مس سیم برق میشود، آلومینیم را میتوان به ورقههای نازک تبدیل کرد و آهن با افزودن مقدار مناسبی کربن به فولادی مقاومتر بدل میشود. این رفتارها را نمیتوان تنها با نام عنصر توضیح داد؛ باید آرایش ذرهها و نوع نیروی نگهدارنده آنها را بشناسیم. در مدل پیوند فلزی، اتمهای فلز الکترونهای ظرفیتی خود را در سراسر شبکه به اشتراک میگذارند و جاذبه میان یونهای مثبت و الکترونهای نامستقر، ساختار را کنار هم نگه میدارد. در این مقاله از همین مدل برای توضیح رسانایی، چکشخواری و تشکیل آلیاژها استفاده میکنیم و با یک مثال و تمرین، رابطه ساختار و خواص را گامبهگام میسنجیم.
پیوند فلزی از جاذبه در یک شبکه گسترده پدید میآید
در یک قطعه فلز، اتمها به صورت واحدهای مولکولی جدا از هم قرار ندارند. هسته و الکترونهای درونی هر اتم همراه با کاهش سهم الکترونهای ظرفیتی، بخش مثبت شبکه را میسازند و الکترونهای ظرفیتی میتوانند در گستره بزرگی از بلور حرکت کنند. به این الکترونها «نامستقر» میگوییم، زیرا به یک پیوند میان دو اتم مشخص محدود نیستند.
جاذبه الکتروستاتیکی میان بخشهای مثبت شبکه و مجموعه الکترونهای منفی، پیوند فلزی را ایجاد میکند. تعبیر «دریای الکترونی» یک مدل ساده و سودمند است، نه اینکه درون فلز مایع واقعی از الکترون وجود داشته باشد. همچنین یونهای مثبت شبکه آزادانه مانند یونهای یک محلول حرکت نمیکنند؛ در جایگاههای منظم نوسان دارند.
- فلز جامد یک شبکه گسترده است، نه مجموعهای از مولکولهای مجزا
- الکترونهای ظرفیتی در شبکه نامستقرند
- جاذبه بارهای مثبت و منفی شبکه را پایدار میکند
- مدل دریای الکترونی نمایش سادهشده پیوند فلزی است
الکترونهای نامستقر رسانایی الکتریکی و گرمایی را توضیح میدهند
وقتی دو سر یک فلز به اختلاف پتانسیل متصل میشود، الکترونهای نامستقر افزون بر حرکتهای نامنظم خود، حرکت جهتداری پیدا میکنند و بار الکتریکی را انتقال میدهند. به همین دلیل فلزها در حالت جامد رسانای الکتریکیاند. این رفتار با جامد یونی تفاوت دارد؛ در جامد یونی، یونها در شبکه ثابتاند و رسانایی چشمگیری ندارند، اما در حالت مذاب یا محلول میتوانند حرکت کنند.
انرژی گرمایی نیز به کمک حرکت الکترونها و ارتعاشهای شبکه از بخش گرمتر به بخش سردتر منتقل میشود؛ بنابراین بسیاری از فلزها رسانای خوب گرما هستند. همه فلزها رسانایی یکسانی ندارند، زیرا نوع اتم، نظم شبکه، دما و حضور ناخالصی یا اتمهای آلیاژی بر حرکت الکترونها اثر میگذارد.
- حرکت جهتدار الکترونها جریان الکتریکی میسازد
- فلز جامد برخلاف بسیاری از جامدهای یونی رساناست
- الکترونها و ارتعاش شبکه در انتقال گرما نقش دارند
- رسانایی یک ویژگی یکسان و ثابت برای همه فلزها نیست
غیرجهتدار بودن پیوند فلزی به شکلپذیری کمک میکند
در اثر ضربه یا کشش، لایههایی از اتمهای فلز میتوانند نسبت به یکدیگر بلغزند. با این جابهجایی، جاذبه میان بخشهای مثبت و الکترونهای نامستقر به طور کامل از بین نمیرود و شبکه میتواند بدون شکستن ناگهانی شکل تازهای بگیرد. چکشخواری یعنی قابلیت تبدیل ماده به ورقه و مفتولپذیری یعنی امکان کشیدن آن به شکل سیم.
