شارح الدرس: الفلزات واللافلزات وأشباه الفلزات الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف ونُفسِّر الخواصَّ الفيزيائية والكيميائية للفلزات واللافلزات وأشباه الفلزات، ونقارِن بينها.

يتضمَّن الجدول الدوري للعناصر العديد من تدرُّجات الخواصِّ المُثيرة للاهتمام، وأحد أكثر هذه التدرُّجات وضوحًا هو الانتقال من الفلزات إلى أشباه الفلزات ثم إلى اللافلزات عندما نتحرَّك من الجانب الأيسر إلى الجانب الأيمن للجدول الدوري. هذه الظاهرة مُدهِشة، ليس فقط لأنها ثابتة في جميع صفوف الجدول الدوري تقريبًا، لكن أيضًا لأنه يُمكن تفسيرها بنظريات بسيطة نسبيًّا تتعلَّق بتبادل إلكترونات التكافؤ وأنماط الترابط بين الجزيئية. قُسِّم الجدول الدوري إلى جزأين منفصلين من الفلزات واللافلزات منذ فترة طويلة نسبيًّا. يُعتبَر جونز جاكوب برزيليوس، الذي يُعَدُّ أحد علماء القرن التاسع عشر، أحد مؤسِّسي علم الكيمياء الحديثة. فقد صنَّف العناصر إلى فلزات ولا فلزات منذ أكثر من مائة عام. واستندت تصنيفاته إلى الخواصِّ الفيزيائية للعناصر.

يَستخدِم الشكل الآتي اللونين الأحمر والأزرق لتوضيح كيفية انتقال الجدول الدوري من العناصر الفلزية إلى العناصر اللافلزية. العناصر الفلزية ممثَّلة باللون الأحمر، ويُمكن العثور عليها في الجانب الأيسر من الجدول الدوري. والعناصر اللافلزية ممثَّلة باللون الأزرق، ويُمكن العثور عليها في الجانب الأيمن من الجدول الدوري. وعناصر أشباه الفلزات ممثَّلة باللون الأصفر، ويُمكن العثور عليها فيما بين الجزأين الأيسر والأيمن من الجدول الدوري. أمَّا الخانات البيضاء فتمثِّل عناصر كيميائية ذات خواصَّ كيميائية مجهولة.

الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي لا يتوافق مع المبدأ البسيط والسهل الفهْم المتمثِّل في أن الفلزات تُوجَد في الجانب الأيسر من الجدول الدوري، وأن اللافلزات تُوجَد في الجانب الأيمن. الهيدروجين عنصر غريب إلى حدٍّ ما؛ لأن توزيع إلكترون التكافؤ لديه مثل الفلزات، لكنَّ له خواصَّ كيميائية لا فلزية. وقد أثار هذا بعض المناقشات المُثيرة للاهتمام حول موضع الهيدروجين في الجدول الدوري. حيث يرى بعض العلماء أن الهيدروجين ينبغي أن يُوضَع فوق الكربون في الجدول الدوري. ويرى علماء آخَرون أنه ينبغي أن يُوضَع فوق الفلور. يقع الهيدروجين حاليًّا فوق فلزات المجموعة 1، لكنه قد يُوضَع فوق مجموعة مختلفة في المستقبل.

العناصر الفلزية واللافلزية لها خواصُّ كيميائية وفيزيائية مختلفة تمامًا؛ لأنها تتكوَّن من ذرات مرتبطة بطُرق مختلفة تمامًا. حيث تُكوِّن ذرات الفلزات عادة بِنًى عملاقة ثلاثية الأبعاد تتكوَّن من مليارات الأيونات الموجبة الشحنة في بحر من الإلكترونات غير المتمركزة. وتُكوِّن ذرات اللافلزات عادة جزيئات أصغر بكثير مرتبطة تساهُميًّا. الفلزات ليست أكثر فائدة من اللافلزات، واللافلزات ليست بالضرورة أكثر فائدة من الفلزات. المواد لها خواصُّ فيزيائية وكيميائية مختلفة تمامًا، وكلٌّ منها مناسِب للغاية لمجموعة محدَّدة من التطبيقات الصناعية والتجارية.

