فلز (Metal)
دید کلی
امروزه ، بازتاب اثرات فلزات در زندگی انسان ، بقدری محسوس است که هر گاه از فلز نام می‌بریم ، ساختمانهای بدیع و آسمان خراشهای عظیم در برابر چشم مجسم می‌شود، همچنین هواپیماها و موشک‌های غول پیکری به خاطر می‌آید که در دل آسمان و کهکشانها راه می‌پویند و با پرواز خود فاصله و زمان مسافرت را کوتاهتر ساخته ، انسان را در رسیدن به کرات دیگر یاری میکنند. راستی اگر فلز نبود، زندگی و تمدن بشری به چنین مرحله‌ای می‌رسید؟
گروهی از
عناصر هستند که خواص مشترک معینی دارند. این مواد گرما و الکتریسیته را به خوبی هدایت میکنند، و به همین دلیل ظروف آشپزی و سیمهای برق از فلز ساخته می شود. فلزها همچنین محکم اند و به آسانی می توان آنها را شکل داد؛ به همین دلیل است که از آنها برای ساختن
سازه هایی از قبیل پلها استفاده می شود. اگرچه شباهتهای زیادی بین فلزها وجود دارد، تفاوتهایی نیز دارند که مشخص میکند یک فلز تا چه حد برای یک کاربرد خاص مناسب است.
از 109 عنصری که امروزه شناخته شده است، 87 عنصر فلز است. از فلزها به ندرت به شکل خالص استفاده می شود؛ معمولا با مخلئط کردن یک فلز با فلزهای دیگر یا
غیر فلزها آلیاژی از آن را تشکیل می دهند.
فلز چیست؟
فلز ماده‌ای است که می‌توان آن را صیقل داده، براق کرد، یا به طرح‌های گوناگون در آورد و از آن مفتولهای سیمی ظریف تهیه کرد. فلز جسمی است که گرما و مهمتر از همه جریان برق را به خوبی هدایت میکند. فلزات با یکدیگر فرق زیادی دارند، از جمله در رنگ و سختی و نرمی ، تعدادی از آنها ممکن است به اسانی خم شده و یا خیلی محکم و مقاوم باشند.
شکل واقعی فلزات
شکل واقعی فلزات به اندازه یون و تعداد الکترون‌هایی که هر یون در حوزه اشتراکی دارد و انرژی یون‌ها و الکترون‌ها بستگی دارد. هر قدر فلز گرمتر شود این انرژی زیادتر خواهد شد. پس فلزات گوناگون ممکن است طرح‌های گوناگونی به خود بگیرند. یک فلز ممکن است در حرارت‌های مختلف ، طرح‌های متنوعی را اختیار کند، اما در بیشتر آرایش‌ها ، یون‌ها کاملا پهلوی هم قرار دارند، و معمولا تراکم در فلزات زیادتر از دیگر مواد است.
اختلافات عمده فلزات و دیگر جامدات و مایعات
- فلزات هادی خوب برق هستند. چون الکترون‌های آنها برای حرکت مانعی ندارند. همه فلزات جامد و مایع گروهی الکترون آزاد دارند، طبعا همه فلزات هادی‌های خوب الکتریسیته می‌باشند. به این سبب فلزات از دیگر گروه‌های عناصر ، کاملا متفاوت دارد.
- اختلاف عمده فلزات و دیگر جامدات و مایعات ، در توانایی هدایت گرما و الکتریسیته است. هادی خوب گرما جسمی است که ذرات آن طوری تنظیم شوند که بتوانند آزادانه نوسان یافته و به ذرات مجاور خود نیز امکان نوسان آزاد را بدهند.
« گرم شدن » همان نوسانات سریع یون‌ها و الکترون‌ها است.
در فلزات چون گروه الکترون‌ها ، غبار مانند یون‌ها را احاطه میکنند، طبعا هادی‌های خوبی برای حرارت هستند.
مقاومت فلز
مقصود آن مقدار باری است که فلز می‌تواند تحمل کرده. نشکند. بسیاری از فلزات ، وقتی گرم هستند، اگر تحت فشار قرار گیرند، شکل خود را زیادتر از موقعی که سرد هستند، تغییر می‌دهند. بسیاری از فلزات در زیر فشار متغییر مانند نوسانات ، آسانتر از موقعی که سنگین باری را تحمل میکنند، می‌شکنند.
چرا فلزات ظاهر درخشنده یا براق دارند؟
- دلیل اول آن است که با طرح ریزی و براق کردن صحیح می‌توان فلزات را به شکل خیلی صاف تهیه کرد. گرچه آنها نیز تصاویر را خوب منعکس میکنند، ولی ظاهر سفید و درخشان بیشتر قطعات فلزی صیقلی شده را ندارند. بطور کلی جلا و درخشندگی فلز بستگی دارد به گروه الکترون‌های آن. الکترون‌ها می‌توانند هر نوع انرژی را که به روی فلزات می‌افتد جذب کنند؛ زیرا در حرکت آزاد هستند. بیشتر انرژی الکترون‌ها از تابش نوری است که به آنها می‌افتد، خواه نور آفتاب باشد یا نور برق. اکثر فلزات همه انرژی جذب شده را پس می‌دهند، بهمین دلیل نه تنها درخشان بلکه سفید به نظر می‌آیند.
