تحقیق در مورد فلزات و خواص آنها

بخشی از مقاله

فلزات و خواص آنها

مقدمه
پيشرفت زندگي بشر به طور عمده ،ناشي از استفاده وسيع از فلزات گوناگون بوده است .
امروزه ميزان كاربرد سالانه فلزات در هر كشور ،نشان دهنده توسعه و رشد اقتصادي آن جامعه است اين رشد پيشرفت تكنولوژي در نتيجه هزاران سال زندگي انسان و كسب تجربه هاي گوناگون در چگونگي استفاده ازفلزات حاصل شده است سر آغاز راه چنين رشد عظيمي ،ساخت مصنوعات فلزي بسيار ابتدايي بوده است . شواهد نشان مي دهند كه انسان دست كم از پنج هزار سال پيش فلز را شناخته و آن را دستمايه زندگي خود كرده است اهميت كشف فلز و استفاده از آن در ساخت ابزار به قدري مهم است كه دوره هايي از زندگي انسان را به اسم فلزات نام گذاري كرده اند مثل عصر مس ، عصر مفرغ و عصر آهن .

تعريف فلز ،خواص آن و ساختمان فلزي
فلزات گروه مهمي از عناصر را تشكيل مي دهند كه معمولا الكترونهاي مدار آخر خود را به راحتي از دست مي دهند . در كريستال بندي فلزات الكترونها به راحتي مي‌توانند حركت كنند در نتيجه فلزات هادي خوب الكتريسته هستند و تركيبات آنها معمولا الكتروسيتهاي خوبي تشكيل مي دهند فلزات در مدار آخر خود كمتر از چهار الكترون دارند . بنابراين آنها در تركيباتي كه به عنوان فلز وارد مي شوند ظرفيتشان چهار ويا كمتر از چهار است مانند كلريد سديم (NaCl) كلريد كلسيم
((Cacl2 اكسيد آهن ( Fe2o3) III و كلريد قلع IV كه در آنها سديم ، كلسيم ، آهن و قلع به ترتيب با ظرفيتهاي يك دو سه و چهار خود وارد شده اند .

فلزات گاهي در تركيبات به صورت نافلز وارد مي شوند مانند دي كرومات پتاسيم ( SnCl4) كه در آن كروم به صورت نافلز وبا ظرفيت شش وارد شده است ودر اينجا ديده مي شود كه ظرفيت آن بيش از چهار است جالب است كه فلز مشهور آلومينيوم با وجودي كه در تركيبات فقط به صورت سه ظرفيتي آن بيش از چهار است جالب است كه فلز مشهور آلومينيوم با وجودي كه در تركيبات فقط به صورت سه ظرفيتي شركت مي كند ، ولي با همين ظرفيت سه به صورت نافلز ديده مي شود ، مانند آلومينات سديم . ( NaAlO2)

تمام عناصر فلزي به جز جيوه در دماي معمولي جامد هستند جيوه داراي نقطه ذوب پايين 39 درجه سانتيگراد مي باشد تنگستن بالاترين نقطه ذوب را بين فلزات دار است . ( 3400 0c)

تعداد زيادي از عناصر جدول تناوبي فلز هستند فلزات داراي جلالي مخصوص به خود هستند كه بسيار زود قابل تشخيص مي باشند . همچنين فلزات هادي هاي خوب الكتريسته و گرما مي باشند.

از خوّاص ديگر فلزات مي توان از خاصيت چكش خواري آنها نام برد كه البته كروم حالتي شكننده دارد فلزات را مي توان به صورت ورقه هاي نازك و طويل در آورد و عملا توليد ورقهاي آهني و فولادي براي ساختن اتومبيلها و قسمت هاي مختلف ساختمانها ، استفاده از اين خاصيت فلزات است بعضي ازفلزات مانند آهن و كروم سخت هستند . در صورتي كه فلزاتي از قبيل مس و سرب نرم تري باشند فلزات قلياي بسيار نرم مي باشند به طوري كه مي توان آنها را با چاقو بريد . از اختلاط بعضي از فلزها آلياژ ها به دست مي آيند كه اكثر آنها خواصي بهتر از فلزات اوليه خود دارند ،مانند مفرغ كه از اختلاط مس و قلع به دست مي آيد و آلياژي زنگ نزن است ويا آلياژهاي آهن كه انواع فولاد سخت را تشكيل مي دهند .

خواص شيميايي فلزات كاملا متغير است بعضي از فلزات مانند طلا و پلاتين از
نظر شيميايي غير فعال هستند اين ويژگي طلا و پلاتين همراه با كمياب بودن آنها باعث شده است كه اين دو فلز بسيار گران بوده وبراي ساختن زينت آلات به كار روند از طرف ديگر تعدادي از فلزات از قبيل فلزات قليايي به قدري فعال هستند كه در طبيعت به حالت آزاد يافت نمي شوند .

