الفلزات
الفلزات تقع هذه العناصر بين الفلزات واللافلزات من حيث سلوكها المادي، فهي لا تتصرف تمامًا مثل أيٍّ من المجموعتين. يُصنَّف السيليكون والبورون والجرمانيوم والزرنيخ والأنتيمون والتيلوريوم عادةً ضمن هذه المجموعة، مع العلم أن القائمة الدقيقة قد تختلف.
من الطرق المفيدة لفهم أشباه الفلزات النظر إلى وظائفها في المادة بدلاً من مجرد موقعها في الجدول الدوري. فالعديد منها هش وصلب، مما قد يمنع استخدامها في الأجزاء التي تتطلب الانحناء والتمدد وتحمل الأحمال.
تتمتع هذه المواد بفائدة هندسية أكبر بفضل خصائصها الكهربائية. فعلى سبيل المثال، يمكن للسيليكون، في بعض الحالات، توجيه تدفق التيار الكهربائي، وهذا أمر بالغ الأهمية بالنسبة لأشباه الموصلات. تُضفي تركيبات المعادن مع عناصر أخرى فائدةً على أشباه الفلزات. إذ يمكن لإضافات صغيرة أن تُغير سلوك السبيكة، كما يُمكن استخدام بعض مواد أشباه الفلزات لتوفير الخصائص الكهربائية المطلوبة للأجهزة الإلكترونية.
من بين الاكتشافات المبكرة الأنتيمون. وقد استُخدمت مركبات الأنتيمون كأصباغ وأدوية في مصر القديمةهذه مجرد أمثلة قليلة من الاستخدامات الأولية التي توسعت منذ ذلك الحين وتستخدم الآن في التطبيقات الحديثة مثل تكنولوجيا أشباه الموصلات والمواد المتخصصة وإنتاج السبائك والمكونات الإلكترونية.
تركز الأقسام التالية على الخصائص التي تجعل أشباه الفلزات مفيدة، وكيف تختلف عن الفلزات واللافلزات، و استخدامات أشباه الفلزات في الهندسة والتصنيع.
ما هي الفلزات؟
شبه فلز في حالته الخام
أشباه الفلزات هي عناصر توجد عادة على طول الحدود بين الفلزات واللافلزات في الجدول الدوري. لا يمكن تصنيفها بدقة ضمن أي من المجموعتين. يمكن أن تتصرف بشكل مختلف تمامًا في وجود أي عنصر ولأي تطبيق.
البورون والسيليكون والجرمانيوم والزرنيخ والأنتيمون والتيلوريوم هي أكثر أشباه الفلزات شيوعًا. وهي صلبة وهشة، لذا لا تُستخدم مثل المعادن الإنشائية الشائعة كالصلب والألومنيوم والنحاس. وتكمن فائدتها في خصائص أخرى، لا سيما الكهربائية والكيميائية.
يُعدّ السيليكون أحد أبرز الأمثلة على ذلك. فهو ليس مادة تقليدية تتحمل الأحمال، لكن خصائصه في التحكم بالتوصيل الكهربائي ضرورية في صناعة أشباه الموصلات. أما البورون، فله دور مختلف. ففي بعض أنواع الفولاذ، يمكن إضافة كميات صغيرة منه لتحسين قابلية التصليد، مما يُسهّل المعالجة الحرارية.
هذا التصنيف ليس نهائيًا. تجدر الإشارة إلى أن بعض مراجع الجدول الدوري تتضمن بعض العناصر بينما لا تتضمنها مراجع أخرى. والجواب بسيط: لا توجد خاصية واحدة تميز أشباه الفلزات عن مجموعتي العناصر المتجاورة.
ما هي العناصر الفلزات؟
عناصر أشباه الفلزات
تُصنف العناصر الستة التالية في أغلب الأحيان ضمن أشباه الفلزات:
- البورون (م)
- سيليكون (سي)
- الجرمانيوم
- الزرنيخ (ع)
- الأنتيمون (Sb)
- تلوريوم (تي)
وتشمل التصنيفات الأخرى البولونيوم والأستاتين والبزموت. ويتم وضعها وفقًا لخصائصها وتصنيفها حسب المصدر.
البورون
البورون
لا يُستخدم البورون بمفرده في المكونات الهندسية، بل يُستخدم كعنصر ثانوي في صناعة السبائك. في بعض أنواع الفولاذ، يُحسّن البورون قابلية التصليد، مما يعني أنه يُساعد الفولاذ على اكتساب صلابة أعلى في طبقات أعمق من مقطعه العرضي عند معالجته حرارياً.
