در قلمرو وسیع شیمی که در آن اتم‌ها درگیر حرکات پیچیده برای تشکیل ترکیبات می‌شوند، پیوند فلزی به‌عنوان یک مفهوم جذاب ظاهر می‌شود. این نیرویی است که فلزات را به هم متصل می‌کند و باعث ایجاد ویژگی‌های منحصر به فردی می‌شود که این دسته از عناصر را تعریف می‌کند. در این مقاله به این نیروی جذاب می‌پردازیم.
فهرست مطالب
پیوند فلزی چیست؟
پیوند فلزی در اصل یک نیروی مشترک بین الکترون‌ها است و نیروی منسجمی را ایجاد می‌کند که بر رفتار فلزات حاکم است. فلزات که اغلب با ظاهر براق، رسانایی و چکش خواری خود شناخته می‌شوند، این ویژگی‌ها را مدیون ماهیت پیوندهایشان هستند. پیوندهای یونی و کووالانسی بر حوزه شیمیایی تسلط دارند، پیوند فلزی خود را با یک مکانیسم متمایز اشتراک الکترون نشان می‌دهند. برخلاف به اشتراک گذاری دقیق الکترون‌ها در پیوندهای کووالانسی یا انتقال کامل در پیوندهای یونی، پیوند فلزی رویکرد مشترک تری را به نمایش می‌گذارد و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد آزادانه در جایی که اغلب به عنوان «دریای الکترونی» از آن یاد می‌شود پرسه بزنند.
عناصر و پیوندهای فلزی
دنیای پیوندهای فلزی پایه و اساس خود را در گروه منتخبی از عناصر که به درستی به عنوان فلزی شناخته می‌شوند پیدا می‌کند. این عناصر که معمولاً در سمت چپ فلزات و نافلزات جدول تناوبی یافت می‌شوند مجموعه‌ای از ویژگی‌های مشترک را نشان می‌دهند که آنها را از همتایان غیرفلزی خود متمایز می‌کند. از ویژگی‌های بارز فلزات می‌توان به درخشندگی فلزی، رسانایی الکتریکی بالا و شکل پذیری آنها اشاره کرد.
فلزات دارای آرایش بی نظیری از الکترون‌ها هستند که به ویژگی‌های متمایز آنها کمک می‌کند. الکترون‌ها در قلمرو اتمی در سطوح انرژی سازمان‌دهی می‌شوند که بیرونی‌ترین سطح یا لایه ظرفیتی، نقشی محوری در تشکیل پیوندها ایفا می‌کند. فلزات که با تعداد نسبتاً کمی الکترون ظرفیت شناخته می‌شوند، خود را در تلاش دائمی برای ثبات می‌یابند.
با نزدیک شدن این عناصر فلزی به یکدیگر، دگرگونی قابل توجهی رخ می‌دهد. الکترون‌های بیرونی که کمتر به اتم‌های منفرد متصل هستند شروع به جدا شدن می‌کنند و آزادانه در میان شبکه فلزی سرگردان می‌شوند. این پدیده هسته پیوند فلزی است که در آن مفهوم سنتی الکترون‌های موضعی جای خود را به دریایی از الکترون‌های مشترک می‌دهد که اتم‌های فلز را در بر می‌گیرد.
جالب است که این اجتماع آزاد شده از الکترون‌ها قوانین معمول مالکیت را به چالش می‌کشد. پیوندهای فلزی یک مخزن الکترون ایجاد می‌کنند که برای همه قابل دسترسی است. این آرایش منحصربه‌فرد زیربنای خواص خارق‌العاده‌ای است که فلزات را منحصربه‌فرد کرده و برای درک رفتار آنها در کاربردهای مختلف ضروری است.
جدول تناوبی به عنوان یک نقشه برای کسانی که به دنبال پیدا کردن پیوند فلزی هستند عمل می‌کند. عناصری مانند مس، آهن و آلومینیوم عناصر اصلی این داستان اشتراک الکترون هستند. ساختارهای اتمی متمایز و پیکربندی الکترون‌های ظرفیتی میزان مشارکت آنها در سمفونی پیوند فلزی را دیکته می‌کند.
