وترتيب الذرات في المواد الصلبة.