السيليكون
السيليكون
للسيليكون استخدامات صناعية أوسع بكثير. فهو المادة شبه الموصلة الأساسية المستخدمة في الدوائر المتكاملة، وأجهزة الاستشعار، والعديد من الأجهزة الإلكترونية. كما يمكن إضافته إلى معادن مثل الفولاذ أو سبائك الألومنيوم لتعديل خصائصها.
الجرمانيوم
الجرمانيوم
يُستخدم الجرمانيوم في أجهزة أشباه الموصلات وفي البصريات الخاصة. كما أنه يتمتع بخصائص مفيدة في نقل الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي، يمكن استخدامه في مكونات إلكترونية أخرى أيضًا.
زرنيخ
زرنيخ
يُعدّ التعرض الأساسي للزرنيخ من خلال المركبات والمنتجات الخاصة، ومنها زرنيخيد الغاليوم. وتمنحه خصائصه الكهربائية مزايا تفوق أجهزة السيليكون التقليدية، ولذا يُستخدم في الأجهزة الإلكترونية والبصرية الإلكترونية.
الأنتيمون
الأنتيمون
يُستخدم الأنتيمون بشكل شائع كعنصر مُسبِّك. تُستخدم سبائك الأنتيمون في البطاريات لشبكاتها، كما تُستخدم مركبات الأنتيمون في أنظمة مقاومة اللهب وغيرها من التطبيقات الصناعية.
معدن لامع ذو صفائح
معدن لامع ذو صفائح
للتيلوريوم استخدامات خاصة. ففي بعض أنواع الفولاذ، تُضاف كميات ضئيلة منه، مما يؤثر على طبيعة الرايش المتكون أثناء القطع، وبالتالي يُحسّن قابلية تشغيل الفولاذ. كما يُستخدم أيضاً في المواد شبه الموصلة والمواد الكهروحرارية.
عناصر أخرى يتم تضمينها أحيانًا
هناك بعض القوائم التي تتضمن البولونيوم والأستاتين والبزموت باعتبارها أشباه فلزات. فهي ليست متسقة في تصنيفها مثل العناصر الستة المذكورة أعلاه. يُعدّ كلٌّ من البولونيوم والأستاتين من المواد شديدة الإشعاع، ولا يُمكن استخدامهما عمليًا. وعلى الرغم من أن البزموت يُصنّف أحيانًا ضمن أشباه الفلزات، إلا أنه يُستخدم في الغالب كفلز. تُعد العناصر الستة المعروفة جيدًا الوسيلة الأنسب لمناقشة أشباه الفلزات في معظم المناقشات الهندسية.
جرب برولين الآن!
متى تم استخدام أشباه الفلزات لأول مرة؟
استُخدمت بعض العناصر شبه الفلزية لآلاف السنين، ومن أقدمها الأنتيمون. وُجدت مركبات الأنتيمون في مستحضرات التجميل والأصباغ التي استخدمها المصريون القدماء، قبل أن يُصنّفوا هذا العنصر تصنيفًا حديثًا.
يُستخدم الزرنيخ على نطاق واسع وله تاريخ طويل من الاستخدام. وكما كان الحال في العصور الوسطى، شاعت مركبات الزرنيخ في صناعة الأصباغ والعديد من المنتجات الأخرى. إلا أن سميته حدّت من استخداماته لاحقاً.
لم يتم تطوير السيليكون إلا في وقت لاحق. تم اكتشاف السيليكون العنصري في 1823 بواسطة يونس جاكوب بيرسيليوس. مع تقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات، تطورت أهميتها بسرعة. في خمسينيات القرن العشرين، دخلت المواد القائمة على السيليكون في التصنيع الإلكتروني التجاري المنتظم وأصبحت مكونًا مهمًا للإلكترونيات الحديثة.
يُعدّ التاريخ مفيداً لأنه يتتبع تطور دور هذه العناصر. فقد استُخدمت خصائصها الكيميائية والبصرية في تطبيقات مبكرة، بينما يُستغلّ سلوكها الكهربائي والحراري وخصائصها في صناعة السبائك بشكل أكبر في التطبيقات الحديثة.
ما هي الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأشباه الفلزات؟
أشباه الفلزات ليست فلزات نموذجية. غالبًا ما يكون لها مظهر معدني، لكنها صلبة وهشة، وليست قابلة للطرق. هذا يحد من استخداماتها في الأجزاء التي تتطلب الانحناء أو التشكيل أو تحمل الصدمات.
