المعادن والمواد اللافلزية: الخصائص الفيزيائية والسلوك الكيميائي والاستخدامات (مع رسم بياني)
على أساس خصائصها العامة ، غالباً ما تنقسم العناصر إلى فئتين - المعادن واللافلزات. أكثر من 110 عناصر معروفة اليوم. من هذه ، 24 منها غير معدنية والباقي معادن.
الخصائص الفيزيائية:
نحن نبحث بشكل عام عن المعدن عندما نحتاج إلى مادة قوية. هذا لأن المعادن صلبة وقوية بوجه عام. بعض الأمثلة على المعادن هي البوتاسيوم (K) ، الكالسيوم (Ca) ، الصوديوم (Na) ، المغنيسيوم (Mg) ، الألومنيوم (Al) ، الحديد (Fe) ، الزنك (Zn) ، القصدير (Sn) ، النحاس (Cu) ، الزئبق (الزئبق) والفضية (Ag) والذهب (الاتحاد الأفريقي) والبلاتين (Pt).
المعادن:
المعادن لها الخصائص العامة التالية:
1. هي مواد صلبة قوية بشكل عام ، مثل الألومنيوم والحديد والزنك والقصدير والنحاس. فهي قوية بما يكفي لتحمل الأحمال الثقيلة ، أي أن لديها قوة شد عالية.
استثناءات:
الصوديوم والبوتاسيوم هي مواد صلبة ناعمة يمكن قطعها بسكين ، والزئبق سائل في الظروف العادية.
2. لديهم بريق ، والمعروف باسم بريق معدني. على سبيل المثال ، الألمنيوم والحديد والزنك والنحاس والفضة والذهب كلها لامع. يمكن تلميع هذه المعادن أيضا.
3. المعادن هي رنان. عندما ضرب ، فإنها تنتج صوت يسمى صوت معدني أو صلصلة معدنية. أذكر رنين جرس أو قطعة من العملات.
4. المعادن قابلة للطرق. وبعبارة أخرى ، يمكن ضربهم أو تدحرجهم إلى صفائح. الألومنيوم أو الحديد أو النحاس أو الفضة يمكن أن يتعرض للضرب أو التدحرج إلى صفائح رقيقة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك رقائق الفضة المستخدمة في تزيين الحلويات وورق الألمنيوم المستخدم في تغليف المواد الغذائية.
5. المعادن هي الدكتايل ، أي أنها مرنة ويمكن سحبها إلى الأسلاك. على سبيل المثال ، يمكن بسهولة سحب الحديد والألمنيوم والنحاس والفضة والذهب إلى أسلاك.
هل يمكنك رسم سلك من قطعة من الخشب أو الفحم؟ لا ، لأن الخشب والفحم هشان ، وليست مرنة.
6. المعادن هي الموصلات الجيدة للحرارة ، أي أنها تسمح للحرارة بالمرور خلالها بسهولة. بسبب هذه الخاصية ، نستخدم الأدوات المعدنية في المطابخ. يتم إجراء الحرارة في مكان واحد من الأواني في كل مكان.
لا يمكنك استخدام مقلاة مصنوعة من الورق المقوى مثلاً لأنها موصل سيئ للحرارة. عند وضعه فوق النار ، لا يقوم الورق المقوى بتوزيع الحرارة في جميع أنحاء المقلاة. بدلا من ذلك ، يبدأ حرق بسبب الحرارة المترجمة.
7. المعادن هي الموصلات الجيدة للكهرباء ، أي أنها تسمح للتيار الكهربائي بالمرور خلالها بسهولة. ولهذا السبب تنتقل الكهرباء من نقطة إلى أخرى عبر الأسلاك المعدنية ، مثل أسلاك النحاس أو الألومنيوم.
الفضة هي أفضل موصل للكهرباء. والأفضل هو النحاس والألمنيوم. لا يمكنك استخدام حبال النايلون أو الجوت للإرسال الكهربائي ، لأن النايلون والجوت موصلان سيئون للكهرباء.
اللا فلزات:
وعلى النقيض من المعادن ، فإن المعادن اللافلزية ليست معروفة بالقوة. هم انهم
أنا. عادة ما تكون غير مهلهلة (ممل) ، باستثناء الجرافيت واليود ،
ثانيا. هش (إذا كان صلبًا) ،
ثالثا. الموصلات سيئة من الحرارة ،
د. الموصلات سيئة للكهرباء (باستثناء الجرافيت) ، و
ضد غير رعوي (أي أنها لا تنتج صلصلة معدنية).
