شارح الدرس: السبائك الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح سوف نتعلَّم كيف نَصِف تكوين واستخدام السبائك، وتأثير الإشابة على خواص الفلزات.

لقد كان الإنسان يجمع بين العناصر المختلفة عن عمد لإنتاج سبائك مفضلة منذ عدة آلاف من السنين. وكان السومريون القدماء ينتجون سبائك البرونز منذ خمسة آلاف عام ونصف، وعثر بعض علماء الآثار على قطع أثرية من البرونز في مواقع ثقافية تعود إلى العصر الحجري الصيني الحديث. ظل الإنسان يُجري عمليات إشابة للعناصر الفلزية النقية على مر التاريخ؛ لأن الإشابة عملية بسيطة نسبيًّا يمكن أن تحوِّل فلزًّا غير مفيد نسبيًّا إلى مادة مركبة فلزية أكثر فائدةً.

تحتوي السبائك دائمًا على عنصر فلزي واحد على الأقل، وعنصر آخر يمكن أن يكون فلزًّا أو لا فلز. تُوصَف السبائك أحيانًا بأنها محاليل فلزية صلبة. ويرجع ذلك جزئيًّا إلى أنها مادة مركبة صلبة تحتوي على عنصرين كيميائيين مختلفين على الأقل. وذلك أيضًا لأن الأنواع المختلفة من ذرات السبيكة مرتبة إلى حدٍّ ما على نحو مماثل للذرات في محلول سائل. تنتشر ذرات عنصر كيميائي واحد على الأقل في شبيكة عنصر فلزي آخر.

من المعروف أن البرونز هو أول سبيكة أنتجها البشر. أنتجت مجتمعات ما قبل التاريخ سبائك البرونز من خام النحاس غير المصقل. كانوا في البداية يقومون بتسخين خام النحاس للتخلُّص من الشوائب غير المرغوبة، ويخلطون بعد ذلك النحاس المصقل الناتج مع عناصر فلزية أخرى مثل القصدير والزرنيخ. استُخدمت هذه العملية لتكوين مكعبات البرونز. كان البنَّاءُون يأخذون هذه المكعبات البرونزية ويعيدون تشكيلها لإنتاج المنحوتات والأسلحة.

يتميَّز البرونز بلونه البني المحمر، وهو أكثر صلادة من فلز النحاس النقي. كما أنه يتمتع بقابلية أقل للسحب وقابلية أقل للطرق. يتميَّز البرونز بمقاومة عالية لمعظم أشكال التآكل، ويُستخدم حاليًّا في صُنع مكوِّنات السفن وأنواع أخرى من المركبات البحرية. تتمتع السبيكة بمجموعة مميَّزة من الخواص الميكانيكية التي تجعلها مناسبة للعديد من الصناعات البحرية.

معامل احتكاك البرونز منخفض للغاية. من ثَمَّ، فهو الخيار المثالي لتصميم أجزاء معيَّنة من السيارات. لذلك تُستخدم هذه المادة لصناعة جلب معدنية يمكن وضعها بجانب المحاور. معامل احتكاك هذه الجلب منخفض للغاية، وهي تساعد على دوران المحاور المتجاورة بسلاسة. بعض أشكال البرونز قد سُمِّيت بأسماء مثل المحمل البرونزي؛ لأنها تُستخدم كثيرًا في صناعة أجزاء المحامل الميكانيكية.

عادةً ما تُوصَف عناصر الفلزات النقية بأنها قابلة للطرق والسحب؛ لأنها تتكوَّن بالأساس من ذرات لها نفس الحجم. ويتم ترتيب الذرات ذات الحجم المتماثل في شبيكة ثلاثية الأبعاد بسيطة نسبيًّا، ومن السهل أن تنزلق طبقة من ذرات الفلز النقي فوق طبقة أخرى من ذرات الفلز النقي. تُوصَف السبائك عادةً بأن قابليتها للطرق والسحب ضعيفة للغاية؛ لأنها تتكوَّن من نوعين مختلفين على الأقل من الذرات، كما أن ذرات السبيكة ليست مرتبة في شبيكة بسيطة. لكل طبقة من ذرات السبيكة بنيتها الفريدة من نوعها التي تختلف عن جميع الطبقات الأخرى، ومن الصعب جدًّا انزلاق طبقة من ذرات السبيكة فوق طبقة أخرى من ذرات السبيكة. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن أن يتغيَّر تركيب الشبكية البسيطة لعنصر فلزي واحد (A)، إذا خُلِط بعنصر فلزي آخر (B).

مثال ٣: تأثير الإشابة على قابلية الطرق

يوضِّح الشكل الآتي إشابة الفلز A مع كميات صغيرة من العنصر B. تختلف قابلية طَرْق السبيكة عن الفلز النقي A.