دریای الکترون چیست؟
همانطور که به اعماق قلمروهای پیوند فلزی می‌پردازیم، صحنه برای قرار گرفتن مدل دریای الکترونی آماده می‌شود. این چارچوب مفهومی از نیروی منسجمی که اتم‌های فلز را به هم متصل کرده آشکار می‌کند. فضای وسیعی را تصور کنید که در آن الکترون‌ها بدون قید و بند از اتم‌های منفرد سفری مشترک را آغاز می‌کنند و دریای مواجی را ایجاد می‌کنند که شبکه فلزی را در بر می‌گیرد.
الکترون‌های ظرفیت اتم‌های فلز که در بیرونی‌ترین سطح انرژی قرار دارند در مدل دریای الکترونی آزادی غیرمتعارفی را تجربه می‌کنند. این الکترون‌های ظرفیتی تغییر مکان پیدا می‌کنند. ارتباط آنها با اتم‌های خاص متوقف می‌شود و در عوض به یک استخر مشترک که کل ساختار فلز را فرا می‌گیرد کمک می‌کنند.
این اشتراک الکترون، شبکه فلزی را به یک رسانای الکتریکی تبدیل می‌کند. شبکه فلزی را به عنوان یک چارچوب سه بعدی و الکترون‌های غیرمحلی را به عنوان رقصندگان زیرک که آزادانه در این چارچوب حرکت می‌کنند تصور کنید. هنگامی که یک نیروی خارجی مانند یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود، این الکترون‌ها به طور جمعی واکنش نشان می‌دهند و به صورت هماهنگ در سراسر شبکه جریان می‌یابند. این تحرک ذاتی الکترون‌ها جوهره رسانایی الکتریکی مشاهده شده در فلزات است.
انتقال الکتریسیته به چه صورت انجام می‌شود؟
اثر متقابل الکترون‌ها در دریای الکترون یکی از متمایزترین ویژگی‌های فلزات را به وجود می‌آورد: توانایی آنها برای هدایت الکتریسیته با کارایی بی‌نظیر. بر خلاف غیر فلزات که در آن الکترون‌ها محکم بسته شده اند و آزادی حرکت ندارند، فلزات جریان یکپارچه جریان الکتریکی را از طریق حرکت هماهنگ الکترون‌های غیرمحلی تسهیل می‌کنند.
رسانایی فلزات ریشه در طبیعت دریای الکترونی دارد. هنگامی که یک ولتاژ در یک هادی فلزی اعمال می‌شود، میدان الکتریکی الکترون‌های آزاد را وادار می‌کند تا در یک جهت یکنواخت حرکت کنند و جریان الکتریکی ایجاد کنند. این تحرک الکترون‌ها مشابه جریان سیال از طریق یک مجرا است که شبکه فلزی به عنوان این مجرا عمل می‌کند و الکترون‌های غیرمحلی به عنوان سیال حامل بار الکتریکی عمل می‌کند.
رسانایی گرمایی
مدل دریای الکترونی رسانایی الکتریکی قابل توجه فلزات را توضیح می‌دهد اما ویژگی جالب دیگری را نیز روشن می‌کند: رسانایی حرارتی. گرما مشابه الکتریسیته شامل انتقال انرژی است و شیوه‌ای که در آن فلزات گرما را هدایت می‌کنند به طور پیچیده‌ای با حرکت الکترون‌های غیرمحلی مرتبط است.
الکترون‌های غیرمحلی‌شده در رسانایی حرارتی نقشی دوگانه دارند. آنها به عنوان حامل بار الکتریکی به پدیده هدایت الکتریکی کمک می‌کنند. این الکترون‌های چابک با ارتعاشات شبکه‌ای که به فونون معروف هستند برخورد می‌کنند که وظیفه انتقال انرژی گرمایی را بر عهده دارند. این فعل و انفعال پیچیده باعث می‌شود که فلزات رسانایی حرارتی بالایی از خود نشان دهند و آنها را رسانای کارآمدی برای گرما می‌کند.
چکش خواری و شکل پذیری
جذابیت پیوند فلزی فراتر از قلمرو رسانایی الکتریکی و حرارتی است و به مهارت مکانیکی نشان داده شده توسط فلزات ادامه پیدا می‌کند. چکش خواری و شکل پذیری دو ویژگی متمایز هستند که رفتار فلزات تحت تنش را مشخص می‌کنند و به طرز پیچیده‌ای در پیوند فلزی تعریف شده اند.