در یک بلور یونی، لغزش بعضی لایهها ممکن است یونهای همنام را روبهروی هم قرار دهد. دافعه شدید حاصل میتواند بلور را بشکند؛ ازاینرو بسیاری از جامدهای یونی شکنندهاند. البته میزان شکلپذیری فلزها فقط به نوع پیوند وابسته نیست و ساختار بلوری، دما، اندازه دانهها و ناخالصیها نیز در آن نقش دارند.
- لغزش لایهها در فلز الزاماً پیوند شبکه را یکباره قطع نمیکند
- چکشخواری با ساخت ورقه مرتبط است
- مفتولپذیری با کشیدن فلز به شکل سیم مرتبط است
- خواص مکانیکی را نباید فقط به یک عامل نسبت داد
قدرت پیوند فلزی بر نقطه ذوب و سختی اثر میگذارد
برای ذوبکردن فلز باید نظم بلندبرد شبکه کاهش یابد و بر بخشی از جاذبههای فلزی غلبه شود. هرچه جاذبه مؤثر میان بخش مثبت شبکه و الکترونهای نامستقر قویتر باشد، معمولاً انرژی بیشتری برای این تغییر لازم است. شمار الکترونهای ظرفیتی درگیر، اندازه ذرهها و آرایش بلوری میتوانند بر قدرت پیوند فلزی اثر بگذارند.
بااینحال نمیتوان تنها با شمردن الکترونهای ظرفیتی، نقطه ذوب همه فلزها را دقیق مرتب کرد؛ ساختار الکترونی و نوع شبکه نیز مهماند. جیوه نمونهای است که در دمای اتاق مایع است، در حالی که بسیاری از فلزها جامدند. پس مدل پیوند فلزی روندها را توضیح میدهد، اما برای پیشبینی عدد دقیق به داده تجربی نیاز داریم.
- ذوب فلز با کاهش نظم شبکه همراه است
- پیوند قویتر معمولاً انرژی ذوب بیشتری میطلبد
- ساختار الکترونی و بلوری نیز تعیینکنندهاند
- از یک قاعده ساده برای پیشبینی قطعی همه فلزها استفاده نکن
آلیاژ، مخلوطی با آرایش فلزی و خواص تنظیمشده است
آلیاژ مادهای است که دستکم یک جزء فلزی دارد و معمولاً با ذوب و مخلوطکردن اجزا و سپس سردکردن ساخته میشود. آلیاژ را ترکیبی با نسبت اتمی ثابت ندان؛ بسیاری از آلیاژها مخلوطهایی جامدند و درصد اجزای آنها میتواند در محدودهای تغییر کند. هدف از آلیاژسازی میتواند افزایش سختی، مقاومت به خوردگی یا تغییر رسانایی و شکلپذیری باشد.
در آلیاژ جانشینی، اتمهایی با اندازه نسبتاً نزدیک جای برخی اتمهای فلز پایه را در شبکه میگیرند؛ برنج، ساختهشده عمدتاً از مس و روی، نمونه شناختهشدهای است. در آلیاژ بیننشینی، اتمهای کوچکتر در فضای میان اتمهای فلز قرار میگیرند؛ کربن در فولاد بخشی از چنین نقشی را دارد. یک آلیاژ واقعی ممکن است ساختاری پیچیدهتر از این دو مدل ساده داشته باشد.
- آلیاژ دستکم یک جزء فلزی دارد
- ترکیب درصدی بسیاری از آلیاژها ثابت و یگانه نیست
- جانشینی: جایگزینی اتمها در جایگاههای شبکه
- بیننشینی: قرارگرفتن اتمهای کوچک در فضای میان جایگاهها
اتمهای متفاوت حرکت لایههای فلزی را دشوارتر میکنند
در فلز خالص، منظمبودن اندازه و آرایش اتمها میتواند لغزش بعضی لایهها را آسانتر کند. ورود اتمهایی با اندازه متفاوت، نظم محلی شبکه را تغییر میدهد و حرکت لایهها را دشوارتر میسازد؛ به همین دلیل بسیاری از آلیاژها از فلز پایه سختترند. این افزایش سختی ممکن است با کاهش چکشخواری یا رسانایی همراه شود.