1. أيٌّ من الآتي هو التعريف الأفضل لقابلية الطَّرْق؟
   1. قابلية التعرُّض للطَّرْق أو الطي في صفائح
   2. قابلية السحب في أسلاك رقيقة
   3. مقاومة التمدُّد والضغط
   4. مقاومة الكسر الناتج عن قوة مبذولة
   5. مقاومة التشقق الناتج عن تأثير مُفاجِئ
2. مُستعِينًا بالشكل، كيف تختلف قابلية طَرْق السبيكة عن الفلز النقي A؟ ولماذا؟
   1. قابلية الطَّرْق أعلى؛ لأن ذرات B تَشْغَلُ حجمًا أكبر.
   2. قابلية الطَّرْق أقل؛ لأن الترتيب الذري أقل انتظامًا.
   3. قابلية الطَّرْق أقل؛ لأن الذرات غير المُتشابِهة تتفاعل بقوة أكبر.
   4. قابلية الطرق أعلى؛ لأن ذرات B تتفاعل مع عدد كبير من الذرات المُجاوِرة.
   5. قابلية الطَّرْق أقل؛ لأنه من الصعب أن تتحرَّك الطبقات بعضها فوق بعض.

الحل

الجزء الأول

المواد القابلة للطرق هي المواد التي يمكن طرقها أو الضغط عليها لتكوِّن أشكالًا مختلفة وصفائح رقيقة دون أن تنكسر أو تتشقق. هذا التعريف مشابه جدًّا للخيار (أ)؛ ومن ثَمَّ، يمكننا أن نستنتج أن إجابة الجزء الأول من هذا السؤال هي الخيار (أ).

الجزء الثاني

من السهل أن تنزلق طبقة من جسيمات فلزية فوق طبقة أخرى من ذرات فلزية إذا كانت جميع الذرات الفلزية متشابهة في الحجم، ومرتَّبة في شبيكة بسيطة ثلاثية الأبعاد. عادةً ما تكون قابلية طرق الفلزات النقية أكبر من السبائك؛ لأن عناصر الفلزات النقية تتكوَّن من ذرات متطابقة في الأساس. هذا الوصف مشابه جدًّا للخيار (هـ)؛ لذا، فإن الإجابة الصحيحة للجزء الثاني من السؤال هي الخيار (هـ).

يُعتقد أنه تم تصنيع النحاس الأصفر لأول مرة في وقت ما في عام 500 قبل الميلاد، على الرغم من وجود بعض الأمثلة لعلماء الآثار الذين اكتشفوا قطعًا أثرية من نحاس الكالامين تعود إلى آلاف السنين. لون النحاس الأصفر المميَّز يُشبه إلى حدٍّ ما لون الذهب الخالص، لكن فلز النحاس عادةً ما يكون أقل لمعانًا وأقل قيمةً بكثير. عادةً ما يُصنع النحاس الأصفر من خلال خلط فلز النحاس النقي والزنك بنسبة وزن تقريبًا.

النحاس الأصفر أكثر قابلية للطرق من البرونز، ويُطرَق عادةً بصورة منتظمة ليتحوَّل إلى أشكال طويلة ومعقدة لصنع أدوات لامعة لها خواص صوتية استثنائية. استُخدم النحاس الأصفر أيضًا كثيرًا خلال ألفَيْن وخمسمائة عام مضت في صناعة الحُلي؛ لأنه أقل تكلفةً من الذهب الخالص، ويسهل نحته وإعادة تشكيله. ولا يزال النحاس الأصفر يُستخدم حتى يومنا هذا في صناعة التروس والمفصلات؛ لأن له معامل احتكاك منخفضًا جدًّا، ويمكن تصميمه أيضًا ليصبح مقاوِمًا بدرجة كبيرة لمعظم أشكال التآكل.

قيمة التوصيلية الكهربية للنحاس الأصفر منخفضة نسبيًّا. قيمة التوصيلية الكهربية له أقل بكثير من النحاس النقي، وعادةً لا يكون مناسبًا لصنع الأسلاك الكهربية. التوصيلية الكهربية لفلز النحاس النقي تساوي S/m، أما قيم التوصيلية الكهربية لسبائك النحاس الأصفر، فلا تقل عن S/m، ولا تزيد على S/m. أصبح لفلز النحاس قيمة كبيرة خلال العقدين الأخيرين؛ لأن له قيمة توصيلية كهربية عالية. النحاس النقي عادةً ما يكون أغلى بكثير من النحاس الأصفر وأنواع أخرى من السبائك القائمة على النحاس.

