شارح الدرس: الرابطة الفلزية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الرابطة الفلزِّية وتأثيرها على الخواص الفيزيائية والكيميائية للفلزَّات.

يَعرف الجميع تقريبًا الفلزَّات؛ لأن الفلزَّات تُستخدم في جميع أنحاء العالم. تُستخدم بعض الفلزَّات لصناعة الأسلاك الكهربية، ويُعاد تشكيل فلزَّات أخرى إلى العُلب والمجوهرات المزخرفة. تُستخدم الفلزَّات أيضًا في صناعة السيارات، وتوفير الدعم الهيكلي للمباني والآثار الكبيرة. وتُعد الفلزَّات إحدى ركائز الحياة الحديثة، وسيكون من الصعب تخيُّل الحياة من دونها.

تتكون الفلزَّات من كاتيونات ثابتة نسبيًّا وإلكترونات غير متمركزة كثيرة الحركة. تترتب الكاتيونات الثابتة في صورة شبيكة ضخمة ثلاثية الأبعاد، وتبقى الشبيكة مترابطة نتيجة لتداخلات التجاذب بين الشبيكة والإلكترونات غير المتمركزة. تُوصف الروابط الفلزِّية عادةً بأنها تداخلات غير موجَّهة لأن الإلكترونات غير المتمركزة تعمل بشكل جماعي كغراء يؤثِّر على جميع الكاتيونات الفلزِّية بالتساوي. عادةً ما توصف الفلزَّات بأنها كثيفة لأن الشبيكة تتكون من كاتيونات ترتبط بعضها ببعض بشكل وثيق للغاية.

يوضِّح الشكل الآتي أن الإلكترونات غير المتمركزة تأتي من غلاف تكافؤ ذرات الفلزِّ. إلكترونات التكافؤ لها طاقات تأيُّن منخفضة للغاية، وهي الإلكترونات التي يمكن أن تفقدها الذرات المتعادلة الشحنة بسهولة. تصبح الإلكترونات غير المتمركزة حرة نسبيًّا عندما تنفصل عن ذرات الفلزِّ، ويمكن أن تتحرك فيما بين الكاتيونات التي تُكوِّن الشبيكة الفلزِّية. من المهم أن ندرك هنا أن عدد الإلكترونات غير المتمركزة سيساوي دائمًا عدد إلكترونات التكافؤ في عنصر الفلزِّ النقي. تولِّد ذرات الصوديوم إلكترونات منفردة لأنها تحتوي على إلكترون تكافؤ واحد، وتولِّد ذرات المغنيسيوم إلكترونين لأنها تحتوي على إلكترونَي تكافؤ.

يوضِّح الجدول الآتي بعض الخواص الفيزيائية الأكثر شيوعًا لعناصر الفلزَّات النقية. ويمكن تفسير جميع الخواص المذكورة باستخدام نموذج بحر الإلكترونات.

تعتمد درجة انصهار أيِّ فلزٍّ ودرجة غليانه على حجم كاتيوناته الموجبة الشحنة. غالبًا ما يكون للفلزَّات درجات انصهار ودرجات غليان مرتفعة إذا كانت تحتوي على كاتيونات صغيرة. وغالبًا ما يكون للفلزَّات درجات انصهار ودرجات غليان منخفضة إذا كانت تحتوي على كاتيونات كبيرة. ويوضِّح الجدول الآتي قِيَم درجة الانصهار ونِصْف القطر الذري لعنصرَي الصوديوم والليثيوم الفلزِّيَّيْن.

الليثيوم له درجة انصهار أعلى من الصوديوم، ويرجع هذا بشكل جزئي إلى أن ذرات الليثيوم أصغر حجمًا ويمكن أن تتجمع معًا بشكل أقرب. تصبح ذرات الليثيوم مركَّزة بدرجة كبيرة عندما تتجمَّع بعضها بالقرب من بعض في شبيكة الليثيوم، وهذا يولِّد قوًى قوية للرابطة الفلزِّية. ويتطلب الأمر الكثير من الطاقة للتغلب على قوى التجاذب القوية بين كاتيونات الليثيوم والإلكترونات غير المتمركزة المحيطة بها. ويتطلب الأمر طاقة أقل للتغلب على قوى التجاذب بين كاتيونات الصوديوم الأكبر حجمًا والإلكترونات غير المتمركزة المحيطة بها.

