الرابطة المعدنية: الخصائص وكيف تتشكل وأمثلة - كيمياء - 2025

و السندات المعدني هو الذي يحمل ذرات العناصر المعدنية بإحكام معا. وهي موجودة في المعادن وتحدد جميع خواصها الفيزيائية التي تميزها بأنها مواد صلبة وقابلة للطرق وقابلة للطرق وموصلات جيدة للحرارة والكهرباء.

من بين جميع الروابط الكيميائية ، فإن الرابطة المعدنية هي الوحيدة التي لا توجد فيها الإلكترونات بشكل حصري بين زوج من الذرات ، ولكن يتم فصلها بين الملايين منها في نوع من الغراء أو "بحر من الإلكترونات" التي تربطها ببعضها البعض بإحكام. أو متماسك.

السندات المعدنية النحاسية

على سبيل المثال ، افترض معدن النحاس. في النحاس ، تتخلى ذرات النحاس عن إلكترونات التكافؤ لتشكيل الرابطة المعدنية. يتم تمثيل فوق هذه الرابطة كاتيونات Cu ²⁺ (دوائر زرقاء) محاطة بالإلكترونات (دوائر صفراء). الإلكترونات ليست ثابتة: إنها تتحرك في جميع أنحاء الكريستال النحاسي. ومع ذلك ، في المعادن لا نتحدث رسميًا عن الكاتيونات ، ولكن عن ذرات المعادن المحايدة.

يتم التحقق من الرابطة المعدنية من خلال فحص خصائص العناصر المعدنية وسبائكها. إنها تدمج سلسلة من المواد اللامعة والفضية والصلبة والصلبة ، والتي تحتوي أيضًا على نقاط انصهار وغليان عالية.

كيف تتكون الرابطة المعدنية؟

الرابطة المعدنية في الزنك

تتكون الرابطة المعدنية فقط بين مجموعة واحدة أو مجموعة ذرات معدنية. من أجل أن تنتقل الإلكترونات عبر البلورة المعدنية ، يجب أن يكون هناك "طريق سريع" يمكن أن يسافروا عليه. تم تصميم هذا من تداخل جميع المدارات الذرية للذرات المجاورة.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك صفًا من ذرات الزنك ، Zn ··· Zn ··· Zn ···. تتداخل هذه الذرات مع مدارات التكافؤ الذرية الخاصة بها لتكوين مدارات جزيئية. في المقابل ، تتداخل هذه المدارات الجزيئية مع مدارات أخرى لذرات الزنك المجاورة.

تساهم كل ذرة من الزنك بإلكترونين للمساهمة في الرابطة المعدنية. وبهذه الطريقة ، فإن التداخل أو اتحاد المدارات الجزيئية والذرات التي تبرع بها الزنك تنشأ "طريقًا سريعًا" يتم من خلاله فصل الإلكترونات في جميع أنحاء البلورة كما لو كانت عبارة عن غراء أو بحر من الإلكترونات ، تغطي أو تستحم جميع الذرات المعدنية.

خصائص الرابطة المعدنية

الهياكل

تنشأ الرابطة المعدنية هياكل مدمجة ، حيث تتحد الذرات بشكل وثيق ، دون مسافة كبيرة تفصل بينها. اعتمادًا على نوع الهيكل المحدد ، توجد بلورات مختلفة ، بعضها أكثر كثافة من البعض الآخر.

في الهياكل المعدنية ، لا يتحدث المرء عن الجزيئات ، بل عن الذرات المحايدة (أو الكاتيونات ، وفقًا لوجهات نظر أخرى). بالعودة إلى مثال النحاس ، في بلوراته المضغوطة لا توجد جزيئات Cu ₂ ، مع رابطة تساهمية Cu-Cu.

إعادة تنظيم

السندات المعدنية لها خاصية إعادة تنظيم نفسها. هذا لا يحدث مع الروابط التساهمية والأيونية. إذا انكسرت الرابطة التساهمية ، فلن تتشكل كما لو لم يحدث شيء. أيضًا ، الشحنات الكهربائية على الرابطة الأيونية ثابتة ما لم يحدث تفاعل كيميائي.

خذ على سبيل المثال الزئبق المعدني لشرح هذه النقطة.

الرابطة المعدنية بين ذرتين من الزئبق المتجاورتين ، Hg ··· Hg ، يمكن أن تنكسر وتتشكل مرة أخرى مع ذرة مجاورة أخرى إذا تعرضت البلورة لقوة خارجية تشوهها.

