فيديو الدرس: استخدامات فلزات الدورة الرابعة الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نسرد فلزات الفئة ‪d‬‏ بالدورة الرابعة، ونفسر استخداماتها.

١٦:٥٣

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على استخدامات أو تطبيقات الفلزات في الدورة الرابعة، وتحديدًا فلزات الفئة ‪d‬‏ بالدورة الرابعة. وسنتعرف على استخداماتها الشائعة، وكذلك مركبات هذه العناصر ذات الأهمية الصناعية. أولًا، دعونا نذكر أنفسنا بالفلزات التي نتحدث عنها.

في الجدول الدوري، فلزات الدورة الرابعة هي البوتاسيوم والكالسيوم والسكانديوم والتيتانيوم والفاناديوم والكروم والمنجنيز والحديد والكوبالت والنيكل والنحاس والزنك والجاليوم. دعونا نركز على فلزات الفئة ‪d‬‏ بالدورة الرابعة. تسمى هذه الفلزات معًا بالسلسلة الانتقالية الأولى، على الرغم من أن الزنك فعليًّا ليس فلزًّا انتقاليًّا. الفلز الانتقالي عنصر يكون الغلاف الفرعي ‪d‬‏ لذراته غير مكتمل، أو يمكن أن يؤدي إلى كاتيونات غلافها الفرعي ‪d‬‏ غير مكتمل.

والآن، لماذا ندرس هذه الفلزات؟ ولماذا تعد مهمة للغاية؟ هل تعلم أن جسم الإنسان يستخدم معظم هذه الفلزات؟ لكن لماذا تعد مهمة للغاية في مجال الصناعة؟ حسنًا، كل هذه الفلزات تدر أرباحًا كبيرة. هذه الفلزات مفيدة للغاية في استخدامات محددة؛ حيث إنها تدر الكثير من المال. على سبيل المثال، تسرع الفلزات المستخدمة عوامل حفازة معدل إنتاج المواد الكيميائية بدرجة كبيرة. ومن ثم، تستطيع الشركة الصانعة إنتاج المزيد من المنتج في فترة زمنية أقصر. وهو ما يترتب عليه تحقيق الربح بشكل أسرع. تشمل العناصر المستخدمة عوامل حفازة أو المستخدمة في عوامل حفازة مع عناصر أخرى السكانديوم والتيتانيوم والفاناديوم والكروم والمنجنيز والحديد والكوبالت والنيكل والنحاس والزنك، أي جميع هذه الفلزات. إلى جانب تقليل زمن التصنيع، تحفز هذه الفلزات التفاعلات التي تنتج المواد الأساسية أو البادئة في العديد من العمليات المهمة على المستوى الصناعي. ويجنى الكثير من الأموال نظرًا لأن العديد من التفاعلات تعتمد في البداية على هذه العوامل الحفازة الفلزية.

تستخدم جميع هذه الفلزات في السبائك. وللسبائك استخدامات عديدة في المجتمع، وهي ذات أهمية قصوى للاقتصاد. وبعض هذه الفلزات مفيد في تصنيع البطاريات. في جميع أنحاء العالم، ثمة اتجاه نحو إيجاد مصادر وأنظمة بديلة لتوليد الطاقة وتخزينها. فنحن لا نريد الاعتماد على الوقود الأحفوري في إنتاج الطاقة. وتمثل البطاريات جزءًا كبيرًا من هذا. والمنجنيز والكوبالت والنيكل والنحاس والزنك جميعها مكونات للبطاريات الحديثة. ويستخدم الحديد والكوبالت والنيكل في المغناطيسات. وسنعرف الآن مدى أهمية المغناطيسات في العديد والعديد من الأجهزة. والكثير من هذه الفلزات له استخدامات صناعية مهمة في المركبات، وكذلك باعتبارها فلزات نقية. دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة المحددة لاستخدام هذه الفلزات في العوامل الحفازة، والسبائك، والبطاريات، والمغناطيسات، والمركبات، وكذلك باعتبارها فلزات نقية.