تتأثر أيضًا درجات الانصهار والغليان بحالة الشحنة الكهروستاتيكية للكاتيونات في الشبيكة الفلزِّية. حيث تكُون تداخلات الكاتيونات مع الإلكترونات قوية إذا كانت حالة شحنتها مرتفعة، وتكون تداخلاتها أضعف إذا كانت حالة شحنتها منخفضة. حيث تكون تداخلات الكاتيونات مع الإلكترونات قوية نسبيًّا إذا كانت حالة شحنتها أو وتكون تداخلاتها ضعيفة نسبيًّا إذا كانت حالة شحنتها . وتدعم البيانات الموجودة في الجدول الآتي هذه العبارة. يثبت الجدول أن الصوديوم له درجة انصهار ودرجة غليان أقل من المغنيسيوم. كما أنه يثبت أن المغنيسيوم له درجة انصهار ودرجة غليان أقل من الألومنيوم.

تكون تداخلات أيونات الصوديوم مع الإلكترونات غير المتمركزة المحيطة بها ضعيفة نسبيًّا لأن حالة شحنتها . وتكون تداخلات أيونات المغنيسيوم مع الإلكترونات غير المتمركزة المحيطة بها أقوى لأن حالة شحنتها . وتكون تداخلات أيونات الألومنيوم مع الإلكترونات غير المتمركزة المحيطة بها أقوى أيضًا لأن حالة شحنتها .

من المهم أن نفهم أن درجات الغليان ودرجات الانصهار تتأثر أيضًا بتركيز الإلكترونات غير المتمركزة في الشبيكة الفلزِّية. الألومنيوم له درجة غليان مرتفعة بشكل استثنائي، ويرجع هذا بشكل جزئي إلى أنه يحتوي على تركيز عالٍ من الإلكترونات غير المتمركزة. حيث تولِّد كل ذرة ألومنيوم ثلاثة إلكترونات غير متمركزة، ولا يمكن أن تولِّد كل ذرة صوديوم ومغنيسيوم إلا إلكترونًا واحدًا أو إلكترونين غير متمركزين. ويوضح الشكل الآتي أن ذرات الألومنيوم تولِّد إلكترونات غير متمركزة أكثر من التي تولِّدها ذرات الصوديوم.

تشير الفقرات السابقة إلى أن هناك الكثير من الخواص المختلفة للجسيمات والشبيكة تؤثِّر على درجة انصهار الفلزِّ ودرجة غليانه. أوضحت الفقرات أيضًا أن الفلزَّات يكون لها عادةً درجات انصهار ودرجات غليان مرتفعة نسبيًّا إذا كانت تحتوي على كاتيونات صغيرة. من المفترض أن يكون لفلزِّ الليثيوم درجة انصهار أعلى من الصوديوم لأن أيونات الليثيوم أصغر من أيونات الصوديوم. توضِّح الفقرات السابقة أيضًا أن الفلزَّات عادةً ما يكون لها درجات انصهار ودرجات غليان مرتفعة إذا كانت تحتوي على تركيزٍ عالٍ من الإلكترونات غير المتمركزة والكاتيونات التي حالة شحنتها مرتفعة. ومن المفترض أن يكون للألومنيوم درجة غليان أعلى بكثير من الصوديوم؛ لأن الألومنيوم يحتوي على تركيز أعلى من الإلكترونات غير المتمركزة، ويتكون من كاتيونات حالة شحنتها أكبر.

مثال ٣: تحديد النظام الذي له أعلى درجة انصهار

أيُّ الذرات الآتية تُشكِّل فلزًّا صلبًا له أعلى درجة انصهار؟

الحل

يطلب منا السؤال تحديد الذرة التي ستشكِّل فلزًّا صلبًا له أعلى درجة انصهار. يمكننا على الفور استبعاد النظام (ب) لأنه يحتوي على غلاف تكافؤ ممتلئ بالإلكترونات، وهو غاز نبيل. عادةً ما تُكوِّن ذرات الغاز النبيل غازات لها درجات انصهار منخفضة للغاية. يجب مقارنة الخيارات الأخرى بعناية؛ لأنها جميعًا فلزَّات، وينبغي أن نتمهل في استبعاد أيٍّ منها لأنها تمثِّل إجابات محتمَلة لهذا السؤال.

يكون للفلزَّات بوجه عام درجات انصهار مرتفعة عندما يكون لديها عدد كبير من إلكترونات التكافؤ. وعادةً ما يكون للفلزَّات درجة انصهار منخفضة نسبيًّا عندما يكون لديها إلكترون تكافؤ واحد، وتكون درجة انصهارها أعلى عندما يكون لديها إلكترونَي تكافؤ أو ثلاثة إلكترونات تكافؤ أيضًا. وهذا يعني أن النظامين (أ)، (ج) لهما درجات انصهار أعلى من النظامين (د)، (هـ). حيث يحتوي النظامان (أ)، (ج) على إلكترونَي تكافؤ، ويحتوي النظامان (د)، (هـ) على إلكترون تكافؤ واحد فقط. لقد ساعدنا هذا المنطق في تحديد أن الإجابة الصحيحة لا بد أن تكون النظام (أ) أو النظام (ج). وعلينا الآن مقارنة الخواص الذرية الأخرى لتحديد إذا ما كان النظام (أ) أو (ج) هو الذي درجة انصهاره أعلى.