وبالتالي ، يتم إعادة تنظيم الرابطة بينما يخضع الزجاج للتشوه. وهذا يعطي المعادن خصائص كونها مواد مطيلة وقابلة للطرق. وإلا فإنها سوف تنكسر مثل قطع الزجاج أو السيراميك ، حتى عندما تكون ساخنة.

الموصلات الحرارية والكهربائية

الخاصية التي تتمتع بها الرابطة المعدنية المتمثلة في عدم تمركز إلكتروناتها تمنح المعادن أيضًا القدرة على توصيل الحرارة والكهرباء. هذا لأنه ، نظرًا لأن الإلكترونات غير محددة وتتحرك في كل مكان ، فإنها تنقل الاهتزازات الذرية بشكل فعال كما لو كانت موجة. تترجم هذه الاهتزازات إلى حرارة.

من ناحية أخرى ، عندما تتحرك الإلكترونات ، تُترك المساحات الفارغة خلفها يمكن للآخرين أن يشغلوها ، وبالتالي يكون هناك شاغر إلكتروني يمكن من خلاله "تشغيل" المزيد من الإلكترونات وبالتالي إنشاء تيار كهربائي.

من حيث المبدأ ، دون التطرق إلى النظريات الفيزيائية الكامنة وراء الظاهرة ، هذا هو التفسير العام للتوصيل الكهربائي للمعادن.

بريق معدني

يمكن للإلكترونات غير المحددة والمتنقلة أيضًا أن تتفاعل مع الفوتونات في الضوء المرئي وترفضها. اعتمادًا على كثافة المعدن وسطحه ، يمكن أن يظهر درجات مختلفة من الرمادي أو الفضي ، أو حتى لمعان قزحي الألوان. أكثر الحالات استثنائية هي تلك الخاصة بالنحاس والزئبق والذهب ، التي تمتص فوتونات ترددات معينة.

إلغاء تحديد موقع الإلكترون

لفهم الرابطة المعدنية ، من الضروري فهم المقصود من عدم تمركز الإلكترونات. من المستحيل تحديد مكان وجود الإلكترونات. ومع ذلك ، يمكن تقدير منطقة الفضاء التي من المحتمل أن توجد فيها. في الرابطة التساهمية AB ، يتم توزيع زوج الإلكترونات في الفراغ الذي يفصل بين الذرات A و B ؛ ثم يقال إنهم يقعون بين A و B.

ومع ذلك ، في الرابطة المعدنية AB ، لا يمكن القول أن الإلكترونات تتصرف بنفس الطريقة كما في الرابطة التساهمية AB. لا تقع بين ذرتين محددتين من A و B ، ولكنها تنتشر أو توجه إلى أجزاء أخرى من المادة الصلبة حيث توجد أيضًا مدمجة ، أي ذرات A و B.

عندما يكون الأمر كذلك ، يُقال إن إلكترونات الرابطة المعدنية غير متوضعة: فهي تتحرك في أي اتجاه حيث توجد ذرات من A و B ، كما هو موضح في الصورة الأولى مع ذرات النحاس وإلكتروناتها.

لذلك ، في الرابطة المعدنية نتحدث عن عدم تمركز هذه الإلكترونات ، وهذه الخاصية مسؤولة عن العديد من الخصائص التي تمتلكها المعادن. كما أن نظرية بحر الإلكترونات مبنية عليه.

أمثلة على الروابط المعدنية

فيما يلي بعض الروابط المعدنية الشائعة الاستخدام في الحياة اليومية:

- عناصر معدنية

الزنك

الرابطة المعدنية في الزنك

في الزنك ، وهو معدن انتقالي ، ترتبط ذراته برابطة معدنية.

الذهب (Au)

الذهب الخالص ، مثل سبائك هذه المواد مع النحاس والفضة ، يستخدم حاليًا بشكل كبير في المجوهرات الراقية.

النحاس (نحاس)

يستخدم هذا المعدن على نطاق واسع في التطبيقات الكهربائية ، وذلك بفضل خصائصه الممتازة في توصيل الكهرباء.

الفضة (حج)

نظرًا لخصائصه ، يستخدم هذا المعدن على نطاق واسع في كل من تطبيقات المجوهرات الراقية وفي المجال الصناعي.

نيكل (ني)

وعادة ما تستخدم في حالتها النقية في صناعة العملات المعدنية أو البطاريات أو المسبك أو الأجزاء المعدنية المختلفة.