من المعروف أن الفلزات صَلدة، ولها درجات انصهار ودرجات غليان مرتفعة؛ وذلك لأنها تتكوَّن من كاتيونات فلزية في بحر من الإلكترونات غير المتمركزة. حيث تُوجَد قوى تجاذب كهروستاتيكية قوية بين الكاتيونات الفلزية والإلكترونات غير المتمركزة. ومن ثَمَّ يتطلَّب فصلهما طاقة حرارية أو ميكانيكية كبيرة. ترتبط ذرات التنجستن معًا بروابط فلزية تُعَدُّ الأقوى في أيِّ عنصر فلزي نقي. تُعَدُّ درجة انصهار فلز التنجستن هي الأعلى بين جميع العناصر الفلزية. حيث تبلغ درجة انصهاره . يُستخدَم فلز التنجستن في صناعة فتائل معظم المصابيح الكهربية، خاصَّة لأنه يُمكن أن يتوهَّج باللون الأبيض دون أن ينصهر. بينما ترتبط ذرات الزئبق بعضها ببعض بروابط فلزية ضعيفة للغاية. وتُعَدُّ درجة انصهار الزئبق هي الأقلَّ بين جميع العناصر الفلزية. حيث تبلغ درجة انصهاره فقط. يُستخدَم الزئبق في صناعة الترمومترات لأن له درجة انصهار منخفضة، ولأنه يكون سائلًا في درجة حرارة الغرفة.

مُعظم الفلزات قوية، وهذا يجعلها مناسبة لصناعة المَرْكَبات، وصُنع مكوِّنات الدعم الهيكلي للمباني الكبيرة والمَعالِم الأثرية. تُستخدَم الفلزات الصَّلدة بشكلٍ معتاد في صناعة السيارات، وتُستخدَم أيضًا في صناعة مَرْكَبات النقل الأكبر حجمًا مثل سُفُن الشحن والطائرات أيضًا. وهناك أيضًا عدد كبير للغاية من المباني والآثار الضخمة التي تحتوي على هياكل مصنوعة من الصُّلب أو بعض الأنواع الأخرى من هياكل الدعم الفلزية.

تُعرَف الفلزات بأن عدد إلكترونات تكافُئها منخفض نسبيًّا، وأن نصْف قطر ذراتها كبير نسبيًّا. وعادة ما يكون للفلزات غلاف تكافؤ يحتوي على أقلَّ من نصْف سعته من الإلكترونات، ونصْف قطر ذري أكبر من نصْف القطر الذري للافلزات الموجودة في الدورة نفسها. عادة ما يكون للفلزات ميل إلكتروني وطاقة تأيُّن منخفضان نسبيًّا؛ وذلك لأن نصْف قطر ذراتها كبير.

تنتقل الطاقة الحرارية عبر مادة صُلبة عندما يصطدم أحد الجسيمات بجسيم آخَر، وتنتقل الطاقة الكهربية عبر مادة صُلبة عندما تتحرَّك ناقلات الشحنة وتوصِّل تيارًا كهربيًّا. الفلزات لها توصيلية كهربية وحرارية عالية؛ لأنها تحتوي على إلكترونات غير متمركزة. يُمكن أن توصِّل الإلكترونات غير المتمركزة تيارًا كهربيًّا؛ لأنها كثيرة الحركة، ويُمكنها الانتقال بسهولة من الطرف السالب للدائرة الكهربية إلى طرفها الموجب. ويُمكن أن توصِّل الإلكترونات غير المتمركزة الطاقة الحرارية؛ لأنها يُمكن أن تتحرَّك بسهولة عبر الشُّبَيْكة الفلزية، وتصطدم بكاتيونات وإلكترونات الفلز الأخرى. لذا يُستخدَم الكثير من الفلزات في صناعة أواني الطهي والدفايات الكهربية؛ لأن لها توصيلية حرارية عالية. تُستخدَم بعض الفلزات أيضًا في صناعة المُعِدَّات الكهربية؛ لأنها يُمكن أن تُوصِّل تيارًا كهربيًّا كبيرًا. فقد استُخدِم النحاس في صناعة الأسلاك الكهربية في جميع أنحاء العالَم لأكثر من قرن؛ لأنه موصِّل جيد للكهرباء بصفة خاصة، وتكلفته ليست مرتفعة للغاية.

تُوصَف الفلزات بأنها قابلة للطَّرْق؛ لأنه يُمكن إعادة تشكيلها دون أن تنكسر. كما تُوصَف بأنها قابلة للسَّحْب؛ لأنه يُمكن سَحْبها إلى أسلاك طويلة دون أن تتصدَّع. بوجهٍ عامٍّ لا تنكسر الفلزات أو تتصدَّع عند طَرْقها بقوة ميكانيكية كبيرة؛ لأنها تحتوي على بحر مرِن للغاية من الإلكترونات غير المتمركزة. قد تتغيَّر مواضع أيونات الفلز الفردية عند طَرْق الفلز وتشكيله، لكنَّ بحر الإلكترونات غير المتمركزة لا يضطرب أو يتلف بشكل كبير. عادة ما تكون الفلزات رنَّانة للغاية، وتُصدِر صوتًا مسموعًا بوضوح عند طَرْقها بشيء مثل مطرقة معدنية أو خشبية. كما أن بحر الإلكترونات غير المتمركزة الخاصَّ بها مَرِن للغاية، ويُمكنه نشر الطاقة الحركية الواردة في صورة موجة صوتية تتحرَّك إلى الخارج.