تكون درجات انصهار الفلزَّات مرتفعة بوجه عام إذا كانت تتكون من ذرات صغيرة، وتكون درجات انصهارها أقل إذا كانت تتكون من ذرات كبيرة. يحتوي النظام (أ) على ثلاثة أغلفة إلكترونية، ويحتوي النظام (ج) على غلافين إلكترونيين. تَشْغل الأغلفة الإلكترونية فراغًا، وهذا يشير إلى أن النظام (ج) أصغر من النظام (أ). ويشير هذا المنطق إلى أن النظام (ج) يجب أن يُشكِّل فلزًّا صلبًا له درجة انصهار أعلى من النظامين (أ)، (ب) أو النظامين (د)، (هـ). ومن ثم يمكننا استنتاج أن النظام (ج) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

الفلزَّات جيدة في توصيل الكهرباء لأنها تحتوي على إلكترونات غير متمركزة. حيث يمكن أن تَحمِل الإلكترونات غير المتمركزة شحنة عند التعرض لجهد كهربي عبر شبيكة الفلز. وتتحرك الإلكترونات غير المتمركزة نحو الطرف الموجب، ويُنتِج الطرف السالب المزيد من الإلكترونات. تكون الفلزَّات عادةً موصِّلات أفضل للكهرباء عندما تحتوي على الكثير من الإلكترونات غير المتمركزة. فالألومنيوم موصِّل كهربي أفضل من المغنيسيوم، والمغنيسيوم موصِّل كهربي أفضل من الصوديوم.

مثال ٤: فهْم كيفية تأثير إلكترونات التكافؤ على التوصيلية الكهربية

يوضِّح الرسم البياني بالأعمدة التوصيليةَ الكهربيةَ للألومنيوم والمغنيسيوم والصوديوم.

1. باستخدام رموز العناصر، حدِّد ماهية الفلزَّات ، ، .
   1. ، ،
   2. ، ،
   3. ، ،
   4. ، ،
   5. ، ،
2. أيُّ الخواص الذرية الآتية هي المسئولة عن اختلاف التوصيلية بين الفلزَّات ، ، ؟
   1. الكتلة الذرية
   2. طاقة الرابطة
   3. طاقة التأين
   4. عدد الإلكترونات الداخلية
   5. عدد إلكترونات التكافؤ

الحل

الجزء الأول

تحتوي عناصر الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم على نفس عدد الإلكترونات الداخلية، لكنها تحتوي على عدد مختلف من إلكترونات التكافؤ. عادةً ما يكون للفلزَّات قيم أعلى للتوصيلية الكهربية عندما تحتوي على المزيد من إلكترونات التكافؤ الحاملة للشحنة. تحتوي ذرات الصوديوم على إلكترون تكافؤ واحد، وتحتوي ذرات المغنيسيوم على إلكترونَي تكافؤ، وتحتوي ذرات الألومنيوم على ثلاثة إلكترونات تكافؤ. إذن النظام () لا بد أن يكون الصوديوم لأن له أقل قيمة للتوصيلية الكهربية. والنظام () لا بد أن يكون الألومنيوم لأن له أعلى قيمة للتوصيلية الكهربية. والنظام () لا بد أن يكون المغنيسيوم لأن له قيمة توصيلية كهربية تقع بين هذين العنصرين الآخرين. يمكن استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار (د) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

الجزء الثاني

يكون للفلزَّات بوجه عام قيم توصيلية كهربية مرتفعة عندما تحتوي على الكثير من إلكترونات التكافؤ الحاملة للشحنة. فالألومنيوم يحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ في كل ذرة، ولديه أعلى قيمة للتوصيلية الكهربية في الخيارات الثلاثة المذكورة. والصوديوم يحتوي على إلكترون تكافؤ واحد فقط في كل ذرة، ولديه أقل قيمة للتوصيلية الكهربية في الخيارات الثلاثة المذكورة. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار (هـ) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

عادةً ما تكون الفلزَّات موصِّلات حرارية أفضل من اللافلزَّات؛ لأن الشبائك الفلزِّية تحتوي على إلكترونات غير متمركزة. تسري الحرارة في المواد اللافلزِّية عندما تلامِس بعضُ ذرات اللافلزِّ مصدرًا للحرارة. حيث يجعل مصدرُ الحرارة بعضَ ذرات اللافلزِّ تهتز بقوة حول نفس النقطة في الشبيكة. وتنتقل بعد ذلك هذه الطاقة الحركية إلى ذرات اللافلزِّ الأخرى عندما تصطدم إحدى الذرات المهتزَّة بذرات اللافلزِّ المتجاورة الأخرى. وتنتقل الطاقة الحركية ببطء عبر مادة اللافلزِّ عندما تهتز ذرات اللافلزِّ ويصطدم بعضها ببعض.

