المعادن: التاريخ ، الخصائص ، الأنواع ، الاستخدامات ، الأمثلة - كيمياء - 2025

تتكون المعادن من مجموعة من العناصر الموجودة على الجانب الأيسر ، باستثناء الهيدروجين اللافلزي ، في الجدول الدوري. تشكل المعادن حوالي 75٪ من العناصر الكيميائية ، لذلك يمكن القول أن جزءًا كبيرًا من الطبيعة هو معدن بطبيعته.

المعادن التي عالجها الإنسان في البداية في عصور ما قبل التاريخ هي: الذهب والفضة والنحاس والقصدير والرصاص والحديد. كان هذا بسبب حقيقة أنهم كانوا في حالتهم الأصلية أو لأنه كان من السهل معالجتهم لصنع أشياء مفيدة.

عناصر معدنية باللون الأزرق. الفلزات باللون الأخضر وغير الفلزات باللون البني

يبدو أنه شيء من السحر أنه من أكوام الصخور والمعادن ، يمكن استخراج الأجسام اللامعة والفضية (مع بعض الاستثناءات المهمة والمعلقة). هذا هو الحال بالنسبة للبوكسيت والألمنيوم ، حيث يتم الحصول على هذا المعدن المختزل من صخور الطين في صفائح أو أوراق فضية.

المعادن هي إطار الصناعات. تتكون كابلاتها ومفاعلاتها ووحداتها وحاوياتها بطريقة أو بأخرى من معادن وسبائكها.

تم صنع العملات المعدنية والأسلحة والأدوات والدروع الأولى من المعادن ، لاستخدامها لاحقًا في صناعة المركبات والدراجات والقوارب والطائرات وأجهزة الكمبيوتر ، من بين أشياء أساسية أخرى في الحياة الحديثة.

التاريخ

عصر النحاس

التوسع المعدني - المصدر: Metallurgical diffusion.svg بموجب ترخيص Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License

في عام 9000 قبل الميلاد ، تم صنع أول أجسام معدنية نحاسية مزورة في الشرق الأدنى ، عندما اكتشف الإنسان أن طرق النحاس زادت من قوته ومقاومته ، باستخدامه في صناعة السكاكين. هذا هو العصر النحاسي.

تم اكتشاف أنه يمكن الحصول على النحاس عن طريق تسخين المعادن الزرقاء ، مثل الكورفايت والملاكيت (4000-3000 قبل الميلاد).

العصر الحجري النحاسي هو فترة زمنية تسبق العصر البرونزي ، تقابل 5000-3000 قبل الميلاد.بدأ الإنسان في تجربة اندماج وصهر النحاس ، من أجل الحصول على النحاس المصنوع من أكسيد النحاس.

العصر البرونزي (3000-1500 قبل الميلاد)

مواد من العصر البرونزي - المصدر: Gaguilella بموجب ترخيص Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International.

ربما بدأ الإنسان بطريق الخطأ في صنع السبائك ، في البداية من النحاس والزرنيخ ، وبعد ذلك بالنحاس والقصدير ، للحصول على البرونز في الشرق الأدنى.

كانت المواد البرونزية المقابلة لهذا الوقت تحتوي على 87٪ نحاس و 11٪ قصدير وكميات صغيرة من الحديد والزرنيخ والنيكل والرصاص والأنتيمون.

العصر الحديدي (700 قبل الميلاد)

استخدم الرجل خبرته في إنتاج النحاس المطاوع لإنتاج الحديد المطاوع في الشرق الأدنى. في نفس الفترة الزمنية حدث تحبيب مسحوق إتروسكان في إيطاليا.

ظهر أقدم إنتاج معروف للصلب ، وهو سبيكة من الحديد والكربون ، في قطع من المعدن في موقع أثري في الأناضول (1800 قبل الميلاد)

حوالي 1122 م ، في تاريخ ومكان غير معروفين ، تم إدخال الحديد الزهر. في عام 1440 بعد الميلاد تم إنتاج جرس بكين العظيم ، الصين. بعد ما يقرب من ثلاثة قرون ، في عام 1709 م ، يتم إنتاج الحديد المصهور باستخدام فحم الكوك كمادة وقود.

في عام 1779 ، تم استخدام الحديد الزهر في إنجلترا كمواد معمارية. في عام 1855 ، استخدم هنري بسنير الحديد الزهر كمادة خام للحصول على الفولاذ الطري. سجل The English Clark and Wood (1872) براءة اختراع سبيكة ، تُعتبر حاليًا من الفولاذ المقاوم للصدأ.

الخصائص الفيزيائية للمعادن

يوضح البرونز لهذه الأجراس القديمة فائدة المعادن لأغراض الزينة أو الأغراض الدينية. المصدر: Pxhere.

من بين بعض الخصائص الفيزيائية للمعادن لدينا:

-المعادن لامعة المظهر وقادرة على عكس الضوء.

- بشكل عام فهي موصلة جيدة للكهرباء والحرارة.

- درجات انصهار وغليان عالية.

- إنها مرنة ، أي يمكن طرقها لإنتاج صفائح رقيقة.