يُعَد البرونز والنحاس الأصفر نوعين من السبائك التي يمكن صناعتها بخلط النحاس بعنصر آخر من الفلزات النقية. وبالمثل يمكن خلط النحاس مع النيكل لتكوين سبيكة النحاس-النيكل المعدنية. تُعَد سبيكة النحاس-النيكل من سبائك فلز النحاس المثيرة للاهتمام؛ لأن درجة انصهارها هي . ودرجة انصهار البرونز والنحاس الأصفر هي ، أما النحاس فدرجة انصهاره هي . درجة انصهار سبيكة النحاس-النيكل أعلى من النحاس، أما درجة انصهار النحاس الأصفر والبرونز فأقل.

سبيكة النحاس-النيكل لونها فضي غير مثير للاهتمام إلى حدٍّ ما، وهي لا تُستخدم مطلقًا في صناعة الحُلي. لكن لها على الأقل بضعة استخدامات مثيرة للاهتمام. إنها مقاوِمة بدرجة عالية للماء المالح، وتُستخدم بانتظام في صنع شبكات الأنابيب والمبادلات الحرارية لأنظمة مياه البحر. يمكن أيضًا استخدام سبيكة النحاس-النيكل في صنع هياكل ورفاص السفن الباهظة الثمن والمكوِّنات الهيكلية الداعمة لمحطات تحلية المياه ومنصات النفط البحري. استَخدمت بعض الدول أيضًا سبيكة النحاس-النيكل المقاوِمة للتآكل بدرجة كبيرة لصنع العملات المعدنية، مثل الفرنك السويسري وعملات كوريا الجنوبية التي قيمتها 500 و100 وون.

يُعَد الذهب فلزًّا ثمينًا للغاية؛ فقد قدَّرته جميع الثقافات تقريبًا ورغبت في اقتنائه لآلاف السنين. إنه فلز شديد اللمعان، وله شكل جمالي مبهج، وقد استخدمه الكثير من الدول شكلًا من أشكال العملة أو طريقةً لتنظيم قيمة الأوراق النقدية. غير أن الذهب الخالص بوجهٍ عام لا يصلح لصنع معظم الحُلي الصغيرة وقطع المجوهرات الصغيرة؛ لأن قابليته للطرق عالية جدًّا وغير صلب بمفرده. عادةً ما يُخلَط الذهب مع كمية صغيرة من عناصر الفلزات النقية مثل النحاس أو النيكل، ليجعلها أكثر صلادة وأكثر مقاومةً للتآكل. عادةً ما تظل كمية فلز الإشابة قليلة؛ لأن سبائك الذهب تختلف عن الذهب كلما زادت كمية الفلزات الأخرى. الذهب الخالص (ذهب 24 قيراطًا) له درجة لون ذهبية جذابة جدًّا، لكن سبائك الذهب لونها أقل جاذبيةً، وهو مزيج من الأصفر والبني أو الفضي.

تُسمَّى السبائك، مثل النحاس والبرونز، السبائك الاستبدالية؛ لأنها تحتوي على نوعين مختلفين من الذرات لهما خواص ارتباط متشابهة وأقطار متماثلة. يمكن أن تحل ذرات أحد فلزات السبيكة الاستبدالية محل ذرات عنصر فلزي آخر، ويَنتج عن هذا الاستبدال لمواضع الشبيكة مادة مركبة جديدة لها شكل وبنية ثلاثية الأبعاد غير منتظمَيْن.

السبائك البينية لها شكل وبنية مختلفان؛ لأنها تحتوي بوجهٍ عام على ذرات لها خواص ارتباط مختلفة تمامًا وأقطار مختلفة. لا يمكن لذرات العنصرين المختلفين أن تتبادل المواضع في الشبيكة، وينتهي الأمر بأن إحدى هذه الذرات تشغل فجوات الشبيكة للعنصر الآخر. الصلب أحد أمثلة السبيكة البينية المكوَّنة من نسبة مرتفعة نسبيًّا من ذرات الحديد، ونسبة منخفضة نسبيًّا من ذرات الكربون. لا يمكن أن تشغل ذرات الكربون مواضع الشبيكة لذرات الحديد، بل يجب أن تشغل المواضع البينية بين ذرات الحديد المرتبطة بروابط فلزية.

لقد استُخدم الصلب منذ أكثر من مائة عام في صناعة مركبات النقل والمباني الضخمة؛ لأنه أقوى بكثير من الحديد النقي، وليس مكلِّفًا أو يصعب صنعه في مصانع الصلب الكبيرة. ويمكن أيضًا خلط الحديد مع كمية صغيرة من الكربون وغيره من الفلزات، مثل الكروم، لصنع الصلب المقاوم للصدأ. الصلب المقاوم للصدأ متين وقوي للغاية، لكنه أيضًا شديد المقاومة لمعظم أشكال التآكل. يُستخدَم الصلب المقاوم للصدأ في صنع المعدات الجوية والأجهزة الطبية المتطورة؛ ومن ثَمَّ، يجب أن تكون صلدة ومقاومة للتآكل.