يمكن أن تنقل ذرات الفلزِّ الحرارة من خلال عمليات التصادم والاهتزاز البطيئة المماثلة. حيث تهتز بعض كاتيونات الفلزِّ عند تسخينها، وتصطدم هذه الكاتيونات في النهاية بالكاتيونات الأخرى المتجاورة في الفلزِّ. يمكن أن تنتقل الطاقة الحرارية إلى جميع أنحاء الشبيكة الفلزِّية مع مرور الطاقة الحركية في سلسلة طويلة من كاتيونات الفلزِّ المهتزَّة.

تحتوي الفلزَّات أيضًا على إلكترونات غير متمركزة كثيرة الحركة يمكنها نقل الحرارة بسرعة كبيرة. فالإلكترونات حرة نسبيًّا، ويمكنها التحرك فيما بين كاتيونات الفلزِّ. يمكن أن تنسلَّ الإلكترونات غير المتمركزة عبر الشبيكة الفلزِّية وتنقل الحرارة بشكل سريع بين الأجزاء المختلفة من البِنْية الفلزِّية الضخمة. يقارن الشكل الآتي عمليات انتقال الحرارة (الأسهم الحمراء) في البِنَى الضخمة لِلَافلزٍّ وفلزٍّ.

الفلزَّات النقية عادةً ما تكون قابلة للسَّحْب والطَّرْق. تُوصف الفلزَّات بأنها قابلة للسَّحب لأنه يمكن سَحْبها إلى أسلاك رفيعة. وتُوصف بأنها قابلة للطَّرْق لأنه يمكن طَرْقها أو تشكيلها إلى أشكال مختلفة دون كسر أو تَصدُّع. وتكون هذه الفلزَّات قابلة للسَّحْب والطَّرْق عادةً لأنها تحتوي على إلكترونات غير متمركزة.

تتكون البنى الفلزِّية الضخمة من طبقات من كاتيونات الفلزِّ المترابطة ببحر الإلكترونات غير المتمركزة. وهذا يُسهِّل لأيِّ طبقة من كاتيونات الفلزِّ الانزلاق فوق طبقة أخرى دون الحاجة إلى كسر الشبيكة أو إعادة تكوين أيِّ روابط كيميائية. حيث سيغيِّر بحر الإلكترونات غير المتمركزة شكله عندما تنزلق طبقات كاتيونات الفلزِّ بعضها فوق بعض.

يمكن بشكل شبه دائم وصْف عناصر الفلزَّات النقية بأنها تكون برَّاقة (لامعة) عندما توجد في صورة كتلة كبيرة أو حجر متوسط إلى كبير الحجم. ويمكن تفسير الظهور البرَّاق للفلزِّ بدلالة إلكتروناته غير المتمركزة. يُقال إن هذه الإلكترونات غير المتمركزة الموجودة على سطح الفلزِّ تمتص بشكل مستمر حزم الطاقة الضوئية ثم تعكسها. فانعكاس الضوء بفعل بحر الإلكترونات غير المتمركزة هو ما يجعل السطح الفلزِّي يبدو لامعًا أو برَّاقًا. تكون بعض الفلزَّات عادةً ذات قيمة مرتفعة؛ لأنها برَّاقة. فالذهب يُباع عادةً بسعر مرتفع، ويرجع هذا بشكل جزئي إلى أنه برَّاق ونادر.

ليس من المرغوب فيه دائمًا أن تكون الفلزَّات قابلة للطَّرْق أو السَّحْب، ونريد أحيانًا إعادة تشكيل الفلزَّات النقية إلى سبائك لجَعْلها أكثر صلابة. يمكننا إنتاج السبائك بخلط فلزٍّ نقي مع عنصر فلزٍّ أو لافلزٍّ آخر. ويوضح الشكل الآتي كيف يمكن صنع سبيكة عن طريق خلط عنصر فلزٍّ نقي مع مادة مختلفة تمامًا. عادةً ما يكون للسبائك خواص فيزيائية غير اعتيادية؛ ويرجع ذلك إلى هذا الترتيب غير المنتظم للذرات والأيونات.