يستخدم الفاناديوم في العامل الحفاز ‪V2O5‬‏ في عملية التماس التي تنتج حمض الكبريتيك. ويستخدم الحديد بوصفه فلزًّا نقيًّا في عملية هابر-بوش، التي تنتج غاز الأمونيا. ويستخدم الحديد أيضًا في عملية فيشر-تروبش. في هذه العملية، ينتج الوقود الهيدروكربوني السائل من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. ويستخدم النيكل على نطاق واسع في تفاعلات إضافة الهيدروجين، على سبيل المثال، في تحويل البنزين إلى الهكسان الحلقي. والآن، لنلق نظرة على استخدام هذه العناصر في السبائك.

تعتمد الغالبية العظمى من السبائك المستخدمة على الحديد، بعبارة أخرى، سبائك الصلب. ولا يرجع سبب هذا فقط إلى أن سبائك الحديد لها خواص مفيدة مثل المتانة، بل إلى وفرة الحديد أيضًا في القشرة الأرضية. ففي الواقع، الحديد هو الفلز الأكثر وفرة في السلسلة الانتقالية الأولى. وهذا يمثل نشاطًا تجاريًّا ضخمًا. وسنتناول الصلب بمزيد من التفصيل في فيديو آخر. عندما يسبك السكانديوم مع الألومنيوم تتكون سبيكة تمتاز بخفة وزنها وشدة صلادتها. وتصنع بعض مكونات الطائرات الحربية من طراز ‪MiG‬‏ باستخدام سبائك السكانديوم مع الألومنيوم. وتستخدم أيضًا سبائك التيتانيوم في مكونات الطائرات، وكذلك المركبات الفضائية. فهي منخفضة الكثافة لكنها قوية للغاية. ومثل السكانديوم، يضيف كل من الفاناديوم والكروم الصلادة إلى السبائك. وهما يستخدمان في الصلب العالي المتانة، على سبيل المثال في أدوات القطع ومحور عجلات السيارات.

يصنع من النحاس والزنك معًا سبيكة النحاس الأصفر. وتستخدم سبيكة النحاس الأصفر على نطاق واسع في مكونات أدوات السباكة، مثل المواسير والوصلات. والبرونز عبارة عن سبيكة يستخدم فيها النحاس مع فلزات أخرى مثل القصدير والألومنيوم والمنجنيز والنيكل والزنك. وغالبًا ما تصنع التماثيل والميداليات من البرونز. يمكننا أن نلاحظ أن فلزات الدورة الرابعة هذه تكون مفيدة للغاية عندما تصنع منها سبائك مع فلزات أخرى. وقد تكون مفيدة أكثر عندما تصنع منها سبائك بعضها مع بعض. لكن بعضها يستخدم في صورته النقية، مثل النحاس. تصنع الغالبية العظمى من الأسلاك الكهربية من النحاس. ويستخدم الزنك لجلفنة الفلزات الأكثر نشاطًا، مثل الحديد أو الصلب. حيث يطلى الصلب بطبقة رقيقة من الزنك. وهذا يحمي الصلب من التعرض للأكسجين وبخار الماء الموجود في الهواء، والذي يؤدي إلى الصدأ. يمكن جلفنة العديد من هياكل الصلب، على سبيل المثال، السلالم والسياجات الوتدية المصنوعة من الصلب والدرابزينات.

الكروم مفيد أيضًا في صورته النقية. فتطلى الأدوات المعدنية كهربيًّا بطبقة رقيقة من الكروم أو سبيكة الكروم لزيادة مقاومتها للتآكل وزيادة صلادتها، وكذلك لجعلها شديدة اللمعان. وفي بعض الأحيان تكون أجزاء من الدراجات البخارية مطلية بالكروم، وكذلك بعض إطارات العجلات الفاخرة أو العجلات المصنوعة من سبائك المغنسيوم مع الصلب.

لننتقل إلى استخدام هذه الفلزات في البطاريات. تحتوي البطاريات أو الخلايا الجافة، عادة على الزنك وثاني أكسيد المنجنيز. ربما تكون قد سمعت عن البطاريات القلوية. وهي بطاريات تقليدية. لكن البطاريات القابلة لإعادة الشحن تستخدم النيكل إلى جانب الكادميوم.

