بدون شک هیچ شخصی را نمی‌یابید که در زندگی روزمره خود با انواع فلزات سر و کار نداشته باشد. از لوازم کوچک خانه و آشپزخانه گرفته تا ماشین‌ها و ساختمان‌ها که همه‌روزه با آنها در تعامل هستیم، همه و همه از انواع فلزات به دست می‌آیند.
اما چند نفر از ما به‌طور دقیق اطلاع داریم که فلز چیست و یا از کجا می‌آید؟ دسته‌بندی فلزات بسیار متنوع است و شامل انواع گوناگونی می‌شود. به همین علت قصد داریم ضمن بررسی آن‌که فلز چیست و چه کاربردی دارد، به بررسی انواع فلزات نیز بپردازیم. تا انتهای مطلب ما را همراهی نمایید.
فلز چیست؟
در علم فیزیک، به طور کلی به هر ماده‌ای که بتواند الکتریسیته را در دمای صفر مطلق هدایت کند، فلز گفته می‌شود. در شیمی اما این تعریف کمی متفاوت‌تر است. در علم شیمی فلزات موادی هستند که به راحتی با از دست دادن الکترون‌های خود، کاتیون‌ها را تشکیل می‌دهند و اکسیدها و هیدروکسیدهای اساسی را تولید می‌کنند.
به‌طور کلی فلزات (Metal) دسته‌ای از مواد غیرشفاف، گداخت‌پذیر، انعطاف‌پذیر، چکش‌خوار و معمولا براق هستند که رسانایی الکتریکی و گرمایی نسبتا خوبی نیز دارا هستند. بسیاری از عناصر و ترکیباتی که به‌طور معمول در طبقه‌بندی فلزات جای ندارند، در فشارهای زیاد فلزی می‌شوند.
به عنوان مثال، ید غیرفلزی کم کم در فشاری بین ۴۰ تا ۱۷۰ هزار برابر فشار اتمسفر تبدیل به فلز می‌گردد. لازم به ذکر است که برعکس این مورد نیز صادق است. به آن معنا که برخی از موادی که به عنوان فلز در نظر گرفته می‌شوند، می‌توانند به غیرفلز تبدیل شوند.
به عنوان مثال، سدیم در فشار کمتر از دو میلیون برابر اتمسفر به یک نافلز تبدیل می‌گردد. در شیمی، دو عنصر آرسنیک و آنتیموان که طبق تعریف فلز در فیزیک، به عنوان فلزات شکننده شناخته می‌شوند، معمولا به علت خواص شیمیایی در دسته شبه‌فلز طبقه‌بندی می‌شوند.
حدود ۹۵ عنصر از ۱۱۸ عنصر جدول تناوبی فلز هستند. قابل توجه است که این عدد کاملا دقیق نیست؛ چراکه مرزهای میان فلزات، نافلزات و شبه‌فلزات به علت فقدان تعاریف پذیرفته شده جهانی از دسته‌های درگیر، کمی در نوسان می‌باشد.
نافلز چیست؟
نافلزها گروهی از عناصر شیمیایی هستند که شامل عناصر هیدروژن، کربن، نیتروژن، فسفر، اکسیژن، گوگر، سلنیوم، هالوژن‌ها و گازهای نجیب می‌شوند.
تاریخچه فلزات به چه زمان بازمی‌گردد؟
توسعه تمدن بشر تا حد زیادی وابسته به کشف فلزات بوده است. انسان ماقبل تاریخ از فلزات برای ساختن ابزار و سلاح استفاده می‌کرد و پس از پیشرفت دانش در زمینه متالوژی، فلزات نقشی اساسی در توسعه کشاورزی، حمل و نقل، هنر و صنایع دستی داشتند.
در حال حاضر 86 نوع فلز شناخته شده است، اما تا قبل از قرن نوزدهم تنها 24 فلز کشف شده بود و از این تعداد 12 فلز در قرن 18 کشف شده بودند. تمدن انسان بر پایه های فلزات باستانی بنا شده است.