عادة ما تُوصَف العناصر الفلزية النقية بأنها برَّاقة (لامعة). ويُمكن تفسير المَظهَر البرَّاق للفلز بدلالة إلكتروناته غير المتمركزة. يُقال إن الإلكترونات غير المتمركزة الموجودة على سطح الفلز تَمتصُّ فوتونات الطاقة الضوئية وتعكسها بشكل مستمرٍّ. ويعكس بحر الإلكترونات فوتونات الضوء بشكل مستمرٍّ، وهذا يجعل سطح الفلز يبدو لامعًا. الفلزات البرَّاقة للغاية مثل الذهب والفضة مناسبة لصُنْع المجوهرات المزخرفة لأنها لامعة، وعادة ما تكون قابلة للطَّرْق. يُمكن إعادة تشكيل الذهب والفضة إلى حُلِي ومنحوتات لها شكل جمالي رائع وسطح لامع.

من المعروف أن العناصر اللافلزية تحتوي على عدد كبير نسبيًّا من إلكترونات التكافؤ ونصْف قطر ذري صغير نسبيًّا. وعادة ما يكون لها غلاف تكافؤ يحتوي على أكثر من نصْف سعته من الإلكترونات، ونصْف قطر ذري أصغر من نصْف القطر الذري للفلزات الموجودة في الدورة نفسها. عادة ما يكون للافلزات قِيَم ميل إلكتروني وطاقة تأيُّن مرتفعة؛ وذلك لأن نصْف قطر ذراتها صغير.

عادة ما تُكوِّن العناصر اللافلزية مركَّبات بسيطة مرتبطة تساهُميًّا. وتحتوي هذه البِنَى على ذرات قليلة فقط، ولا تتولَّد بينها قوى تجاذب بين جزيئية قوية. تُوجَد تداخُلات بين جزيئية ضعيفة نسبيًّا بين الجزيئات المتجاوِرة المرتبطة تساهُميًّا، ولا يتطلَّب فصْلها كمية كبيرة من الطاقة. وهذا يفسِّر سبب هشاشة العناصر اللافلزية دائمًا تقريبًا إذا كوَّنَت مواد صُلبة في درجة حرارة الغرفة، لكن هذا ليس مضمونًا دائمًا. يُمكن أن تكون بعض العناصر اللافلزية على الحالة الغازية فقط في درجة حرارة الغرفة. عادة ما تكون العناصر اللافلزية الصُّلبة والغازية منخفِضة الكثافة؛ وذلك بسبب وجود تداخُلات بين جزيئية ضعيفة بين جزيئات اللافلز المتجاوِرة.

لا تُوصِّل العناصر اللافلزية الكهرباء عادة؛ لأنها لا تحتوي عادة على أيِّ جسيمات حاملة للشحنة. ومع ذلك، يُوجَد على الأقلِّ متآصلان من متآصلات الكربون اللافلزية لها قِيَم توصيلية كهربية مرتفعة للغاية. فجسيمات الجرافيت وجسيمات النانوية عبارة عن متآصلات كربون يُمكنها توصيل تيار كهربي كبير. حيث تحتوي هذه المواد على إلكترونات غير متمركزة يُمكن أن تتحرَّك من الطرف السالب للدائرة الكهربية إلى طرفها الموجب. يمثِّل الجرافيت وجسيمات النانوية بعض العناصر اللافلزية الوحيدة التي يُمكنها توصيل تيار كهربي كبير.

المواد اللافلزية المعتادة لها توصيلية حرارية منخفضة؛ لأنها لا تحتوي على إلكترونات غير متمركزة. حيث إنها تتكوَّن من ذرات غير قادرة على تبادل الطاقة الحرارية بعضها مع بعض بشكل سريع. ومن ثَمَّ تنتقل الطاقة الحرارية بشكلٍ غير فعَّال للغاية عبر المادة اللافلزية. ولا يُمكن أن تنتقل الطاقة إلَّا إذا اهتزت الذرات اللافلزية الساخنة واصطدمت بالذرات اللافلزية الباردة.