لقد اكتُشفت سبائك الديوراليومين الأولى منذ أكثر من . سبائك الديوراليومين تحتوي عادةً على كمية كبيرة من فلز الألومنيوم، وكمية صغيرة نسبيًّا من النحاس. قد تحتوي أيضًا على نسبة مئوية صغيرة من العناصر الفلزية الأخرى مثل من فلز المنجنيز أو من فلز المغنيسيوم. وعادةً ما تكون سبائك الديوراليومين خفيفة؛ لأنها تحتوي على الكثير من فلز الألومنيوم. تميل أيضًا إلى أن تكون صلدة؛ لأنها تحتوي على فلزات إشابة مثل النحاس. يمكن زيادة متانة سبائك الديوراليومين من خلال عمليات التصليد بالتعتيق أو عمليات تصليد الجسيمات. يمكن استخدام عمليات المعالجة الحرارية لصنع سبائك الديوراليومين قويةً مثل الصلب اللين. استُخدمت سبائك الديوراليومين لصنع الطائرات وقطع غيار المركبات الجوية؛ لأنها خفيفة الوزن، ولها قيم متانة مرتفعة لكل وحدة وزن. فلزات الديوراليومين قوية للغاية، ونادرًا ما يحدث لها تصدُّع أو كسر إذا تأثَّرت بقوى متوسطة إلى شديدة.

لقد أدرك العلماء تدريجيًّا كيف يمكن خلط خواص عنصرين بطرق مختلفة لتكوين مواد مركبة جديدة لها خواص فيزيائية مرغوبة. يُنتج العلماء الآن ما يُسمَّى بالسبائك الذكية التي لها خواص مثيرة للاهتمام، مثل المرونة الفائقة. النتينول سبيكة فلزية تحتوي على التيتانيوم والنيكل، اكتُشفت لأول مرة قبل بضعة عقود من الزمن، ويُستخدم الآن في تقويم الأسنان ودعامات الأوعية الدموية. عادةً ما تُوصَف سبيكة النيتينول بأنها متذكِّرة للشكل؛ لأن لها معامل إجهاد مرتفعًا يمكِّنها من استرجاع شكلها إذا شُوِّهت. النيتينول هو الخيار الأمثل لصنع تقويم الأسنان؛ لأنه يمكن أن يؤثِّر بقوة ضعيفة على الأسنان التي تحتاج إلى التقويم. وهو ما يجعل الأسنان تستقيم ببطء ويحاذي بعضها بعضًا بدقة.

تقاوم سبائك النيتينول بشدة معظم أشكال التآكل، ولن تفسد إذا وضعت في أجزاء مختلفة من جسم الإنسان. تتمتع السبيكة بالعديد من الخواص الفيزيائية المرغوب فيها، لكنها أيضًا مكلِّفة للغاية في تصنيعها، وهذا قد يَحُد من استخدامها في المستشفيات وتقويم الأسنان. وعادةً ما تكون معرَّضة للتشوُّه. يمكن أن تصبح السبيكة ضعيفة ويتجمع بها الكثير من الشقوق بمرور الوقت؛ لأنها تحتوي على بنًى شديدة المرونة لدرجة لا تتحمَّل التغيُّرات البنيوية الكبيرة أثناء عمليات التآكل.

يمكن للعلماء استخدام التمثيلات البيانية لتحديد كيف تعتمد الخواص الفيزيائية لأي سبيكة على تركيبها. ويمكنهم استخدام هذا لصنع مواد سبيكة جديدة لها مجموعة من الخواص الفيزيائية المرغوبة للغاية. يوضِّح الشكل الآتي كيف تعتمد متانة نوع سبيكة ما على وفرة عنصر فلزي غير محدَّد (). تكون قيمة المتانة لهذا النوع من السبائك منخفضة نسبيًّا عندما تحتوي على كمية صغيرة من ، وترتفع قيمة المتانة جدًّا عندما تحتوي على مقدار كبير من . يمكن استخدام التمثيل البياني لصنع مواد سبيكة لها قيم متانة 100 MPa-400 MPa. يمكن رسم تمثيلات بيانية للمقارنة لأي نوع من الخواص الفيزيائية تقريبًا. يمكن استخدام التمثيلات البيانية لتحديد العلاقة بين تركيب السبيكة والخواص الفيزيائية، مثل التوصيلية الكهربية والقابلية للطرق ومقاومة التآكل.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.