طریقه ساخت فلز چیست؟
مقادیر زیادی از فلزات روی زمین مخصوصا آهن، در هسته زمین پیدا می‌شود. فلز به طور ناهموار در سراسر پوسته زمین پراکنده است. با سنگ مخلوط شده و با اکسیژن و دیگر عناصر ترکیب می‌گردد. بعضی از انواع سنگ مانند، گرانیت، تنها مقادیر کمی فلز را در خود نگه می‌دارند.
فلزی که معمولا برای ساختن ساختمان‌ها، ماشین‌های حمل و نقل و بسیاری از محصولات دیگر استفاده می‌کنیم، از ذخایر زیر زمینی سنگ‌های معدنی حاوی غلظت بالایی از فلز به دست می‌آید.
آلیاژ فلز چگونه ساخته می‌شود؟
برای ساخت آلیاژ فلزی ابتدا لازم است سنگ معدن از زمین استخراج گردد. پس از آن لازم است که سنگ معدن برای استخراج فلز از غیر فلزات مانند سنگ، پردازش شود. فرآیند استخراج معمولا شامل مراحل زیر است:
- خرد و پودر کردن سنگ معدن
- گرم نمودن سنگ معدن تا دمای بالا
- شست و شو با آب یا مواد شوینده شیمیایی
- فیلتر کردن لجن
- رسوب کردن در مایع
- اعمال جریان الکتریکی برای شکستن پیوندهای شیمیایی قوی
انواع فلزات کدامند؟
دسته‌بندی فلزات بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی آنها صورت می‌گیرد و بدین ترتیب انواع فلزات به شرح زیر می‌باشند:
- فلزات آهنی
همان‌طور که از نام آن برمی‌آید، این فلزات دارای آهن هستند. آهن خالص به عنوان یک ماده مهندسی کاربرد کمی دارد؛ چراکه بسیار نرم و معطف است. هنگامی که آهن سرد شده و از مایع به جامد تبدیل می‌گردد، بیشتر اتم‌های موجود در لایه‌های منظمی به هم نزدیک می‌شوند.
اما با اضافه کردن مقداری کربن به آهن، می‌توان طیف وسیعی از آلیاژها را با خواص کاملا متفاوت تولید کرد که به آنها فولادهای کربنی گفته می‌شود. آلیاژ در حقیقت مخلوطی از دو یا چند عنصر شیمیایی و عنصر اولیه فلز است. فلزات آهنی دارای کربن بالایی هستند که به طور کلی آنها را در معرض زنگ زدگی به هنگام رطوبت قرار می‌دهد.
- فلزات غیر آهنی
برخلاف دسته قبل، فلزات غیرآهنی یا فلزات رنگین، دارای آهن نیستند و در ترکیبات خود رنگ دارند. این فلزات شامل موارد بسیاری همچون مس، برنز، برنج، روی، آلومینیوم، سرب، نیکل و قلع می‌شوند و علاوه بر قابلیت چکش‌خواری، در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی از خود مقاومت نشان می‌دهند.
- فلزات شکننده
در حالی که تقریبا همه فلزات چکش‌خوار یا انعطاف‌پذیر هستند، تعدادی از آنها نظیر بریلیم، کروم، منگنز، گالیوم و بیسموت، شکننده می‌باشند. مقادیر پایین نسبت مدول الاستیک حجیم به مدول برشی،نشان دهنده شکنندگی ذاتی عناصر است.
- فلزات نسوز
در علم مواد، متالورژی و مهندسی، فلز نسوز فلزی است که در برابر حرارت و سایش مقاومت قابل توجهی دارد. رایج‌ترین تعریف شامل نیوبیم، مولیبدن، تانتالم، تنگستن و رنیوم است. همه آنها دارای نقطه ذوب بالای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد و سختی بالا در دمای اتاق هستند.