والآن، ماذا عن المغناطيسات؟ تستخدم المغناطيسات بشكل مدهش وعلى نطاق واسع، ليس فقط في تثبيت الصور على ثلاجتك. وتستخدم فلزات الدورة الرابعة في مغناطيسات العديد من الأجهزة، على سبيل المثال في المحركات الكهربية والمحولات والمولدات وساحات جمع النفايات المعدنية وأفران الميكروويف وشاشات التليفزيون وأجهزة الراديو، وغير ذلك الكثير. يستخدم العديد من المغناطيسات الحديد في وصلات مع ملفات. وعندما تتدفق الكهرباء عبر الملف، ينتج مغناطيسًا كهربيًّا. والحديد جزء لا يتجزأ من هذا. حاول صنع المغناطيس الكهربي الخاص بك في المنزل. ستحتاج إلى مسمار مصنوع من الحديد، وسلك نحاسي، وبطارية يمكن أن تكون بطارية الزنك وثاني أكسيد المنجنيز. هل يمكنك ملاحظة أن معظم مكونات هذا النظام تأتي من السلسلة الانتقالية الأولى؟

لكن بجانب المغناطيسات الكهربية، ربما نكون أكثر دراية بالحديد كمغناطيس دائم، بينما يكون الكوبالت أيضًا مغناطيسًا دائمًا مع السماريوم في مغناطيسات السماريوم والكوبالت. وهي مغناطيسات دائمة قوية ملائمة للاستخدامات ذات درجة الحرارة المرتفعة، على سبيل المثال، في مكونات المركبات الفضائية، وفي المولدات، والمستشعرات، وبعض الأجهزة الطبية.

حتى الآن، رأينا فلزات الدورة الرابعة تستخدم عوامل حفازة، وفي السبائك، وفي البطاريات، وكذلك باعتبارها فلزات نقية، وفي المغناطيسات. آخر فئة سنتناولها هي الاستخدام في المركبات المختلفة. هناك العديد من المركبات المهمة التي تحتوي على فلزات الدورة الرابعة هذه. على سبيل المثال، يوجد التيتانيوم في مركب ثاني أكسيد التيتانيوم الذي يستخدم في الكريمات الواقية من أشعة الشمس الضارة. حيث تمتص الجسيمات النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم بعض الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية. ويوجد المنجنيز في أيون البرمنجنات. وهذا الأيون الأرجواني عامل مؤكسد قوي، وله استخدامات عديدة، على سبيل المثال، معالجة الماء لتطهيره.

ويستخدم الكروم الموجود في أيون ثاني الكرومات البرتقالي أيضًا عاملًا مؤكسدًا، على الرغم من أنه ليس عاملًا مؤكسدًا قويًّا مثل البرمنجنات. كما تستخدم أيونات ثاني الكرومات، وكذلك أيونات الكرومات في الصبغات بسبب لونها القوي. ويستخدم الكوبالت، وتحديدًا النظير كوبالت 60، في علاج السرطان. ففي الجلسات العلاجية بالكوبالت، توجه أشعة جاما من هذا النظير المشع إلى الأورام للقضاء عليها.

دعونا نفرغ بعض المساحة لننظر إلى بعض الأمثلة الأخرى. فيما يأتي استخدام آخر للكروم. يستخدم الكروم الموجود في شب الكروم وكبريتات الكروم لدباغة الجلود. حيث يربط الكروم ألياف بروتين الكولاجين الموجودة في جلود الحيوانات بعضها ببعض بشكل تصالبي. وبهذه الطريقة، تثبت البروتينات الموجودة في الجلود، وتصبح الجلود أكثر صلادة ومتانة. وأخيرًا، يوجد النحاس في كبريتات النحاس الذي له بعض الاستخدامات المثيرة للاهتمام. فهو يستخدم مبيدًا للأعشاب والبكتيريا والفطريات لمكافحة تكاثر الطحالب والبكتيريا والفطريات، بل حتى نمو الجذور في النباتات.

والآن بعد أن تعرفنا على بعض الاستخدامات العديدة لفلزات الفئة ‪d‬‏ بالدورة الرابعة، دعونا نتدرب.

أي من الآتي أحد استخدامات السكانديوم؟ (أ) صناعة المفاصل الصناعية، (ب) دباغة الجلود، (ج) صناعة الطائرات الحربية من طراز ‪MiG‬‏، (د) طلاء المعادن، (هـ) صناعة زنبركات السيارات.