به طور كلي فلزات با غير فلزات تركيب شده و تركيباتي به نام نمك توليد مي كنند اين تركيبات يوني عموما سخت ودير ذوب هستند .
چگالي فلزات تغييرات وسيعي دارد از همه عناصر جامد ، سيستم پايين ترين را سهيم بالاترين چگالي را دارند با اين همه اكثر فلزات در مقايسه با نافلزات جامد چگالي نسبتا بالايي دارند فلزات گروه IA وIIA كه فلزات سبك ناميده مي شوند از اين قاعده مستثني هستند به طور كلي بيشتر فلزات نقاط ذوب و جوش نسبتا بالايي دارند با اينكه بعضي از آنها مانند جيوه نقطه ذوب پاييني دارند ود ردماي معمولي مايعند .

عناصر اصلي
در جدول مند ليف عناصر به طور كلي به دو دسته تقسيم مي شوند عناصر اصلي و عناصر واسطه عناصر اصلي در گروههايي تحت عنوان گروههاي A مرتب شده اند گروههاي IIA,IA در طرف چپ جدول و گروههاي IIIA تا VIIIA در طرف راست جدول قرار دارند .
عناصر واسطه درگروههايي تحت عنوان گروههاي B مرتب شده اند اين گروهها بين گروه IIA و IIIAدر ميانه جدول قرار دارند .
در اين قسمت فلزات گروههاي اصلي و گروههاي A معرفي مي شود .

فلزات گروه IA
فلزات اين گروه عبارتند از سديم ، پتاسيم ، روبيديم ، سنريم و فرانسيم .
تركيبات اين فلزات به طور كلي در آب بسيار انحلال پذيرند ئيدرو اكسيدهاي اين فلزات خاصيت بازي شديد از خود نشان مي دهند والكتروليتهاي قوي هستند به همين علت اين فلزات را فلزات قليايي نيز مي نامند نمكهاي اسيدهاي ضعيف آنها خاصيت بازي دارند مانند كربنات سديم ( Na2Co3)
اين فلزات واكنش پذير ترين گروه فلزات راتشكيل مي دهند به طوري كه هيچ يك از آنها به حالت آزاد در طبيعت يافت نمي شود اين فلزات به صورت تركيبات يوني در طبيعت وجود دارند وهمه آنها به وسيله بر قكافت نمكهاي خشك و مذاب تهيه مي شوند فلزات قليايي به دليل نرمي و واكنش پذيري شيميايي هرگز كاربرد
ساختاري ندارند .

عناصر گروه IA فلزاتي نقره اي رنگ هستند و سزيم كمي به رنگ زرد طلايي است اين عناصر نسبتا نرم بوده (مي توان آنها را با چاقو بريد ) ونقاط ذوب و جوش پاييني دارند نقطه ذوب ، نقطه جوش و سختي اين فلزات با افزايش عدد اتمي كاهش مي يابد . اين فلزات رساناهاي خوبي براي گرما و الكتريسته هستند و چگالي آنها بسيار پايين است .

سديم و پتاسيم فراوانترين اعضاي اين گروه هستند تركيبات عنصر سبكتر اين گروه ،يعني سيتيم ودو عنصر سنگينتر اين گروه ، يعني روبيديم و سزيم نسبتا كميابند . عنصر فرانسيم در بعضي فرايندهاي پرتو زاي طبيعي تشكيل مي گردد همه ايزوتوپهاي انها پرتوزا بوده ونيم عمر كوتاه دارند واين عنصر فوق العاده كمياب است .

واكنش پذيرترين عنصر گروه IA در اكثر موارد سزيم است وليتيم معمولا كمترين واكنش پذيري را دارد .
فلزات قليايي هرگاه درمعرض تابش قرار مي گيرند ، الكترون گسيل مي كنند ( اثر فوتو الكتريك ) سزيم كه به آساني الكترون بيرون مي دهد در ساخت فوتوسل مصرف مي شود فوتوسل علائم نوري را به علائم الكتريكي تبديل مي كند ودر نورسنجي و چشم الكتريكي به كار مي رود .

فلزات گروه IIA
فلزات اين گروه عبارتند از بريليم ، منيزيم ،كلسيم ، باريم ، وراديم .
ئيدرو اكسيدهاي اين فلزات مانند ئيدرواكسيدهاي فلزات قليايي خاصيت بازي دارند وهمچنين جزء مهمي از پوسته زمين را تشكيل مي دهند به همين علت اين فلزات قليايي خاكي نيز مي نامند . البته ئيدرواكسيدهاي آنها ازنظر بازي از ئيدروكسيدهاي فلزات قليايي ضعيف ترند .
اين فلزات دومين گروه فلزات را از نظر واكنش پذيري تشكيل مي دهند و به همين علت در طبيعت به حالت آزد يافت نمي شوند معمولا آنها را به وسيله برقكافت كلريد مذاب تهيه مي كنند تعدادي از تركيبات اين فلزات به ميزان قابل توجه در آب حل نمي شوند .