الكادميوم (سي دي)

وهي مادة شديدة السمية وتستخدم في صناعة البطاريات.

البلاتين (نقطة)

يتم استخدامه في المجوهرات الراقية (السبائك مع الذهب) ، وفي صناعة أدوات القياس المعملية وزراعة الأسنان.

التيتانيوم (Ti)

يستخدم هذا المعدن بشكل شائع في الهندسة ، وكذلك في تصنيع غرسات العظام والتطبيقات الصناعية والمجوهرات.

الرصاص (الرصاص)

تُستخدم هذه المادة في تصنيع الموصلات الكهربائية ، وبشكل أكثر تحديدًا ، لتصنيع الغلاف الخارجي لكابلات الهاتف والاتصالات.

- المركبات المعدنية

الصلب المشترك

ينتج تفاعل الحديد مع الكربون الفولاذ العادي ، وهي مادة أكثر مقاومة للإجهاد الميكانيكي مقارنة بالحديد.

ستانلس ستيل

يمكن العثور على تباين في المادة المذكورة أعلاه من خلال الجمع بين الفولاذ الشائع مع المعادن الانتقالية مثل الكروم والنيكل.

برونزية

يتم إنتاجه عن طريق الجمع بين النحاس والقصدير ، بنسبة تقريبية تبلغ 88٪ و 12٪ على التوالي. يتم استخدامه في صنع العملات المعدنية والأدوات والحلي العامة.

سبائك الزئبق

تنتج سبائك مختلفة من الزئبق مع معادن انتقالية أخرى ، مثل الفضة والنحاس والزنك ، الحشوات المستخدمة في طب الأسنان.

سبائك الكروم البلاتين

يستخدم هذا النوع من السبائك على نطاق واسع في صناعة شفرات الحلاقة.

بيلتر

تُستخدم سبيكة القصدير والأنتيمون والأغلفة والبزموت بشكل شائع في صناعة الأواني المنزلية.

نحاس

يتم إنتاجه عن طريق الجمع بين النحاس والزنك ، بنسبة 67٪ و 33٪ على التوالي. يتم استخدامه في تصنيع عناصر الأجهزة.

بحر نظرية الإلكترون

تمثيل بسيط لبحر من الإلكترونات. المصدر: المسكيد

توضح الصورة أعلاه مفهوم بحر الإلكترون. وفقًا لنظرية بحر الإلكترونات ، تفرز ذرات المعادن إلكترونات التكافؤ (الشحنات السالبة) لتصبح أيونات ذرية (شحنة موجبة). تصبح الإلكترونات المحررة جزءًا من البحر حيث يتم تحديد موقعها لكل بوصة من البلورة المعدنية.

ومع ذلك ، هذا لا يعني أن المعدن يتكون من أيونات ؛ ذراته محايدة في الواقع. نحن لا نتحدث عن أيونات Hg ⁺ في الزئبق السائل ، ولكن عن ذرات Hg متعادلة.

هناك طريقة أخرى لتصور بحر الإلكترونات من خلال افتراض حياد الذرات. وهكذا ، على الرغم من أنها تمنح إلكتروناتها لتعريف الرابطة المعدنية التي تحافظ على تماسكها بإحكام ، فإنها تتلقى أيضًا على الفور إلكترونات أخرى من مناطق أخرى من البلورة ، بحيث لا تكتسب أبدًا شحنة موجبة.

تشرح هذه النظرية سبب كون المعادن مطيلة وقابلة للطرق وكيف يمكن إعادة ترتيب الروابط للسماح بتشوه البلورة دون أن تنكسر. يسمي بعض الناس هذا البحر من الإلكترونات "الأسمنت الإلكتروني" ، لأنه قادر على الحركة ، ولكن في ظل الظروف العادية ، فإنه يتصلب ويحافظ على ثبات الذرات المعدنية.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
3. ويكيبيديا. (2020). رابطة فلزية. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
4. محررو Encyclopaedia Britannica. (4 أبريل 2016). السندات معدنية. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com
5. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (29 يناير 2020). الرابطة المعدنية: التعريف والخصائص والأمثلة. تم الاسترجاع من: thinkco.com
6. جيم كلارك. (29 سبتمبر 2019). رابطة فلزية. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
7. ماري إلين إليس. (2020). ما هي الرابطة المعدنية؟ - التعريف والخصائص والأمثلة. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com