يدور السؤال حول عنصر السكانديوم أو ‪Sc‬‏. يوجد السكانديوم هنا في الجدول الدوري. وعلى وجه التحديد، هو العنصر الأول في عناصر الفئة ‪d‬‏ بالدورة الرابعة، بعبارة أخرى العنصر الأول في السلسلة الانتقالية الأولى. تعد فلزات السلسلة الانتقالية الأولى الموضحة هنا فلزات مفيدة للغاية. فهي مهمة اجتماعيًّا واقتصاديًّا. يدور السؤال الآن حول أحد استخدامات السكانديوم. عندما يضاف القليل من السكانديوم إلى الألومنيوم، فإن السبيكة الناتجة، التي تتميز بخفة وزنها بسبب الألومنيوم، تصبح أكثر صلادة. يعد المزيج الفريد الذي يجمع بين خفة الوزن والصلادة مثاليًّا للاستخدام في الطائرات.

من بين خيارات الإجابة المعطاة، المجال الذي يستخدم فيه السكانديوم هو صناعة الطائرات الحربية من طراز ‪MiG‬‏، أو بالأحرى بعض مكوناتها. وتصنع المفاصل الصناعية عادة من مجموعة متنوعة من المواد المخلوطة معًا: كالخزف والبلاستيك والفلزات. والتيتانيوم هو الفلز المختار في صناعة المفاصل الصناعية؛ لأنه يمتاز بخفة الوزن والقوة، وليس له أي تأثير سام على الأنسجة البشرية.

على عكس بعض الفلزات الأخرى، تجري دباغة الجلود باستخدام مركبات الكروم المتنوعة. ترتبط بروتينات الكولاجين بالكروم بشكل تصالبي، وهذا يقوي الجلد، وهو ما يمنحه القدرة على التحمل والعمر الطويل.

يمكن استخدام العديد من الفلزات في الطلاء، لكن من بين فلزات الدورة الرابعة، يعد الكروم هو الفلز الأكثر شيوعًا في هذا الاستخدام. تطلى طبقة رقيقة من الكروم كهربيًّا على أجزاء المعدن الآخر لتكوين سطح صلد، ومقاوم للتآكل، ولامع للغاية. نسمي هذا الطلاء بالكروم. لعلك رأيت بعض المكونات المعدنية المطلية بالكروم في الدراجات البخارية.

عادة ما تصنع زنبركات السيارات من الصلب. يتكون الصلب بشكل أساسي من الحديد، بالإضافة إلى بعض الكربون. ويعطي المزج بين الحديد والكربون في الصلب سبيكة قوية للغاية. ولأن الصلب ثقيل للغاية، فلن يكون مناسبًا لصناعة مكونات الطائرات الحربية من طراز ‪MiG‬‏.

من بين خيارات الإجابة، فإن استخدام السكانديوم هو صناعة الطائرات الحربية من طراز ‪MiG‬‏ أو مكوناتها.

دعونا الآن نلخص ما تعلمناه عن فلزات الدورة الرابعة. تعرفنا على بعض استخدامات فلزات الفئة ‪d‬‏ بالدورة الرابعة، وهي السكانديوم والتيتانيوم والفاناديوم والكروم والمنجنيز والحديد والكوبالت والنيكل والنحاس والزنك. وعرفنا أن هذه الفلزات مهمة للغاية، إن لم تكن ذات أهمية قصوى، اجتماعيًّا واقتصاديًّا؛ لأن لها استخدامات عديدة للغاية في الحياة اليومية وفي الصناعة، وتدر الكثير من المال. وتتضمن تطبيقاتها استخدامها عوامل حفازة، على سبيل المثال، خامس أكسيد الفاناديوم في عملية التماس؛ والاستخدام في العديد والعديد من السبائك، مثل النحاس والزنك في النحاس الأصفر؛ والاستخدام في صورة فلزات نقية، على سبيل المثال النحاس في الأسلاك؛ والاستخدام في البطاريات، مثل النيكل في بطاريات النيكل والكادميوم القابلة لإعادة الشحن، والاستخدام في المغناطيسات، على سبيل المثال، الكوبالت في مغناطيسات السماريوم والكوبالت، والحديد في المغناطيسات الكهربية، وأخيرًا، الاستخدام في مختلف المركبات المهمة على سبيل المثال يستخدم المنجنيز في أيون البرمنجنات، الذي يستخدم في معالجة الماء لتطهيره.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.