فراوانترين عناصر اين گروه منيزيم و كلسيم هستند منيزيم از نظر فراواني دومين عنصر فلزي است كه در آب دريا يافت مي شود اين فلز به علت سرعت سوختن ونور و حرارت زيادش براي آتشبازي وبمب آتشزا به كار مي رود كلسيم فلزي است سفيد نقره فام كه به آساني با چاقو بريده نمي شود كربنات كلسيم (CaCO3) فراوانترين تركيب و قليايي خاكي در پوسته زمين است استرانسيم و باريم در طبيعت به صورت سولفات و كربنات وجود دارند .
از سولفات باريم به عنوان رنگ سفيد استفاده مي شود استرانسيم فلزي است سفيد و سخت كه شبيه كلسيم مي باشد ودر آتشبازي به كار مي رود راديم آخرين عنصر گروه IIA عنصري ناياب است و كليه ايزوتوپهاي آن پرتو زاهستند .

فلزات گروه IIA نسبت به فلزات گروهIAنقاط ذوب و جوش بالاتر و چگالي بيشتري دارند واز آنها سخت ترند بريليم آن قدر سخت است كه مي تواند شيشه را خط بيندازد و تمايلي به شكنندگي دارد درجه سختي اين فلزات با افزايش عدد اتمي تنزّل مي كند علي رغم تمايل اين فلزات به شكنندگي هر يك از آنها را مي توان بدون شكستگي تا حدودي چكش كاري و نورد كرد تمام فلزات قليايي خاكي سفيد و جلاي نقره اي دارند وهمچنين رساناي خوب برقند .

فلزات گروه IIIA
فلزات اين گروه عبارتند از آلومينيم ، گاسيم ، اينديم ،تاليم
اين فلزات فلزاتي سفيد ونرم هستند ونقطه ذوب نسبتا پاييني دارند نقطه جوش آنها با افزايش عدد اتمي تنزل مي كند اين عناصر در تركيبات معمولا به صورت فلز وارد مي شوند ولي تركيبات نا فلزي هم دارند مانند آلومينات پتاسيم ( KAlO2)

آلومينيم كه معروفترين عنصر اين گروه مي باشد ، فراوانترين فلز قشر زمين است كه به صورت اكسيد حدود 5/7 درصد از قشر جامد زمين را تشكيل مي دهد اين فلز سبك و زود گداز است واستحكام آن زياد نيست آلومينيم جريان برق را به خوبي هدايت مي كند ( به جاي سيمهاي مس از آن استفاده مي شود ) ودر صنعت از ساختمان پيستون اتومبيلها گرفته تا بدنه ماشينها وهواپيماها مورد استفاده قرار مي گيرد.

گاليم ، اينديم و تاليم به ندرت يافت مي شوند نقطه ذوب گاليم به طور غير عادي پايين است ( 300c ونقطه جوش آن بالاست) ( 20700c به همين علت اين فلز يك دامنه ميعان استثنايي دارد گاليم گاهي به عنوان سيال دماسنج به كار برده مي شود اينديم فلز نادري است كه به دليل نرمي و كمياب بودن آن كاربرد ساختاري مهمي ندارد .

اين فلز به دليل جلاي فلزي زياد ، گاهي در ساختن آينه هاي مخصوص به كار برده مي شود تاليم فلزي نرم به رنگ سفيد مايل به آبي است اين فلز شبيه سرب است ولي به اندازه آن چكش خوار نيست رسانايي الكتريكي تاليم كم است .

فلزات گروه IV A
فلزات اين گروه عبارتند از ژرمانيم ، قلع و سرب
ژرمانيم فلزي سخت ،سفيد و شكننده است كه به تازگي به مقدار زياد در ساخت پيلهاي فوتو ولتايي ( باطريهاي خورشيدي ) به كار برده مي شود ودر بين فلزات اين گروه بالاترين نقطه ذوب را دارد ژرمانيم جامد داراي ساختار شبكه الماس است
ورسانندگي الكتريكي آن مانند نيم فلزات مي باشد .