تغییر شکل دادن فلزات
بسیاری از فلزات در حرارت ویژه‌ای ، آرایش یون‌های خود را تغییر می‌دهند. با تغییر ترتیب آرایش یون‌های بسیاری از خصوصیات دیگر فلز نیز دگرگون می‌شود و ممکن است فلز کم و بیش شکننده ، قردار ، بادوام و قابل انحنا شود یا اینکه انجام کار با آن آسان گردد. بسیاری از فلزات در هنگام سرد بودن ، به سختی تغییر شکل می‌پذیرند. بیشتر فلزات جامد را به زحمت می‌توان در اثر کوبیدن به صورت ورقه و مفتولهای سیم در آورده، ولی اگر فلز گرم شود، انجام هر دو آسان است. وقتی فلزی را می‌کوبید اجسام کروی حرکت کرده، لایه‌ای از روی لایه دیگر جا به جا می‌شود. و قطعه فلز مورد نظر به ورقه صاف تبدیل می‌گردد. به ترتیبی که لایه‌های یونی را می‌توان کوبیده ، لایه‌ای را روی لایه دیگر حرکت داد. به همان ترتیب نیز می‌توان لایه‌ها را روی یکدیگر کشیده، مفتول تهیه نمود. در فلز گرم لایه‌های یونی خیلی آزادتر از فلز سرد روی هم می‌لغزند به همین سبب کار کردن با فلز گرم آسانتر است.
واکنش ویژه فلز
واکنش ویژه‌ای که قطعه فلز از خود نشان می‌دهد ، بستگی زیاد به گرمای فلز و سرعت سرد شدن آن دارد. اگر فولادی را گرم و قرمز کنید و سپس آن را در آب سرد فرو ببرید، فولادی بسیار سخت، اما ترد و بی‌دوام می‌شود، اما اگر فولاد را گرم و قرمز کرده ، به آرامی سرد کنیم، نرم و قابل انحنا می‌شود. اگر فولادی را که سخت و شکننده است به آرامی گرم کنید، بادوام شده، خاصیت متری می‌یابد، اما حالت سختی خود را نیز حفظ میکند.
فلز مایع
یون‌ها در حالت ویژه‌ای آرایش نمی‌یابند و دائم به این سو و آن سو حرکت کرده،به یون‌های طرفین برخورد می‌نمایند، ولی هرگز تماس خو را قطع نمی‌کنند. سرعت متوسط یون‌ها بستگی به حرارت دارد. اگر فلز مایع گرم شود، انرژی اضافی درون فلز موجب می‌گردد یون‌ها سریع حرکت کنند. این کار سبب می‌شود که هر یونی فضای نسبتا بیشتری را اشغال کند، و مایع منبسط شود.
وقتی یک فلز مایع سرد شود چه حالتی روی می‌دهد؟
فلز حرارت را به محیط خود منتقل کرده، یون‌ها آرامتر حرکت میکنند. این حالت هنگامی روی می‌دهد که یون‌های انرژی کافی برای حرکت از جایی به جایی را نداشته باشند، در نتیجه کم و بیش در یک جا مانده ، کمی پس و پیش حرکت میکنند و همیشه با یون‌های هم نوع خود احاطه می‌گردند. وقتی این حالت روی دهد، دیگر فلز برای سیال شدن آزاد نبوده، جامد می‌شود.
جیوه فلزی استثنائی
جیوه جز در حرارت‌های خیلی سرد زمستان قطب شمال ، جامد نمی‌شود، بنابراین به سختی می‌توان آن را با چکش کوبید و به شکل‌های قابل استفاده در آورد. جیوه مانند هر فلز دیگر، درخشان به نظر نمی‌آید، اما گرما و جریان برق را به خوبی هدایت میکند. مایعات نیز در اثر گرما، مانند جامدات منبسط می‌شوند. وقتی دماسنج پزشکی را در دهان خود می‌گذارید، جیوه درون دماسنج به نسبت حرارت بدن شما ، منبسط شده، در درون دماسنج حرکت میکند از روی فضایی که جیوه اشغال میکند، میزان حرارت بدن شما را تشخیص می‌دهد.
زنگ زدگی فلزات
اگر پرچ‌ها و مهره‌ها از فلزات ناخالص باشند و الکترون‌های آهن را به خود جذب کنند، آهن شدیدتر زنگ می‌زند؛ اما وقتی ورقه‌های آهنی با میخ یا پرچ‌های آهنی به هم متصل شوند در این جا در قابلیت الکترون‌ها اختلافاتی وجود دارد. هوا به آهن زیر پرچ کمتر از سایر نقاط فلز نفود میکند. اختلاف در آزادی مجدد الکترون‌ها ، باعث ایجاد جریان کوچکی در آنها می‌شود. در نتیجه آهن سریعتر زنگ می‌زند. سر و نوک میخ کمتر ، ولی سریعتر از بدنه میخ زنگ می‌زند.