من 24 غير معدنية معروفة اليوم ،
السادس. 12 هي مواد صلبة (مثل الكربون ، السليكون ، الفوسفور ، الكبريت ، اليود) ،
السابع. 1 هو السائل (البروم) ، و
الثامن. 11 عبارة عن غازات (مثل الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفلور والكلور والهيليوم والنيون والأرجون) في الظروف العادية.
نشاط:
باستخدام دائرة كهربائية من النوع الموضح في الشكل 6.4 ، يمكنك بسهولة اختبار ما إذا كان شيء ما يدير الكهرباء أم لا. سوف تتوهج اللمبة عندما تكون مادة الاختبار معدنية ، مثل المفتاح ، ولكن ليس عندما تكون غير معدنية ، مثل كتلة من الخشب.
شحذ قلم رصاص صغير عند كلا الطرفين ، وقم بتوصيل طرفي نهايتين من "الرصاص" إلى الدائرة. سوف تتوهج اللمبة ، موضحة أن "الرصاص" في القلم يؤدي الكهرباء. يتكون "الرصاص" من قلم رصاص من خليط من الطين والجرافيت ، والجرافيت (شكل من أشكال الكربون) هو موصل جيد للكهرباء.
السلوك الكيميائي للمعادن:
على الرغم من أن معظم المعادن تخضع لأنواع مماثلة من التفاعلات ، فإن "النشاط" الذي تتفاعل معه ليس هو نفسه. بعضها أكثر نشاطًا من البعض الآخر. يتم ترتيب المعادن جنبا إلى جنب مع الهيدروجين (غير اللافلزية) في ترتيب نشاطها في سلسلة ، تسمى سلسلة النشاط ، كما هو مبين في الشكل 6.5. هذه السلسلة تساعدنا على فهم تفاعلات المعادن.
عمل الهواء على المعادن:
الأكسجين الموجود في الهواء يعمل على المعادن لتشكيل أكاسيدها. إن المعادن مثل البوتاسيوم (الصوديوم) والصوديوم (Na) ، الموضوعة في سلسلة عالية جداً نشطة لدرجة أنها تتفاعل بسرعة كبيرة مع الهواء وتشكل أكاسيدها. لذلك ، يتم تخزين البوتاسيوم والصوديوم تحت الكيروسين.
يتفاعل المغنيسيوم والألمنيوم والحديد ببطء مع الهواء. عندما تُعرض مكشوفة ، يتم تلطيخها (تفقد لمعانها) بسبب تشكل طبقة رقيقة من الأكسيد فوق سطحها. عند تسخينها في الهواء (أو الأكسجين) ، فإن هذه المعادن تتفاعل بشكل أسرع. على سبيل المثال ، قطعة من المغنيسيوم ، عندما تشتعل ، تحترق في الهواء مع ضوء أبيض مبهر. عندما يحترق المغنيسيوم في جرة غاز مفتوحة ، تترسب جسيمات صلبة بيضاء من MgO على الجدار الداخلي للجرار.
كما تعلم ، يصدأ الحديد ببطء في الهواء الرطب. الصدأ هو أكسيد مائي من الحديد Fe 2 0 3 xH 2 0 (يختلف عدد جزيئات H 2 O).
تبقى المعادن أسفل السلسلة تحتفظ ببريقها لفترة أطول لأنها لا تتفاعل مع الهواء بسهولة. عندما يسخن بقوة في الهواء ، يشكل النحاس أكسيد أسود (CuO) ، لكن الفضة (Ag) والذهب (Au) لا تفعل ذلك.
عندما يمتد العمل الكيميائي للهواء إلى أبعد من التشويه ، تتشكل المركبات ببطء من المعدن. وهذا ما يسمى التآكل. الصدأ (من الحديد) هو مثال شائع للتآكل. كما تتأكل المعادن الأخرى ، مثل المغنيسيوم والألمنيوم والزنك والنحاس ، بسبب عمل الهواء الطويل. يشكل النحاس مادة صلبة خضراء على سطحه ، في حين يشكل الآخرون (باستثناء الحديد) مواد صلبة بيضاء رمادية اللون.
إزاحة معدن بآخر:
يزيل معدن أكثر نشاطًا معدنًا أقل نشاطًا من مركبات الأخير في المحلول. على سبيل المثال ، يقوم الألمنيوم والحديد بتهجير النحاس من محلول كبريتات النحاس.