تُعدّ خصائصها الكهربائية أكثر فائدة في العديد من التطبيقات. على سبيل المثال، يمكن استخدام السيليكون والجرمانيوم كأشباه موصلات. ويمكن التحكم في موصليتها عن طريق درجة الحرارة والشوائب ومعالجة المادة.
تختلف العناصر في نشاطها الكيميائي. تميل أشباه الفلزات إلى أن تكون تساهمية، وبعضها يتفاعل مع الفلزات ليصبح عوامل سبائك مفيدة. لذا، من الضروري مراعاة العنصر والنظام المادي المحيط به، وعدم تطبيق قاعدة واحدة على جميع أشباه الفلزات.
الخصائص الفيزيائية للمعادن
فيزيائي خصائص أشباه الفلزات تختلف هذه العناصر اختلافاً كبيراً داخل المجموعة. وتستحق بعض الملاحظات من وجهة نظر المواد.
العديد من أشباه الموصلات هي مواد شبه فلزية. وأشهرها السيليكون. يتميز السيليكون بإمكانية التحكم فيه عن طريق الشوائب، وهي خطوة مهمة في تصنيع أشباه الموصلات. تكون أشباه الفلزات مواد صلبة في درجة حرارة الغرفة.
- توصيل حراري: تختلف قدرة المادة على توصيل الحرارة باختلاف العناصر. وتتراوح موصليتها الكهربائية والحرارية بين موصلية المواد الجيدة وموصلية المواد الضعيفة حرارياً.
- الكثافة: تتفاوت الكثافات بشكل كبير. تبلغ الكثافة النسبية للسيليكون 2.33، بينما تبلغ الكثافة النسبية للأنتيمون 6.69. لذا، فإن مصطلح "شبه الفلز" لا يشير إلى نطاق الكثافات.
- صلابة: تختلف الصلابة أيضاً بين هذه العناصر. يتمتع البورون بأعلى صلابة، بينما يتمتع الزرنيخ والأنتيمون والتيلوريوم بقيم صلابة أقل نسبياً على مقياس موس. سيؤثر هذا الاختلاف على معالجة كل مادة واستخدامها.
- الخصائص الميكانيكية: معظم أشباه الفلزات هشة وغير قابلة للطرق. فهي لا تتشوه تشوهاً لدنياً عند تعرضها للأحمال، بل تتفتت. وهذا يجعلها غير مناسبة لبعض العناصر الإنشائية التقليدية عند استخدامها كمادة أساسية.
- مضهر السطح: بعض أشباه الفلزات لامعة أو ذات مظهر معدني. مع ذلك، فإن المظهر وحده لا يكفي لتصنيفها كفلز.
تختلف أشباه الفلزات في صلابتها وكثافتها ونقطة انصهارها وسلوكها الكهربائي. فيما يلي القيم الرئيسية للعناصر المعروفة.
| العنصر | الكثافة (جم / سم مكعب) | نقطة الانصهار (درجة مئوية) | صلابة (Mohs) | السلوك الكهربائي |
| البورون | 2.46 | 2076 | 9.3 | أشباه الموصلات |
| السيليكون | 2.33 | 1414 | 7.0 | أشباه الموصلات |
| الجرمانيوم | 5.32 | 938 | 6.0 | أشباه الموصلات |
| زرنيخ | 5.73 | 817 * | 3.5 | نصف معدن |
| الأنتيمون | 6.68 | 631 | 3.0 | نصف معدن |
| معدن لامع ذو صفائح | 6.24 | 722 | 2.0-2.5 | أشباه الموصلات |
يتسامى الزرنيخ عند الضغط الجوي العادي.
تُظهر هذه القيم النطاق الواسع ضمن مجموعة أشباه الفلزات. يُعدّ البورون والسيليكون صلبين نسبيًا، بينما يُعدّ الأنتيمون والتيلوريوم أكثر ليونة. يُستخدم السيليكون والجرمانيوم بشكل أساسي لخصائصهما شبه الموصلة، بينما يُستخدم البورون والأنتيمون والتيلوريوم أيضًا في أنظمة سبائك مختارة.
الخواص الكيميائية للمعادن
في كثير من الحالات، تُظهر هذه المواد خصائص أكثر شبهاً باللافلزات، ولكن مرة أخرى، يعتمد ذلك على العنصر والتفاعل.
- السالبية الكهربية: تتميز أشباه الفلزات بكهرسلبية متوسطة. وهذا يغير سلوكها في التفاعلات مع الذرات الأخرى ونوع الروابط الكيميائية التي يمكنها تكوينها.