جلوگیری از زنگ‌زدگی فلزات
مهمترین کار استفاده از فلزی است که تحت تاثیر اجسامی که با آنها در تماس است قرار نگیرد.
دانشمندان تلاش میکنند آلیاژهایی بسازند که در مقابل زنگ زدگی مقاوم باشد.
اگر هوا به فلز نرسد، زنگ نمی‌زند. برای اینکه فلز زنگ نزند، می‌توان آن را روغن مالید، رنگ کرد، با پلاستیک پوشانید و یا در یک محفظه مهر و موم شده که هوای آن خالی
گردیده و گاز دیگری مانند نیتروژن جانشین آن شده است، نگاه داشت. اما این همه چاره جویی‌ها عمرشان کوتاه است. طریق محافظت فلز از تاثیر هوا ، پوشانیدن آن با فلز دیگری است که اکسیژن یا آب در آن اثر نکند.
زدودن زنگ زدگی
البته بستگی به نوع فلز دارد. اگر نرده آهنی است حتما زنگ آن را پاک کرده، آهن تمیز را بار دیگر رنگ می‌زنید. اما اگر فلز زنگ زده ، مجسمه گرانبهایی از برنز است. ممکن است هم فلز به اکسید تبدیل شده، در طی چند هزار سال مقدار خیلی کمی از مغز مانده باشد. در این موقع می‌توان آن را به بیل الکتریکی خیلی قوی وصل نمود، تا الکترون‌ها به داخل رانده شوند و یون‌ها را دوباره به فلز برمی‌گردانیم تا یون‌های اکسید را از بین ببرند.
سنگین‌ترین عناصر شیمیایی با بار هسته‌ای بیش از 90 ، همگی رادیواکتیودار هستند. هسته‌های اتمی این عناصر ساکن نبوده، تجزیه می‌شوند. چون تجزیه رادیواکتیو خود به خود صورت می‌گیرد و انرژی هم ، پس می‌دهد بنابراین گاهگاهی الکترون‌ها یا سایر ذرات عنصر تجریه شده ، یک نوع هسته اتمی تازه ، تشکیل می‌شود.
امروزه می‌توان آن انرژی را که در تغییر هسته‌های اتمی تولید می‌شود، جـهت تـهیـه برق کـنترل کـرد. « سوخت » مرکز نیروی هسته‌ای اورانیوم ( بار هسته‌ای 92 ) است که اغلب به شکل فلز اورانیوم می‌باشد. هرگاه اورانیوم تجزیه شود، ذرات کوچکی موسوم به نوترون و همچنین انرژی ، بیرون می‌دهد. وقتی نوترون به هسته‌های مرکزی اورانیوم مجاور خود می‌خورد، آهن هسته ار نیز می‌شکند. و به این ترتیب انرژی بیشتری تولید شده ، نوترون‌های زیادتری درست می‌شوند. سوخت هسته‌ای در محفظه‌هایی نگاهداری می‌شود. این محفظه‌ها از فلزاتی خاص ساخته شده‌اند و نوترون‌های زیادی را جذب نمی‌کنند. جنس این فلزات باید از نوعی باشد که بتوان آنها را به شکل خیلی نازک در آورده، به دقت طرح‌ریزی نموده، بسیار محکم کرده بین این محفظه‌ها میله‌هایی فلزی وجود دارد که نوترون‌های بیشتری جذب میکند. برای کنترل تعداد نوترون‌های آزاد شده ، می‌توان میله‌ها را به طرف داخل یا خارج حرکت داد. تمامی راکتورهای هسته‌ای را در محفظه فولادی به ضخامت چند اینچ قرار می‌دهند. در برخی راکتورها از سدیم مایع ، بعنوان مایع خنک کننده استفاده می‌شود. مهمترین عامل درباره فلزی که در راکتور هسته‌ای استعمال می‌شود، دانستن رفتارهای هسته مرکزی آن است. آیا تجزیه می‌شود، نوترون را جذب و یا از خود عبور می‌دهد؟ این نکته نیز ضروری است که فلزات در حرارت‌های بالا مقاومت نموده، زنگ ترده و ترک برندارد.
فلزاتی که برای سفینه‌های فضایی بکار می‌روند، باید خیلی قوی و سبک باشند. باید از درجات خیلی کم و در درجه حرارت خیلی زیاد و تغییرات سریع درجات ، استقامت کنند و نباید با دورهای سوخت سوزان یا با سوخت خود فرسودگی پیدا کنند و اگر در معرض اشعه کیهانی یا نور قوی ماورای بنفش قرار گیرند نباید از مقاومت آنها کاسته شود. در کاربرد هر نوع آلیاژ کادنیوم در فضا ، باید دقت شود. فلز دیگری مانند تنگستن در مسافرت‌های فضایی استفاده می‌شود زیرا در حرارت‌های خیلی بالا ذوب می‌شود.