نشاط:
حل بعض بلورات النحاس (الثاني) كبريتات (CuSO 4 5H 2 O ، والذي يسمى أيضا زاج أزرق) في الماء. ضع مسمار حديد في المحلول. في غضون ذلك ، يصبح جزء الظفر الموجود داخل المحلول أحمر. ويرجع ذلك إلى ترسب طبقة من النحاس على سطح الظفر. سيتغير لون المحلول ببطء من اللون الأزرق إلى اللون الأخضر بسبب تكوين كبريت الحديد (II).
يمكنك تكرار هذا النشاط باستخدام قطعة من المغنيسيوم أو الألمنيوم بدلاً من الظفر. سيتم ترسيب النحاس ولكن الحل الناتج سيكون عديم اللون لأن سلفات المغنيزيوم وكبريتات الألومنيوم عديمة اللون.
إزاحة الهيدروجين من الماء:
المعادن أعلى من الهيدروجين في سلسلة النشاط تحل محل الهيدروجين من الماء. تلك تحت الهيدروجين لا. أيضا ، كلما كان المعدن أكثر فاعلية ، كلما تفاعل بقوة مع الماء. وهكذا يتفاعل البوتاسيوم والصوديوم بقوة حتى مع الماء البارد ، بينما يتفاعل المغنسيوم فقط مع البخار. يستمر حرق قطعة من المغنيسيوم بقوة في الاحتراق ، عندما يتم الاتصال بالبخار.
نشاط:
يمكنك تنفيذ النشاط التالي بمساعدة معلمك. قطع قطعة صغيرة من الصوديوم وإزالة الكيروسين عن طريق الضغط على قطعة بين طيات ورقة الترشيح. أسقط قطعة المعدن في حوض ماء.
يذوب ليشكل كرة بيضاء ناصعة تسخر من سطح الماء بصوت هسهسة. سوف تلاحظ أيضا وجود شعلة صفراء فوق الكرة الأرضية وتسمع "الملوثات العضوية الثابتة" المتقطعة. وذلك لأن الحرارة المتطورة في التفاعل يذوب المعدن وينتج الهيدروجين نيران الصيد.
بعد التفاعل ، فإن "الماء" في الحوض الصغير سيحول ورقة حمراء زرقاء اللون بسبب هيدروكسيد الصوديوم (القلوي) المتكون.
إزاحة الهيدروجين من الأحماض:
المعادن فوق الهيدروجين في سلسلة النشاط تحل محل الهيدروجين من حمض الهيدروكلوريك والكبريتيك المخفف ، ولكن تلك الموجودة تحت الهيدروجين لا تفعل ذلك. أيضا ، انخفاض تفاعل المعدن أسفل السلسلة.
هل يحرر النحاس أو الفضة الهيدروجين من الأحماض المخففة؟ لا ، لأنها أقل نشاطًا من الهيدروجين.
ردود الفعل مع القواعد:
فقط بعض المعادن (مثل الألومنيوم والزنك) تذوب في القلويات مثل هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد البوتاسيوم ، وتشكل الأملاح وتحرر الهيدروجين. تذكر أن هذه التفاعلات لا تحدث مع هيدروكسيد الأمونيوم ، وهو أيضًا مادة قلوية.
الألومنيوم + هيدروكسيد البوتاسيوم ← ألومينات البوتاسيوم + الهيدروجين
الزنك + هيدروكسيد الصوديوم → زنك الصوديوم + الهيدروجين
السلوك الكيميائي من اللافلزات:
المواد اللافلزية هي أكثر تفاعلاً مع المعادن منها مع اللافلزات الأخرى. على سبيل المثال ، يعمل الكلور على صوديوم كلوريد الصوديوم ، ويعمل الأكسجين على الصوديوم الذي يتكون من أكسيد الصوديوم ، لكن الكلور لا يتفاعل مع الأكسجين. عموما ، تتفاعل اللافلزات مع بعضها البعض فقط في درجات الحرارة المرتفعة.
العمل من الهواء:
باستثناء الفسفور الأبيض (يحتوي الفوسفور على العديد من الأصناف - الأبيض والأحمر والأسود) ، لا تتفاعل اللافلزات مع الهواء عند درجة حرارة الغرفة. الفسفور الأبيض يحترق في الهواء (أو الأكسجين) في درجات حرارة عادية لتشكيل أكاسيدها. وبالتالي ، يتم تخزينها تحت الماء.
الهيدروجين ، عندما ينير في الهواء (أو الأكسجين) ، يحترق مع "البوب" لتشكيل الماء.
عندما يشتعل في الهواء (أو الأكسجين) ، يحترق الكربون والكبريت ليشكل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت (SO 2 ) على التوالي. في عدم كفاية إمداد الهواء ، يشكل الكربون أيضًا أول أكسيد الكربون (CO).