آلیاژسازی همیشه همه خواص را بهتر نمیکند؛ بلکه میان خواص مختلف تعادل ایجاد میکند. برای سیم برق، رسانایی زیاد اهمیت دارد و مس نسبتاً خالص مناسب است. برای سازه، استحکام و دوام مهمتر است و انواع فولاد به کار میروند. انتخاب ماده باید بر پایه کاربرد، شرایط محیطی، جرم، هزینه و چند خاصیت همزمان انجام شود.
- بینظمی شبکه میتواند لغزش لایهها را محدود کند
- بسیاری از آلیاژها سختتر از فلز پایهاند
- سختی بیشتر الزاماً به معنی رسانایی یا شکلپذیری بیشتر نیست
- بهترین ماده فقط با توجه به کاربرد معنا دارد
مثال حلشده: مس خالص یا برنج را انتخاب کن
فرض کن برای دو کاربرد باید میان مس خالص و برنج انتخاب کنیم: نخست سیم رسانای برق و دوم دستگیرهای که باید شکل خود را بهتر حفظ کند. برای سیم، مس خالص انتخاب مناسبتری است، زیرا حرکت الکترونها در شبکه منظمتر آن با مانع کمتری روبهرو میشود و رسانایی الکتریکی آن از برنج بیشتر است.
برای دستگیره، برنج میتواند مناسبتر باشد. حضور اتمهای روی در شبکه مس، لغزش لایهها را دشوارتر میکند و سختی را افزایش میدهد. نتیجه به این معنی نیست که برنج نارسانا یا مس بدون استحکام است؛ مقایسه نسبی است و انتخاب نهایی باید شرایط دقیق ساخت و استفاده را نیز در نظر بگیرد.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: دو مدل شبکه داریم. در مدل A همه اتمها تقریباً هماندازهاند. در مدل B بیشتر جایگاهها را همان اتمها گرفتهاند، اما تعدادی اتم کوچک در فاصله میان آنها قرار دارد. کدام مدل فلز خالص و کدام آلیاژ بیننشینی را نشان میدهد؟ انتظار داری لغزش لایهها در کدام دشوارتر باشد؟
مدل A نمایش ساده فلز خالص و مدل B آلیاژ بیننشینی است. اتمهای کوچک میاننشین، نظم محلی را تغییر میدهند و مانند مانعی برای لغزش آسان لایهها عمل میکنند؛ پس معمولاً مدل B سختتر و کمشکلپذیرتر است. در پاسخ کامل، از واژه «معمولاً» استفاده کن، زیرا خواص واقعی به مقدار جزء افزودهشده، ریزساختار و روش ساخت نیز وابستهاند.
- ساختار شبکه را پیش از پیشبینی خاصیت مشخص کن
- الکترون نامستقر را به رسانایی ربط بده
- لغزش لایهها را برای توضیح شکلپذیری بررسی کن
- آلیاژ جانشینی و بیننشینی را از محل اتم افزوده تشخیص بده
- بهبود یک خاصیت میتواند با کاهش خاصیتی دیگر همراه باشد
- پیشبینی کیفی را با داده واقعی یا صورت سؤال کنترل کن
برای تحلیل خواص فلزها از ساختار آغاز کن: جاذبه میان بخشهای مثبت شبکه و الکترونهای نامستقر، پیوند فلزی را میسازد؛ حرکت این الکترونها رسانایی را ممکن میکند و باقیماندن جاذبه هنگام لغزش لایهها به چکشخواری و مفتولپذیری کمک میکند. در آلیاژ جانشینی، اتم تازه جای اتم فلز پایه را میگیرد و در آلیاژ بیننشینی، اتم کوچک میان جایگاهها قرار میگیرد. این بینظمی اغلب سختی را افزایش میدهد، اما ممکن است رسانایی یا شکلپذیری را کم کند. پس در هر سؤال، نوع شبکه، محل اتمهای افزوده و خاصیت مورد نیازِ کاربرد را کنار هم بررسی کن.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.