- الرابطة: يحدث الترابط التساهمي. يُعد السيليكون مثالاً جيداً لأنه أساس العديد من البنى التساهمية القوية التي تُعدّ مهمة في خصائصه المادية.
- أشباه الفلزات والفلزات: يمكن خلط بعض أشباه الفلزات مع المعادن لتغيير خصائصها. ومن التطبيقات العملية استخدام البورون في أنواع معينة من الفولاذ. أما التيلوريوم، وهو عنصر، فيمكن إضافة كميات ضئيلة منه فقط، مما يُغير خصائص القطع لبعض أنواع الفولاذ.
- تفاعل كيميائي: قد تتفاعل أشباه الفلزات بشكل مختلف في وجود عناصر وظروف مختلفة. تتصرف بعض المركبات مثل اللافلزات، بينما تتفاعل أخرى مع الفلزات لتُعطي نواتج مختلفة تمامًا.
إذا كنت تفكر في تطبيق هندسي، فمن الأفضل أن تنظر إلى شبه الفلز الفردي ونظام المواد الخاص به بدلاً من افتراض أن جميع العناصر في هذه المجموعة ستتصرف بنفس الطريقة.
| الممتلكات | السلوك العام |
| كهرسلبية | بشكل عام حوالي 1.9-2.2 على مقياس باولينج |
| الربط | الرابطة التساهمية شائعة |
| الأكسدة | تختلف بين العناصر |
| التفاعل مع المعادن | تشكل بعض أنظمة السبائك المفيدة |
| السلوك الكيميائي | يمكن أن تُظهر خصائص معدنية وغير معدنية |
يختلف السلوك الكيميائي أيضاً من فلز إلى آخر. يشكل السيليكون عادةً مركبات تساهمية، بينما يمكن إضافة البورون إلى أنواع معينة من الفولاذ. كما يُستخدم التيلوريوم والأنتيمون في أنظمة سبائك محددة. بالنسبة للتطبيقات التصنيعية، ينبغي مراعاة العنصر الفردي واستخدامه المقصود بدلاً من التعامل مع جميع أشباه الفلزات كمجموعة واحدة من المواد.
جرب برولين الآن!
تطبيقات الفلزات
تُستخدم أشباه الفلزات في الإلكترونيات، والسبائك، والزجاج، والبوليمرات، والعديد من التطبيقات الكيميائية. وتعتمد الخاصية المفيدة على العنصر وكيفية استخدامه.
مواد أشباه الموصلات
تُستخدم أشباه الفلزات في صناعة أشباه الموصلات. وعادةً ما يُستخدم السيليكون في الرقائق والترانزستورات وأجهزة الاستشعار وغيرها من الأجزاء الإلكترونية. يُستخدم الجرمانيوم أيضًا في أجهزة أشباه الموصلات. وتُستخدم مركبات الزرنيخ في بعض التطبيقات الإلكترونية والبصرية الإلكترونية، بما في ذلك زرنيخيد الغاليوم. كما استُخدم الأنتيمون في عدد قليل من مواد أشباه الموصلات الخاصة. (اقرأ دليلنا حول:) تصنيع الأجزاء البلاستيكية)
إضافات السبيكة
يمكن دمج البورون والسيليكون والأنتيمون والتيلوريوم في المعادن لتغيير خصائص محددة. في بعض أنواع الفولاذ، يُضاف البورون لتعزيز قابلية التصلب بعد المعالجة الحرارية. يختلف محتوى السيليكون بين أنواع السبائك المختلفة، حيث تحتوي بعض سبائك الألومنيوم على مستويات عالية نسبيًا من السيليكون، بينما تحتوي معظم أنواع الفولاذ على كميات قليلة فقط. ويُضاف الأنتيمون إلى بعض السبائك والمواد الخاصة، مثل السبائك القائمة على الرصاص.
إنتاج الزجاج
لزيادة مقاومة الزجاج للتغيرات المفاجئة في درجات الحرارة، يُضاف أكسيد البورون إلى الزجاج المصنوع من السيليكا. ولذلك، تُصنع الأجهزة المختبرية وأدوات الطبخ والأجزاء المعرضة لتقلبات درجات الحرارة من زجاج البوروسيليكات.
منتجات سيليكون
يُستخدم السيليكون أيضاً في صناعة منتجات السيليكون. ويمكن تصنيع هذه المواد كمواد مانعة للتسرب، ومطاط مرن، ومواد عازلة، ومواد تشحيم، ومنتجات مصبوبة.