العمل من الماء:
بشكل عام ، لا تتفاعل اللافلزات مع الماء. ومع ذلك ، يذوب الكلور في الماء لتشكيل محلول حمضي. عندما يتم وضع المحلول في ضوء الشمس أو تسخينه ، يتم تحرير الأكسجين ويتم ترك حمض الهيدروكلوريك في الخلف.
عندما يتم تمرير البخار فوق فحم الكوك الحار (الكربون) ، يتم تكوين خليط غازي من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. هذا المزيج ، المسمى بغاز الماء ، له العديد من الاستخدامات الصناعية.
إزاحة واحدة غير معدنية بواسطة أخرى من محلول الملح:
مثل المعادن ، تختلف اللاملحمات أيضا في إعادة نشاطها. هذا هو أفضل ملاحظة بين العناصر ذات الخصائص المشابهة ، والتي يقال أنها تشكل أسرة. على سبيل المثال ، الفلور (F) ، الكلور (CI) ، البروم (Br) واليود (I) تشكل عائلة الهالوجين.
من بين الهالوجينات الشائعة (CI ، Br و I) ، الكلور هو الأكثر نشاطاً ، البروم أقل من الكلور ، واليود الأقل. لذلك يزيل الكلور البروم واليود من محاليل بروميد الصوديوم واليود الصوديوم.
عموما ، لا تعمل الأحماض والقواعد على اللافلزات في ظل الظروف العادية.
استخدامات المعادن:
من دبابيس السلامة إلى الجسور ، تستخدم المعادن لصنع العديد من الأشياء التي تشكل جزءًا لا يتجزأ من حياتنا.
1. تستخدم الأسلاك النحاسية بشكل عام للتوصيلات الداخلية وأسلاك الألومنيوم من أجل النقل الكهربائي للمسافات الطويلة. الألومنيوم أخف وأرخص من النحاس.
2. الحديد معدن مفيد جدا لأنه قاسي ، قوي ورخيص. يتم استخدامه لصنع الأدوات والآلات والمعدات الزراعية ، وأيضا في بناء المنازل.
لمنع الصدأ ، الحديد غالبا ما يكون مجلفن. في هذه العملية ، يتم غمر مادة حديدية في الزنك المنصهر ومن ثم يسمح لها بالتبريد. يشكل الزنك طبقة قوية من الحديد ويمنع الصدأ. يستخدم الحديد المجلفن لعمل جذوع وأنابيب مياه وأسلاك شائكة وشبكات أسلاك. يستخدم الحديد المطلي بالقصدير لصنع العلب.
3. الحديد والألومنيوم والنحاس تستخدم في صنع الأواني.
4. كما تعلمون ، يحترق المغنيسيوم في الهواء مع ضوء أبيض مبهر عند اشعاله. لذلك ، يتم استخدامه في الألعاب النارية.
5. الزئبق لا يلتصق بالزجاج. في نفس الوقت ، إنه موصل جيد للحرارة. لذلك يتم استخدامه لصنع موازين الحرارة.
6. تسمى الفضة والذهب والبلاتين المعادن النبيلة لأنها لا تتفاعل بسهولة مع المواد الأخرى. بمجرد صقلها ، فإنها تحتفظ بريقها لفترة طويلة. هم ، لذلك ، تستخدم لصنع المجوهرات. يتم خلط الذهب بكميات صغيرة من الفضة والنحاس لجعلها صعبة.
7. السبائك هي خلائط صلبة متجانسة من المعادن ، أو المعادن واللافلزات. يتم إجراء صناعة السبائك لجعل المعدن الأم أقوى. بعض الأمثلة الشائعة على السبائك هي الصلب (خليط من الحديد ، كميات صغيرة جداً من الكربون والمنجنيز) ، والنحاس (خليط من النحاس والزنك) والبرونز (خليط من النحاس والقصدير).
8. تستخدم رقائق الألومنيوم ، وهي خفيفة جدا ، لحزم الأغذية والأدوية ، الخ. ويستخدم الألومنيوم أيضا في صنع الأسلاك والأدوات الكهربائية.
9. كانت الأسنان الاصطناعية في وقت سابق مصنوعة عادة من الفضة أو الذهب. تمتلئ تجاويف الأسنان بما يعرف بملغمات الأسنان - سبائك الفضة أو الشكل 6-12 استخدامات القصدير الألومنيوم مع الزئبق.
استخدامات اللافلزات:
دعونا دراسة استخدامات بعض nonmetals المشتركة.
