مقدمه

فلز ماده‌ای است که می‌توان آن را صیقل داده و براق کرد( بجز جیوه که در دمای اتاق بشکل مایع است) یا به طرح‌های گوناگون در آورد و از آن مفتول‌های سیمی ظریف تهیه کرد. فلز جسمی است که آزمایش‌های مربوط به گرما و مهم‌تر از همه جریان الکتریکی 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 آسانی خم شده و یا خیلی محکم و مقاوم باشند.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 کهکشان ها راه می‌پویند و با پرواز خود فاصله و زمان مسافرت را کوتاهتر ساخته ، انسان را در رسیدن به کرات دیگر یاری می‌کنند.در این مقاله همه چیز درباره فلزات را برایتان شرح میدهیم.

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 برقاز فلز ساخته می شود. فلزها همچنین محکم‌اند و بآسانی می‌توان آنها را شکل داد؛ به همین دلیل است که از آنها برای ساختن سازه هایی از قبیل پلها استفاده می شود. اگر چه شباهتهای زیادی بین فلزها وجود دارد، تفاوتهایی نیز دارند که مشخص می‌کند یک فلز تا  چه حد برای یک کاربرد خاص مناسب است.
از ۱۰۹ عنصری که امروزه شناخته شده است، ۸۷ عنصر فلز است. از فلزها بندرت به شکل خالص استفاده می‌شود؛ معمولا با مخلوط کردن یک فلز با فلزهای دیگر یا غیر فلزها آلیاژی از آن را تشکیل می‌دهند.

تاریخچه

همه چیز درباره فلزات, فلزات برای قرن ها توجه بشر را به خود جلب کرده است چرا که مردم با استفاده از فلزات قادر به ساخت ابزارهایی با قابلیت های بالا شدند که هم در جنگ و هم در تدارکات از آن استفاده می کردند. طلا و نقره با عیار بالا از عصر سنگی برای بشر شناخته شده بوده است. استخراج سرب و نقره از سنگ معدن هایشان از هزاره چهارم قبل از میلاد انجام می شده است.

مقاومت مکانیکی 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 متغیر مانند نوسانات، آسانتر از موقعی که سنگین باری را تحمل می‌کنند، می‌شکنند.

علت تغییرشکل 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.

علت درخشش فلزات

دلیل اول آن است که با طرح ریزی و براق کردن صحیح می‌توان فلزات را به شکل خیلی صاف تهیه کرد. گر چه 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 دارد.

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، به همین دلیل، نه تنها درخشان بلکه سفید به نظر می‌آیند.

شکل واقعی فلزات

همه چیز درباره 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.

اختلاف 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 خوبالکتریسیته 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 آزمایش‌های مربوط به 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 (رسانش گرمایی فلزات).

واکنش ویژه فلزات

همه چیز درباره فلزات,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 ، به‌آرامی سرد کنیم، نرم و قابل انحنا می‌شود. اگر فولادی را که سخت و شکننده است، به‌آرامی گرم کنید، بادوام شده ، خاصیت متری می‌یابد، اما حالت سختی خود را نیز حفظ می‌کند.

فلزات مایع

یون‌ها در حالت ویژه ای آرایش نمی‌یابند و دائم به این سو و آن سو حرکت کرده ، ‌به یون‌های طرفین برخورد می‌نمایند، ولی هرگز تماس خود 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 می دهد؟

فلز حرارت را به محیط خود منتقل کرده ، یون‌ها آرامتر حرکت می‌کنند. این حالت هنگامی روی می‌دهد که یون‌ها 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 استثنایی

همه چیز درباره فلزات ,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 الکتریکی را به‌خوبی 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 زنگ زدگی فلزات

مهمترین کار استفاده از فلزی است که تحت تاثیر اجسامی که با آنها در تماس است، قرار نگیرد. البته 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، یا با پلاستیک پوشانید و یا در یک محفظه مهر و موم شده که هوای آن خالی شده 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 فلزات

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 پیل 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.

خواص فلزات

تعریف ساده ای برای فلز وجود ندارد. ولی هر عنصر شیمیایی خواص فلزی داشته باشد در کلاس فلزات طبقه بندی می شود. خواص معمول فلزات شامل جلای فلزی، انتقال حرارت بالا، هدایت الکتریکی و قابلیت شکل پذیری دائم در دمای اتاق است.