يُعَدُّ الجرافيت مادة لا فلزية مُفيدة للغاية؛ لأنه يُمكن أن يُستخدَم في صُنْع قلب القلم الرصاص. وهو مناسب تمامًا لصناعة قلب القلم الرصاص؛ لأنه غير قابل للطَّرْق وهشٌّ. حيث إنه سينفصل ويترك بقايا سوداء إذا لامس مواد أصْلَد مثل الورق. ومن المعروف أن الجرافيت له كثافة منخفضة وأنه غير قابل للسَّحْب. أمَّا العناصر اللافلزية الأخرى، فلها العديد من التطبيقات الصناعية المُهِمَّة، وهذا يتضمَّن استخدام الكلور في تنقية الماء، واستخدام اليود مُطهِّرًا للأغراض العامَّة. وهناك أيضًا استخدام الفحم لإزالة اللون البُنِّي من السُّكَّر، واستخدام الفوسفور في صناعة أعواد الثقاب والأسمدة.

تقع عناصر أشباه الفلزات بين العناصر الفلزية واللافلزية في الجدول الدوري. وهذا مناسب لأن عناصر أشباه الفلزات لها بعض خواصِّ الفلزات وبعض خواصِّ اللافلزات. وعادة ما يكون لأشباه الفلزات مَظهَر فلزي وقيمة سالبية كهربية تقع بين السالبية الكهربية العالية للافلزات، والسالبية الكهربية المنخفضة للفلزات. وعادة ما يكون لها أيضًا توصيلية حرارية تقع بين التوصيلية الحرارية العالية للعناصر الفلزية والتوصيلية الحرارية المنخفضة للعناصر اللافلزية. يمثِّل الشكل الآتي جزءًا مقتطعًا لجدول دوري مبسَّط. فهو يوضِّح عناصر أشباه الفلزات إلى جانب العناصر الفلزية واللافلزية المتجاوِرة. يوضِّح الشكل أنه يُوجَد حاليًّا ستة عناصر معروفة من أشباه الفلزات.

عنصرا البورون والسليكون يُعَدَّان من الأمثلة الجيدة لأشباه الفلزات؛ حيث إنهما يُكوِّنان مواد برَّاقة وصفائحية تُشبِه إلى حدٍّ ما العناصر الفلزية الانتقالية، باستثناء أنهما يبدوان أكثر ليونة ومرونة في الغالب. السليكون والبورون لهما خواصُّ مشابهة لخواصِّ بعض العناصر الفلزية الانتقالية؛ وذلك لأنهما يَكونان مادة صُلبة في درجة حرارة الغرفة، ولهما درجة انصهار ودرجة غليان مرتفعة للغاية. ولهما أيضًا بعض الخواصِّ المشابهة لخواصِّ العناصر اللافلزية. كلاهما هشٌّ، ولا يتطلَّب تقسيمهما إلى أجزاء صغيرة الكثير من الطاقة.

أشباه الفلزات لها توصيلية كهربية أعلى من اللافلزات، وأقلُّ من العناصر الفلزية النقية. وعادة ما تُطلَق عليها أشباه الموصِّلات الحقيقية؛ لأنه يُمكنها نقْل تيار كهربي كبير في درجات الحرارة المرتفعة، وتيار كهربي أقلَّ في درجات الحرارة المنخفضة. يُمكن استخدام معظم عناصر أشباه الفلزات في صناعة الترانزستورات؛ لأنها مواد شبه موصِّلة.

استُخدِمت أشباه الفلزات كثيرًا في الأجهزة الإلكترونية الحديثة، لدرجة أن بعض المحاور التكنولوجية قد سُمِّيت بأسماء مثل وادي السليكون. كما أن بعض الأشخاص قد أطلَقوا على الفترة ما بين أواخِر القرن 20 وأوائل القرن 21 اسم عصر السليكون؛ لأن السليكون وُصِف بأنه المادة الأكثر أهمِّية في الحضارة الحديثة. حيث استُخدِم السليكون أكثر فأكثر في أواخِر القرن 20، ويُستخدَم الآن في تصنيع الدوائر الإلكترونية التي تُستخدَم في جميع أجهزة الحاسوب الحديثة تقريبًا. ويُمكن استخدام الجرمانيوم أيضًا في صناعة الرقائق الإلكترونية الدقيقة، لكنه عادة ما يُستخدَم بشكلٍ أقلَّ بكثير من السليكون. أمَّا الأنتيمون فله العديد من التطبيقات التكنولوجية، ويُعَدُّ إحدى المواد المفضَّلة في صناعة مكوِّنات البطاريات.