تطبيقات كيميائية
تُستخدم بعض المركبات شبه الفلزية في المنتجات الكيميائية والطبية. وتُستخدم مركبات البورون في صناعة الزجاج، والمعالجة الكيميائية، وبعض المنتجات الطبية. استُخدمت مركبات الزرنيخ والأنتيمون أيضاً في المبيدات الحشرية والأدوية. ويُعتبر عدد من هذه التطبيقات محدوداً الآن بسبب سميتها.
خاتمة
أشباه الفلزات مجموعة مختلطة، وهذا ما يجعل وصفها بقاعدة واحدة بسيطة أمرًا صعبًا. يتصرف السيليكون بشكل مختلف تمامًا عن البورون، بينما يستخدم التيلوريوم والأنتيمون استخداماتهما الخاصة في السبائك والمواد الأخرى.
تستمد هذه العناصر استخداماتها من خصائصها المحددة، وليس من تصنيفها كعناصر شبه فلزية بحد ذاته. يُستخدم السيليكون في أجهزة أشباه الموصلات، ويُستخدم البورون في صناعة الفولاذ والزجاج، ويمكن إضافة التيلوريوم إلى أنواع معينة من الفولاذ لتحسين قابلية تشكيلها. أما العناصر الأخرى من هذه المجموعة، فتُستخدم في تطبيقات إلكترونية وكيميائية متخصصة. قد يختلف التصنيف أيضاً. ستة عناصر تُعتبر عموماً أشباه فلزات، بينما تتضمن بعض المراجع عناصر إضافية. لذا، تعتمد القائمة الدقيقة على التصنيف المُستخدم.
التصنيع حسب الطلب بتقنية برولين
بالنسبة للمشاريع التي تتضمن مواد متخصصة، توفر شركة برولين تك المعادن و خدمات تصنيع البلاستيك ونقدم حلول تصنيع مخصصة بناءً على الرسومات الهندسية ومواصفات المواد. نلتزم بمعايير ISO 9001 ونوفر مجموعة واسعة من خيارات المواد، بدءًا من المعادن والبلاستيك الهندسي والمواد المركبة وصولًا إلى السيراميك.
يمكنك إرسال الرسم، وملف CAD، ومواصفات المواد، والأبعاد، وتشطيب السطح، والكمية لمراجعة متطلبات التصنيع من قبل فريق Boda.
أشباه الفلزات – الأسئلة الشائعة
ما هي أشباه الفلزات؟
أشباه الفلزات هي عناصر تجمع بين خصائص الفلزات واللافلزات. وتوجد عادةً على حدود الفلزات واللافلزات في الجدول الدوري. السيليكون والبورون مثالان شائعان على ذلك.
كم عدد أشباه الفلزات الموجودة؟
العناصر الستة في الجدول الدوري التي تُعرف عمومًا بأنها أشباه فلزات هي: البورون، والسيليكون، والجرمانيوم، والزرنيخ، والأنتيمون، والتيلوريوم. وقد ذُكر البولونيوم أيضًا في بعض المراجع، مما يفسر التباينات في العدد الإجمالي.
ما هي أشباه الفلزات الستة الرئيسية؟
البورون (B) والسيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) والزرنيخ (As) والأنتيمون (Sb) والتيلوريوم (Te) هي أشباه الفلزات الستة المقبولة عمومًا. تقع هذه العناصر على الحد الفاصل بين الفلزات واللافلزات في الجدول الدوري.
لماذا تُستخدم أشباه الفلزات كمواد شبه موصلة؟
تتمتع بعض أشباه الفلزات بخصائص كهربائية تقع بين خصائص الفلزات واللافلزات العازلة، وخاصة السيليكون والجرمانيوم. ويمكن زيادة أو تقليل موصليتها بتغيير درجة حرارتها و/أو إضافة كميات ضئيلة من عناصر أخرى، مما يجعلها مفيدة في الأجهزة الإلكترونية.
ما هي استخدامات أشباه الفلزات؟
تتعدد استخدامات أشباه الفلزات تبعًا للعنصر المستخدم. تُصنع الخلايا الشمسية وأجهزة أشباه الموصلات باستخدام السيليكون. يُضاف البورون إلى السبائك لصنع زجاج البوروسيليكات، ويُستخدم الجرمانيوم في الإلكترونيات وتطبيقات الأشعة تحت الحمراء. كما تُستخدم الأنتيمون والتيلوريوم في بعض السبائك والمواد الإلكترونية.