قلع فلزي بسيار زود گداز و چكش خوار به رنگ سفيد به مايل به نقره اي است كه نقطه ذوب آن نسبتا پايين است قابليت ورق شدن قلع زياد است اگرصفحات قلع را تا كنند صدايي شنيده مي شود كه به آن فرياد قلع مي گويند . علت اين صدا برخورد بلورهاي قلع به يكديگر مي باشد .
سرب فلزي نرم سنگين ،چكش خوار و برگ شدني است كه مقطع تازه آن نقره اي رنگ وبراق است اين فلز به علت نداشتن استحكام كششي ، قابل مفتول شدن نيست و جريان الكتريسته را هم در مقايسه با بقيه فلزات به خوبي هدايت نمي كند به همين علت و همچنين به علت زود گداز بودن آن از سيمهاي سربي در فيوزها استفاده مي شود .

فلزات گروه IV A در طبيعت فراوان نيستند . اين فلزات به هر دو صورت فلز و نافلز وارد تركيبات مي شوند از تركيبات نا فلزي اين گروه مي توان استاناتها (تركيبات قلع ) ، پلمباتها ( تركيبات سرب ) و ژرماناتها ( تركيبات ژرمانيم ) رانام برد .

فلزات گروه VA
فلزات اين گروه عبارتند از آنتيموان و بسيموت
آنتيموان فلزي به رنگ سفيد مايل به آبي است اين فلز چكش خوار ونرم نيست ورساناي ضعيفي براي جريان برق است . آنتيموان گاهي غير فلز معرفي مي شود ولي در كاني شناسي شبه فلز ناميده مي شود كاربرد عمده آنتيموان در آلياژهاست .

بسيموت فلزي به رنگ سفيد مايل به خاكستري با زمينه قرمز است كه گاه به شكل طبيعي درمقادير كم يافت مي شود اين فلز يكي از معدود فلزاتي است كه حجم آن هنگام انجماد افزايش مي يابد هنگام تغيير از حالت مايع به جامد به ميزان 32/3 درصد منبسط مي شود بيسموت به عنوان عامل آلياژ دهنده كاربردهاي متنوعي دارد .
هر دوي اين فلزات بسيار تردند و به سهولت به گرد تبديل مي شوند .

عناصر واسطه
عناصر واسطه بين گروههاي IIIA , IIA در شكل طويل جدول تناوبي قرار دارند . سومين و چهارمين رديف عناصر واسطه كه به ترتيب شامل لانتانيدها و آكتينيد مي باشند ، عناصر واسطه داخلي ناميده مي شوند .

كليه عناصر واسطه فلز مي باشند بسياري از فلزات واسطه ، مخصوصا اولين رديف اين عناصر فلزات فعال هستند . اين فلزات به طور كلي داراي نقاط ذوب و جوش و تبخير بالايي هستند عناصر گروهII B ( روي كلادميم وجيوه ) ازاين قاعده كلي مستثني هستند جيوه در شرايط عادي مايع است وهمه عناصر اين گروه نقطه ذوب نسبتا پاييني دارند و تبخير آنها نسبتا آسان است اكثر فلزات واسطه رساناي خوب گرما و برق هستند عناصر گروه IB از اين جهت وضع ممتازي دارند البته ميل تركيبي عناصر اين گروه بسيار كم است به طوري كه در طبيعت غالبا به حالت آزاد يافت مي شوند .

فلزات گروه IB
فلزات اين گروه عبارتند از مس ، نقره ، طلا
مس در طبيعت به مقدار زياد به حالت آزاد يافت مي شود و به همين علت از جمله نخستين فلزاتي است كه مورد استفاده بشر قرار گرفته است اين فلز به صورت تركيب نيز در طبيعت وجود دارد مس را معمولا با حرارت دادن اكسيد يا كربنات آن درزغال استخراج مي كنند اين فلز رنگ سرخي دارد و پس از نقره بهتر از تمام فلزات گرما و برق را از خودعبور مي دهد .

نقره فلزي سفيد و درخشنده و صيقل پذيراست كه نوررا به خوبي منعكس مي كند به همين جهت در ساختمان آينه ها به كار مي رود ( آينه ورقه نازكي از نقره است كه به وسيله يك صفحه شيشه نگه داري مي شود ) نقره خالص از مس نرمتر واز طلا
سخت تر است نقره گرما و برق را بهتر از تمام فلزات از خود عبور مي دهد .
طلا معمولا در طبيعت به حالت آزاد يافت مي شود اين امر نشان دهنده ميل تركيبي بسيار كم آن است .
طلاي خالص ، نرم و بسيار سنگين است و قابليت چكش خواري و مفتول شدن آن از تمام فلزات بيشتر است طلا تنها فلز زرد رنگ است .

فلزات گروه IIB
فلزات اين گروه عبارتند از روي ، كادميم و جيوه .
روي در طبيعت به حالت آزاد وجود ندارد و معمولا به صورت تركيب يافت مي‌شود روي را از طريق استخراج آن از سنگ معدنهايش به دست مي آورند . قطب منفي بيشتر پيلهاي الكتريكي را از روي مي سازند .