عناصر شیمیایی که خواص عمومی فلزات را ندارند در کلاس غیر فلزات طبقه بندی می شوند. عناصر محدودی هستند که به عنوان شبه فلزات دسته بندی می شوند گاهی خواصی مانند فلزات و گاهی خواصی مانند غیر فلزات از خود نشان می دهند. برخی از این شبه فلزات کربن، فسفر، سیلیس و گوگرد هستند.

خواص متفاوت فلزات می تواند با ترکیب کردن دو یا چند از این فلزات گسترده تر شوند. این ترکیب ها آلیاژ خوانده می شوند. عناصر خالص عموماً برای استفاده صنعتی بیش از حد نرم هستند. به همین دلیل است که تمرکز مطالعات متالورژیکی روی ایجاد آلیاژهای مفید است. ایجاد آلیاژ جدید با ترکیب شیمیایی خاص می تواند به ایجاد خواص فلزی ویژه برای استفاده های خاص کمک کند.

فولاد برای مثال، ترکیبی از آهن، میزان اندکی کربن و عناصر دیگر است. آلیاژهای دیگر مانند برنج ( مس و روی) و برنز (مس و قلع) به آسانی شکل داده می شوند و ظاهر زیبایی دارد. برنز همچنین به دلیل مقاومت به خوردگی در آب دریا به طور گسترده ای در صنایع کشتی سازی استفاده می شود.

تیتانیوم از فولاد سبک تر است و چگالی کمتری دارد ولی استحکام بالایی دارد. گرچه از آلومینیوم سنگین تر است ولی به لحاظ استحکام با آلومینیوم برابری می کند. تیتانیوم مقاومت به خوردگی بالایی دارد این خاصیت در ترکیب با سایر خواص فلزی تیتانیوم را برای استفاده در صنایع هوافضا و کشتی سازی مناسب کرده است. این فلز همچنین در ساخت لپ تاپ و دوچرخه سازی نیز کاربرد دارد.

مس فلزی است شکل پذیر که قابلیت هدایت الکتریکی بالایی دارد. به همین دلیل مس در ساخت کابل های الکتریکی کاربرد گسترده ای دارد.

طلا و نقره به لحاظ خواص فلزی چکش خوار، شکل پذیر و به لحاظ شیمیایی غیر فعالند. طلا و نقره در ساخت جواهرات کاربرد گسترده ای دارند. طلا همچنین برای مواردی که نباید به مرور زمان کدر و لکه دار شوند و ارتباطات الکتریکی بدون اکسیداسیون کاربرد دارد.

چدن و فولاد هردو سخت و با استحکام هستند. به همین دلیل از آنها در ساخت پل ها و ساختمان ها استفاده می شود. مشکل بزرگ استفاده از چدن و فولاد عدم مقاومت به خوردگی و امکان زنگ زدگی آنها است که می توان با تغییر در ترکیب شیمیایی این نقیصه را جبران نمود.

آلومینیوم هادی خوب گرما و شکل پذیر است. همچنین از آنها در ساخت وسایل آشپزخانه و فویل نیز استفاده می شود. به دلیل سبکی و استحکام به وزن بالا، بدنه بیشتر هواپیماها آلومینیومی هستند.

فولاد ضدزنگ یا فولاد گالوانیزه برای مواردی که مقاومت به خوردگی مهم است، کاربرد دارد. آلیاژهای آلومینیوم و منیزیوم برای مواردی که استحکام و وزن پایین همزمان نیاز باشد اسفاده می شوند.

آلیاژهای مس-نیکل از قبیل مونل در محیط های به شدت خورنده و جاهایی که نیاز به وجود مواد غیر مغناطیسی است، کاربرد دارند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل از قبیل اینکونل در مواردی که به مقاومت در دمای بالا نیاز است مانند توربوشارژرها، مخازن تحت فشار، مبدل های حرارتی و.. استفاده می شود. برای استفاده در دمای بسیار بالا، از آلیاژهای تک بلور استفاده می شود تا خزش را به حداقل برسانند.