- إنها مطيلة ، ويمكن من خلالها تصنيع أسلاك أو ألياف ذات قطر صغير جدًا.

- يتم تقديمها في حالة صلبة ، باستثناء الزئبق السائل في درجة حرارة الغرفة ، والغاليوم الذي يذوب بمجرد الضغط عليه بين يديك. في الصورة التالية يمكنك رؤية وعاء من الزئبق:

- إنها أجسام غير شفافة ، لا يتقاطع الضوء مع صفائحها الرقيقة.

- صلبة جدا ما عدا الصوديوم والبوتاسيوم اللذين يمكن تقطيعهما بالسكين.

- تتميز بكثافة عالية ، حيث يحتوي الأوزميوم والإيريديوم على أعلى كثافة ، والليثيوم أقل كثافة.

الخواص الكيميائية للمعادن

من بين بعض الخصائص الكيميائية للمعادن لدينا:

- تميل إلى فقد الإلكترونات وتشكيل الكاتيونات المعدنية ، M ^{n +} ، حيث يشير n إلى عدد الأكسدة ، والذي يتطابق فقط مع المعادن الأرضية القلوية والقلوية مع رقم التكافؤ.

- كهرسلبيتها منخفضة.

- تتآكل وتتلف بسبب الأكسدة.

- تكوين أكاسيد قاعدية عند التفاعل مع الأكسجين. تشكل هذه الأكاسيد عند دمجها مع الماء هيدروكسيدات معدنية. تتفاعل أكاسيد المعادن مع الأحماض لتكوين الأملاح والماء.

- إنها عوامل اختزال جيدة ، لأنها تتخلى عن إلكتروناتها.

أنواع المعادن

يتم تصنيف المعادن إلى ما يلي: القلوية ، القلوية الترابية ، ما بعد الانتقالية ، الانتقالية وما يسمى بالأتربة النادرة.

الفلزات القلوية

لا توجد عادة خالية في الطبيعة لأنها تتأكسد بسهولة. لديهم شبه مداري s ¹ في غلافهم المداري الخارجي ، لذلك لديهم حالة أكسدة +1. إنها معادن تتفاعل مع الماء بشكل طارد للحرارة وتقلل بشدة.

المعادن الأرضية القلوية

إنها معادن قابلة للطرق والدكتايل. ذرات العناصر في هذه المجموعة لها تكوين s ² ، لذلك يمكنها التخلي عن إلكترونين وحالة الأكسدة الخاصة بها هي +2. باستثناء البريليوم ، فهي قابلة للأكسدة عند التعرض للهواء.

معادن ما بعد الانتقالية

إنها معادن ما يسمى بلوك p ، وتقع بين المعادن الانتقالية والفلزات في الجدول الدوري.

تحتوي عناصر المجموعة 3 على حالات الأكسدة +1 و +3 باعتبارها الأكثر شيوعًا ، على الرغم من أن الألمنيوم له حالة الأكسدة +3 فقط. أيضًا جزء من معادن ما بعد المرحلة الانتقالية يقع بعضها في مجموعات 14 و 15.

المعادن الانتقالية د

إنها تشكل مجموعة توجد بين العناصر المكونة للقاعدة والعناصر المكونة للحمض. المدارات الذرية d و f غير مكتملة وممتلئة. على الرغم من أن مصطلح المعادن الانتقالية يشير إلى المعادن الانتقالية د.

المعادن الانتقالية لها أكثر من حالة أكسدة واحدة. لديهم نقاط انصهار وغليان أعلى من مجموعات المعادن الأخرى. المعادن الانتقالية هي مجموعة غير متجانسة للغاية من المعادن التي تشمل ، من بين أمور أخرى ، الحديد والكروم والفضة ، إلخ.

الأتربة النادرة

خام الأرض النادرة

تتكون هذه المجموعة من المعادن من عناصر سكانديوم وإيتريوم وعناصر سلسلة اللانثانيدات والأكتينيدات. يشير مصطلح "الأتربة النادرة" إلى حقيقة أنها غير موجودة في الطبيعة في حالات نقية ويمكن مهاجمتها بواسطة الأحماض.

التطبيقات

الفلزات القلوية

يستخدم الليثيوم كوسيط لنقل الحرارة في بعض المفاعلات النووية. يتم استخدامه في بعض البطاريات الجافة والمراكم الخفيفة. كلوريد الليثيوم وبروميد الليثيوم عبارة عن مركبات استرطابية تستخدم في عمليات التجفيف الصناعي وتكييف الهواء.

يستخدم الصوديوم في تعدين المعادن ، مثل التيتانيوم والزركونيوم. يتم استخدامه في الإضاءة العامة في مصابيح قوس الصوديوم. يستخدم كلوريد الصوديوم (NaCl) كنكهة غذائية ولحفظ اللحوم.

المعادن الأرضية القلوية

تم استخدام المغنيسيوم في التصوير الفوتوغرافي كضوء فلاش وفي الألعاب النارية. الباريوم هو أحد مكونات السبائك التي تستخدم في شمعات الإشعال لسهولة انبعاث الإلكترونات من العنصر. تستخدم أملاح الباريوم للحد من أضرار الأشعة السينية التي تصيب الصفائح في الجهاز الهضمي.