- فلزات سفید
فلز سفید به هر طیفی از فلزات سفید رنگ یا آلیاژهای آنها با نقطه ذوب نسبتا پایین گفته می‌شود. این فلزات عبارتند از روی، کادمیوم، قلع، آنتیموان، سرب و بیسموت که برخی از آنها جزو فلزات سمی به شمار می‌آیند.
- فلزات سنگین و سبک
به‌طور کلی فلز سنگین به فلزات نسبتا متراکم گفته می‌شود. برخی از فلزات سنگین کاربرد خاصی دارند یا به طور قابل توجهی سمی هستند. در مقابل برخی از آنها در مقادیر کمی ضروری هستند. تمام فلزات دیگر جز فلزات سبک هستند.
- فلزات پایه، نجیب و ارزشمند
در شیمی، فلز پایه به‌طور غیررسمی برای تعریف فلزی استفاده می‌گردد که به راحتی اکسید یا خورده می‌شود، مانند واکنش آسان با اسید هیدروکلریک رقیق برای تشکیل کلرید فلز و هیدروژن که به عنوان مثال می‌توان به آهن، نیکل، سرب و روی اشاره کرد. از این رو مس به عنوان یک فلز پایه در نظر گرفته می‌شود؛ چراکه نسبتا به راحتی اکسید می‌شود. با این حال با HCl واکنش نمی‌دهد.
اصطلاح فلز نجیب معمولا در تقابل با فلز پایه مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلزات نجیب برخلاف اکثر فلزات پایه در برابر خوردگی یا اکسیداسیون مقاومت دارند و معمولا به علت کمیاب بودن، فلزاتی گرانبها به شمار می‌آیند. به عنوان مثال می‌توان به طلا، پلاتین، نقره، رودیوم، ایریدیوم و پالادیوم اشاره نمود.
در کیمیاگری و سکه شناسی، اصطلاح فلز پایه با فلزات گرانبها، یعنی فلزات دارای ارزش اقتصادی بالا، مقایسه می‌شود. هدف دیرینه کیمیاگران تبدیل فلزات پایه به فلزات گرانبها از جمله فلزات سکه‌ای مانند نقره و طلا بود.
فلزات دارای چه ویژگی ها و خواصی هستند؟
هر فلز دارای خواص و مشخصات مربوط به خود است که آن را از انواع دیگر متمایز می‌نماید. به‌طورکلی ویژگی فلزات شامل موارد زیر می‌شود:
- مقاومت مکانیکی
فلزات در طبیعت، دارای مقاومت مکانیکی هستند و هنگامی‌که گرم می‌شوند، چنان‌چه تحت فشار باشند، شکل آنها بیشتر از زمانی که سرد هستند، تغییر پیدا می‌کند.
- شکل‌پذیری
اغلب فلزات در حرارت خاص، آرایش یون‌های خود را تغییر می‌دهند که همراه با این تغییر، بسیاری از ویژگی‌های دیگر فلز نیز تغییر پیدا می‌کند و امکان افزایش شکنندگی، دوام و یا انحنای آن گردد. در مقابل، بسیاری از آنها هنگام سرد بودن، به سختی تغییر شکل می‌دهند. بیشتر فلزات جامد را به زحمت می‌توان در اثر کوبیدن به صورت ورقه و مفتول‌های سیم در آورد، اما به محض گرم شدن، انجام هر دوی آنها امکان‌پذیر خواهد بود.
- درخشش
با طرح‌ریزی و براق کردن درست، می‌توان فلزها را به شکل خیلی صاف درآورد. در حالت کلی، جلا و درخشندگی فلز بستگی به گروه الکترون‌های آن دارد؛ چراکه الکترون‌ها این ویژگی را دارند که هر نوع انرژی را که روی آنها می‌افتد، جذب خود کنند. علت این امر نیز به آزادی حرکت آنها بازمی‌گردد. بیشتر انرژی الکترون‌ها از تابش نور خورشید یا برقی است که روی آنها می‌افتد. به همین جهت، بیشتر فلزها تمام انرژی جذب شده را منعکس می‌کنند.