عناصر أشباه الفلزات لها العديد من التطبيقات غير التكنولوجية المُهِمَّة. يُستخدَم العديد من مركَّبات أشباه الفلزات في تحفيز التفاعُلات الكيميائية. ثلاثي فلوريد البورون جزيء صغير نسبيًّا له الصيغة الكيميائية . يُستخدَم ثلاثي فلوريد البورون لتحفيز تفاعُلات البلمرة لمركَّبات البولي إيثر غير المُشبَّعة. كما أنه يُستخدَم أيضًا لتحفيز بعض تفاعُلات التشاكُل والأسْيَلة. ويُستخدَم المركَّب الوثيق الصِّلة ثلاثي كلوريد البورون () على نحوٍ مماثِلٍ لتحفيز أنواع مختلفة من تفاعُلات التخليق العضوي؛ وذلك لأنه يُكسِّر الروابط الموجودة بين الكربون والأكسجين () في جزيئات الإيثر. يُستخدَم أيضًا بعض مواد أشباه الفلزات في صناعة المواد البوليمرية والخزفية.

يُمكن خلط عناصر أشباه الفلزات مع الفلزات لصناعة سبائك لها خواصُّ فيزيائية أو كيميائية مرغوبة. يُسبَك التيلوريوم عادةً مع الصُّلب لزيادة قابليته للمَيْكنة، ويُخلَط الزرنيخ مع البلاتين أو النحاس لجعله أكثر مقاوَمة لأشكال التآكُل المختلفة.

يُمكن تعريف الخاصية الفلزية واللافلزية لأيِّ عنصر كيميائي باستخدام معاملَيْ طاقة التأيُّن والميل الإلكتروني. يُمكن أن يَستخدِم العلماء هذين المعاملين أو غيرهما من المعاملات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بهما لتوضيح أن العناصر تميل عادة إلى أن تصبح أقلَّ فلزية عبر أيِّ دورة في الجدول الدوري. عادة ما تكون العناصر الواقعة في أقصى اليسار فلزية أكثر بكثير من العناصر الواقعة على يمينها. من المفترض أن يكون لدى عناصر المجموعة 1 الخاصية الفلزية الأعلى، وأن يكون لدى عناصر المجموعة 17 الخاصية الفلزية الأقلُّ.

وبالمثل يُمكن استخدام معاملَيْ طاقة التأيُّن والميل الإلكتروني لتوضيح أن العناصر عادة ما يكون لها خاصية فلزية مرتفعة إذا كانت قريبة من أسفل الجدول الدوري، وخاصية فلزية منخفضة إذا كانت قريبة من أعلى الجدول الدوري. يُمكن إعادة صياغة هذه العبارة لتنصَّ على أن الخاصية الفلزية تزيد عادة بالنزول لأسفل أيِّ مجموعة من مجموعات الجدول الدوري. العناصر الموجودة في أسفل مجموعة ما عادة ما يكون لها أنصاف أقطار ذرية أكبر، وطاقات تأيُّن أصغر. تزداد الخاصية الفلزية بالنزول لأسفل المجموعة حتى إذا كانت تبدأ بعنصر فلزي. هي تزداد بالنزول لأسفل مجموعة الفلزات القلوية، وتزداد أيضًا بالنزول لأسفل مجموعة الفلزات القلوية الأرضية. وتقلُّ الخاصية اللافلزية بالنزول لأسفل مجموعة ما، حتى إذا كانت تبدأ بلا فلز. ومن ثَمَّ يُمكن القول إن اليود له خاصية لا فلزية أقلُّ من الفلور؛ لأن ميله الإلكتروني وطاقة تأيُّنه الأولى أقلُّ.

يُعتبَر السيزيوم بوجهٍ عامٍّ العنصر ذا الخاصية الفلزية الأعلى؛ لأنه ينتمي إلى المجموعة 1، ويقع في أسفل الجدول الدوري. ويُعَدُّ الفلور بوجهٍ عامٍّ العنصر ذا الخاصية اللافلزية الأعلى؛ لأنه ينتمي إلى المجموعة 17، ويقع في أعلى الجدول الدوري.

يقارن الجدول الآتي عناصر أشباه الفلزات بالعناصر الفلزية واللافلزية. يلخِّص الجدول العديد من النقاط التي طُرِحت في هذا الشارح، ويَختصِر الكثير من العبارات في عدد صغير نسبيًّا من النقاط المُهِمَّة. يُمكن استخدام الجدول لتوضيح النقاط الرئيسية الموجودة في هذا الشارح. يُمكن استخدامه أيضًا لإثبات أن هناك بعض العناصر التي لا يُمكن تصنيفها إلى الفلزات واللافلزات. يجب تصنيف بعض العناصر بأنها أشباه فلزات؛ لأن لديها خواصَّ كلٍّ من المواد الفلزية واللافلزية.