يستخدم الكالسيوم لإزالة الشوائب الذائبة في المعادن المنصهرة وفي إزالة الغازات العادمة في الأنابيب المفرغة. وهو جزء من الجبس ، وهو مادة تستخدم في البناء وعلاج كسور العظام.

معادن ما بعد الانتقالية

الألمنيوم لأنه معدن خفيف الوزن يستخدم في بناء الطائرات والسفن. كما أنها تستخدم في إنتاج العديد من أدوات المطبخ. يتم استخدامه كمادة خام في صناعة مزيلات العرق التي تحد من التعرق.

يستخدم الغاليوم في الترانزستورات ذات درجة الحرارة العالية ومقاييس الحرارة. يستخدم نظير ⁶⁷ Ga في الطب لعلاج بعض الأورام الميلانينية. يستخدم الرصاص في صناعة البطاريات وفي الحماية من الإشعاع المؤين.

المعادن الانتقالية

يستخدم النحاس في أنابيب إمدادات المياه والثلاجات وأنظمة تكييف الهواء. كما أنها تستخدم كجزء من آلية تبديد الحرارة لأجهزة الكمبيوتر. يتم استخدامه في توصيل التيار الكهربائي وفي المغناطيس الكهربائي وفي تلوين الزجاج.

يستخدم النيكل في صناعة الفولاذ المقاوم للصدأ ، وكذلك في صناعة أوتار الجيتار والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. كما أنها تستخدم في الطلاء الكهربائي في حماية المعادن. يتم استخدامه في السبائك الموجودة في أجزاء السيارة ، مثل الصمامات والمحامل والمكابح.

لطالما استخدم النيكل في صنع العملات المعدنية.

يستخدم الزنك لحماية المعادن من التآكل ، في إنتاج النحاس. يستخدم أكسيد الزنك وكبريتات الزنك في صناعة الألواح المستخدمة في الأسطح والمزاريب وأنبوب التصريف.

يستخدم الكروم لحماية المعادن من التآكل ويمنحها لمعاناً. يتم استخدامه كعامل مساعد في تفاعل تخليق الأمونيا (NH ₃). يستخدم أكسيد الكروم لحماية الخشب.

الأتربة النادرة

يستخدم سكانديوم في سبائك الألومنيوم لمكونات الطيران. وهي مادة مضافة في مصابيح بخار الزئبق.

يستخدم اللانثانم في الزجاج المقاوم للقلويات وعالي الانكسار. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه في تصنيع عدسات الكاميرات وكمحفز تكسير تحفيزي لمصافي النفط.

يستخدم السيريوم كعامل مؤكسد كيميائي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه لتوفير لون أصفر في الزجاج والسيراميك ، بالإضافة إلى محفز للأفران ذاتية التنظيف.

أمثلة على العناصر المعدنية

قلوية

الصوديوم (Na) والبوتاسيوم (K) والسيزيوم (Cs) والليثيوم (Li) والروبيديوم (Ru).

قلوية ترابية

البريليوم (Be) والمغنيسيوم (Mg) والكالسيوم (Ca) والسترونشيوم (Sr) والباريوم (Ba) والراديوم (Ra).

ما بعد الانتقالية

الألومنيوم (Al) ، الغاليوم (Ga) ، الإنديوم (In) ، الثاليوم (Tl) ، القصدير (Sn) والرصاص (Pb).

انتقالي

التيتانيوم (Ti) ، الفاناديوم (V) ، الكروم (Cr) ، المنغنيز (Mn) ، الحديد (Fe) ، الكوبالت (Co) ، النيكل (Ni) ، النحاس (Cu) ، الزنك (Zn) ، الزركونيوم (Zr) ، النيوبيوم (Nb) ، الموليبدينوم (Mo) ، البلاديوم (Pd) ، الفضة (Ag) ، التنجستن (W) ، الرينيوم (Re) ، الأوزميوم (Os) ، الإيريديوم (Ir) ،

البلاتين (نقطة) والذهب (أستراليا) والزئبق (الزئبق).

الأتربة النادرة

سكانديوم (Sc) ، الإيتريوم (Y) ، اللانثانم (La) ، السيريوم (Ce) ، البراسيوديميوم (Pr) ، النيوديميوم (Nd) ، السماريوم (Sm) ، اليوروبيوم (الاتحاد الأوروبي) ، الجادولينيوم (Gd) ، الهولميوم (Ho) ، الإربيوم (Er) ، الثوليوم (Tm) ، الإيتربيوم (Yb) واللوتيتيوم (Lu).

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. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (05 أكتوبر 2019). المعادن مقابل اللافلزات. تم الاسترجاع من: thinkco.com
4. المعادن وخصائصها - الفيزيائية والكيميائية.. تم الاسترجاع من: csun.edu
5. جوناثان ميس. (2019). 18 أنواعًا مختلفة من المعادن (حقائق واستخدامات). تم الاسترجاع من: makeitfrommetal.com