- خوردگی
خوردگی و زنگ‌زدگی فرآیندی است که در آن فلزات به اعداد اکسایش اصلی خود می‌رسند. در حقیقت، در این فرآیند فلز توسط محیط اطراف خود اکسید می‌شود. به صورت معمول، اکسیژن هوا در این فرآیند نقش اکسنده را دارد. این واکنش از نظر الکتروشیمی جزو واکنش‌های خود به خودی به شمار می‌آید که در آن فلز به صورت آند عمل کرده و دچار خوردگی، زنگ زدگی یا از بین رفتن عملکرد خود می‌شود.
کاربرد فلزات در زندگی روزمره و صنعت و چیست؟
پیش‌تر به شماری از موارد استفاده فلزات اشاره کردیم. در ادامه مطلب به صورت تخصصی، کاربردهای آن را بررسی خواهیم کرد.
- صنعت مواد غذایی و دارویی
معمولا در صنایعی که مربوط با بهداشت و خوراک انسان‌ها است، از فولاد زنگ نزن و آلومینیوم به‌طور گسترده استفاده می‌گردد.
- صنعت الکترونیک
از انواع فلزات در ساختار درونی و بیرونی محصولات برقی و الکترونیکی استفاده می‌گردد. از کوچک‌ترین بردها و تراشه‌های به‌کار رفته در ساختار تلفن‌های همراه تا بدنه لوازم برقی از انواع فلزات همچون آهن، آلومینیوم و غیره استفاده می‌شود.
- صنایع پزشکی
دو فلز آلومینیوم و فولاد زنگ نزن از پرکاربردترین فلزات در صنعت پزشکی هستند. از آن‌جایی که دارای قیمت مناسبی هستند، برای ساخت تجهیزات پزشکی کاربرد دارند. افزون بر آن فلز فولاد به علت عدم دارا بودن خاصیت مغناطیسی، برای ایمپلنت‌های درون بدن کاربرد بسیاری دارند.
- جواهرسازی
از فلزات طلا و نقره باتوجه به جلای ظاهری و ظرافت، در جواهرسازی استفاده بسیاری می‌گردد.
- ساخت لوازم خانگی
انواع لوازم خانگی که ساخت و تولید آنها نیازمند استفاده از انواع فلزات آهنی و غیرآهنی می‌باشد شامل یخچال، گاز، مایکروویو، میز و صندلی و موارد مشابه است.
- صنایع حمل و نقل
از خودروهای سبک گرفته تا کامیون‌ها، قطار و هواپیما، بدون وجود فلزات امکان ساخت نخواهند داشت و اکثر قسمت‌های آن از فلز یا آلیاژهای آن تولید می‌گردد.
- صنعت پتروشیمی
از انواع فلزات باتوجه به خاصیت و واکنش‌پذیری آنها با دیگر مواد، برای ساخت مخزن‌ها و لوله‌های حمل نفت، گاز و غیره استفاده می‌گردد.
جمع بندی
فلزات موادی غیرشفاف، چکش‌خوار و معمولا براق هستند که رسانایی الکتریکی و گرمایی نسبتا خوبی دارند. انواع فلزات شامل فلز آهنی، فلز غیرآهنی، شکننده، نسوز، سفید، سنگین و نجیب می‌شود که در صنایع مختلفی همچون پتروشیمی، حمل و نقل، پزشکی و غیره کاربرد بسیاری دارند.
منبع(Resource): Metal
سوالات متداول
عنصر فلز چیست؟
فلزات موادی غیرشفاف، چکش‌خوار و معمولا براق هستند که رسانایی الکتریکی و گرمایی نسبتا خوبی دارند.
نافلز چیست؟
نافلزها گروهی از عناصر شیمیایی هستند که شامل عناصر هیدروژن، کربن، نیتروژن، فسفر، اکسیژن، گوگر، سلنیوم، هالوژن‌ها و گازهای نجیب می‌شوند.