الأكسجين:
الأكسجين هو أهم اللافلزات في حياتنا. نحن ومعظم الكائنات الحية الأخرى في حاجة إليها للتنفس.
بعض من استخداماتها الأخرى هي كما يلي:
أنا. جميع عمليات الاحتراق تحتاج إلى الأكسجين.
ثانيا. باستخدام الأسيتيلين ، يتم استخدام الأكسجين في مشاعل الاوكسيتيلين لقطع و لحام المعادن.
ثالثا. هو مطلوب لاستخراج المعادن من خاماتهم ولإنتاج الفولاذ من الحديد.
د. يتم استخدامه في تصنيع الأحماض الكبريتيه والنيترية.
ضد الأكسجين السائل يستخدم لحرق وقود الصواريخ.
نتروجين:
أنا. تستخدم النباتات النيتروجين لتصنيع البروتينات.
ثانيا. يستخدم النيتروجين السائل للحفاظ على الدم ، القرنيات أو غيرها من الأجهزة المتبرع بها.
ثالثا. بسبب الخمول (غير التفاعلية) ، يتم استخدامه لملء الحزم الغذائية. (الغذاء لا يسوء في وسط خامل.)
د. يتم استخدامه في تصنيع الأمونيا واليوريا.
كربون:
الفحم و السدادة هي أشكال غير بلورية من الكربون. تم العثور على الكربون في شكلين بلوريين - الماس والجرافيت ، والتي لها الاستخدامات التالية.
أنا. يستخدم الماس كجوهرة أيضًا لقطع الصخور أو الزجاج.
ثانيا. الجرافيت هو موصل جيد للكهرباء ، ولذلك يستخدم كقطب كهربائي.
ثالثا. الجرافيت هو زيوت التشحيم الجيدة. نظرًا لأن نقطة الانصهار عالية ، يمكن استخدامها كمواد تشحيم في الآلات التي تحصل على درجات حرارة عالية أثناء تشغيلها.
د. يستخدم الجرافيت أيضا في تصنيع أقلام الرصاص.
الكبريت:
هذه المادة الصلبة الصفراء لها استخدامات متعددة.
أنا. يتم استخدامه في تصنيع الأصباغ والمباريات والألعاب النارية والبارود.
ثانيا. يتم استخدامه في العديد من الأدوية وكمبيد للفطريات لقتل الفطريات الضارة.
ثالثا. كما أنها تستخدم في معالجة المطاط وتصنيع حامض الكبريتيك.
الكلور:
هذا الغاز الأصفر المخضر يحتوي على الاستخدامات التالية.
أنا. يتم استخدامه في صناعة البلاستيك ، البولي فينيل كلوريد (PVC) مفيد.
ثانيا. يتم استخدامه لتطهير الماء ، لأنه يقتل الجراثيم. ويتم ذلك إما عن طريق تمرير غاز الكلور عبر الماء أو عن طريق معالجة الماء باستخدام مسحوق التبييض.
ثالثا. يتم استخدامه كعامل تبيض في صناعة الورق والنسيج. عوامل التبييض المنزلية تحتوي أيضا على مركبات الكلور.
د. يستخدم الكلور في تصنيع حمض الهيدروكلوريك.
v. كما أنها تستخدم في تصنيع المبيدات الحشرية ، مثل Gammexane.
اليود:
على الرغم من كونه غير معدني ، إلا أن اليود هو صلب أسود لامع. يتألق ببطء لتشكيل بخار البنفسجي على الصلبة داخل زجاجة stoppered.
أنا. اليود هو مطهر. ويعرف حل اليود في الكحول (مع بعض يوديد البوتاسيوم) بصبغة اليود. صبغة اليود بنية حمراء ، ويتم تطبيقها على الجروح. عجينة من اليود في الفازلين تعطيك تخفيف الألم.
ثانيا. في شكل مركب ، يتم استخدامه في الملح المعالج باليود لمنع أمراض مثل تضخم الغدة الدرقية.
غازات نبيلة:
يطلق على الهيليوم والنيون والأرجون ، وما إلى ذلك ، الغازات النبيلة بسبب طبيعتها غير التفاعلية.
أنا. يستخدم الهليوم لملء البالونات. يتم استخدام خليط من الهليوم والأكسجين من قبل الغواصين للتنفس.
ثانيا. نيون يستخدم للإضاءة. يضيء باللون البرتقالي والأحمر في علامات الإعلان.
ثالثا. يستخدم الأرجون لملء المصابيح الكهربائية. عندما يختلط مع القليل من بخار الزئبق ، فإنه يضيء باللون الأخضر في علامات الإعلان.