چکش خواری به توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل تحت تنش فشاری اشاره دارد. این پدیده در فلزات گواهی بر ماهیت مشارکتی پیوند فلزی است. لایه‌های اتم‌های فلزی با اعمال نیروهای خارجی می‌توانند بدون ترس از شکستن پیوندها از کنار یکدیگر بگذرند. الکترون‌های غیرمحلی که پس‌زمینه ارتجاعی را تشکیل می‌دهند به شبکه فلزی اجازه می‌دهند بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختار، تغییر شکل پلاستیکی پیدا کند.
آهنگری را چکش در دست تصور کنید که در حال شکل دادن به یک تکه آهن داغ است. چکش خواری فلز آن را قادر می‌سازد تا در برابر ضربات ریتمیک تسلیم شود و بدون تسلیم شدن در برابر شکست، تغییراتی از فرم را تجربه کند. این ویژگی فلزات پیامدهای عمیقی در صنایع مختلف دارد، از ساخت فویل‌های نازک مورد استفاده در بسته بندی گرفته تا شکل دادن به اجزای ساختاری در ساخت و ساز.
شکل پذیری ظرفیت یک ماده برای تحمل ازدیاد طول قابل توجه قبل از گسیختگی است. فلزات که توسط اصول پیوند فلزی هدایت می‌شوند، شکل پذیری قابل توجهی از خود نشان می‌دهند. الکترون‌های غیرمحلی شبیه به یک شبکه ایمنی انعطاف‌پذیر هستند و افزایش طول شبکه فلزی را بدون تسلیم شدن در برابر شکست تسهیل می‌کنند.
مثال کلاسیک کشیدن سیم فلزی را در نظر بگیرید. همانطور که نیروهای کششی اعمال می‌شود، شبکه فلزی خود را با کشش جهت هم تراز می‌کند و الکترون‌های غیرمحلی به استحکام منسجمی کمک می‌کنند که به سیم اجازه می‌دهد تا کشیده شود. این شکل پذیری استثنایی در زمینه‌های مختلفی از تولید سیم‌های ظریف مورد استفاده در الکترونیک گرفته تا ساخت کابل‌هایی که وزن پل‌های معلق را تحمل می‌کنند کاربرد دارد.
مقاومت فلزات
چکش خواری و شکل پذیری توانایی فلزات را در تسلیم شدن تحت تنش نشان می‌دهد، استحکام فلزات جنبه متفاوتی از انعطاف پذیری مکانیکی آنها را آشکار می‌کند. استحکام یک ماده معیاری از توانایی آن در مقاومت در برابر نیروی وارده بدون تسلیم شدن یا شکستن است. این ویژگی در فلزات به طور پیچیده‌ای با ماهیت پیوندهای فلزی و برهمکنش بین اتم‌ها در شبکه گره خورده است.
استحکام فلزات تحت تأثیر عواملی مانند نوع پیوند فلزی، آرایش اتم‌ها در شبکه بلوری و وجود نقص در ساختار آن است. استحکام پیوند فلزی در اصل به استحکام ذاتی فلزات کمک می‌کند. دریای الکترونی به عنوان یک نیروی تثبیت کننده عمل می‌کند که در برابر تأثیر مخرب تنش خارجی مقاومت می‌کند.
درک استحکام فلزات در طراحی و مهندسی سازه‌ها از ساختمان و پل گرفته تا هواپیما و وسایل نقلیه بسیار مهم است. مهندسان از ترکیب منحصر به فرد استحکام، چکش خواری و شکل پذیری ارائه شده توسط فلزات مختلف برای خیاطی مواد برای کاربردهای خاص استفاده می‌کنند.
به عنوان مثال، استحکام کششی فولاد، آن را به گزینه‌ای ایده آل برای اجزای ساختاری تبدیل می‌کند، در حالی که استحکام سبک وزن آلومینیوم در مهندسی هوافضا کاربرد دارد.
جمع‌بندی
در این مقاله در مورد پیوند فلزی صحبت کردیم و سفری در نواحی پیچیده چکش خواری، شکل پذیری و استحکام داشتیم و تأثیر عمیق پیوند فلزی را در شکل دادن به خواص فیزیکی مواد روشن کردیم. از آغوش انعطاف پذیر ورق فلزی آهنگری گرفته تا استحکام کششی یک پل معلق، تاثیر پیوند فلزی در ساختارهایی که دنیای مدرن ما را تعریف می‌کنند مشخص است.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 7 دی 1402
