فلزات واسطه: ستون‌فقرات صنعت و رنگ دنیا
فلزات واسطه در جدول تناوبی چه جایگاهی دارند؟
برای درک فلزات واسطه، ابتدا باید با ساختار جدول تناوبی آشنا شویم. این جدول، خانه همه عناصر شناخته شده است. فلزات واسطه درست در وسط این جدول بزرگ، از دوره چهارم به بعد قرار گرفته‌اند. اگر به یک جدول تناوبی نگاه کنید، یک مستطیل بزرگ در مرکز آن می‌بینید که این عناصر، ساکنان آن هستند.
تعریف علمی آنها این است: فلزاتی که در آنها زیرلایه d در حال پرشدن است. اما این یعنی چه؟ اتم‌ها از لایه‌های الکترونی تشکیل شده‌اند و هر لایه خود به زیرلایه‌هایی به نام‌های s, p, d, f تقسیم می‌شود. در فلزات واسطه، آخرین الکترون‌هایی که به اتم اضافه می‌شوند، وارد این زیرلایه d می‌شوند. این ویژگی، عامل اصلی تمام خواص منحصربه‌فرد آن‌هاست.
| نام فلز | نماد شیمیایی | کاربرد عمده | ویژگی بارز |
|---|---|---|---|
| آهن | Fe | ساخت فولاد، بدنه خودرو و پل | مغناطیسی، مستحکم |
| مس | Cu | سیم‌های برق، سکه، لوله‌کشی | رسانای عالی گرما و برق |
| نقره | Ag | جواهرسازی، الکترونیک، عکاسی | بازتابنده نور، ضد باکتری |
| طلا | Au | جواهرات، پشتوانه پول، الکترونیک | غیرفعال (بی‌اثر)، چکش‌خواری بالا |
چه ویژگی‌هایی فلزات واسطه را خاص می‌کند؟
فلزات واسطه مانند قهرمانان همه‌فن‌حریفی در دنیای عناصر هستند. آنها مجموعه‌ای از خواص را دارند که در کنار هم، کاربردهای فوق‌العاده‌ای به آنها می‌دهد.
خاصیت کاتالیزوری: بسیاری از فلزات واسطه یا ترکیبات آنها به عنوان کاتالیزور8 عمل می‌کنند. کاتالیزور ماده‌ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می‌دهد، اما خودش مصرف نمی‌شود. پلاتین9 در مبدل کاتالیستی خودروها، گازهای سمی خروجی از اگزوز را به گازهای بی‌ضرر تبدیل می‌کند. آهن نیز در فرآیند هابر10 برای تولید آمونیاک11 (ماده اولیه کودهای شیمیایی) به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود.
رسانایی الکتریکی و گرمایی بالا: تقریباً همه فلزات واسطه رسانای خوبی برای برق و گرما هستند. مس و نقره از بهترین رساناهای جهان هستند. به همین دلیل است که از مس در سیم‌کشی خانه‌ها و از نقره در کنتاکت‌های الکتریکی باکیفیت استفاده می‌شود.
چکش‌خواری و مفتول‌پذیری: این فلزات را می‌توان بدون اینکه بشکنند، به ورقه‌های نازک (چکش‌خواری) یا سیم‌های بلند (مفتول‌پذیری) تبدیل کرد. یک قطعه طلا را می‌توان آنقرار نازک کرد که مانند کاغذ شود! این خاصیت، کار کردن با آنها را در صنعت بسیار آسان می‌کند.
فلزات واسطه چگونه دنیای ما را ساخته‌اند؟
حالا که با ویژگی‌های این فلزات آشنا شدیم، بیایید ببینیم چگونه در اطراف ما حضور دارند. تصور دنیای امروز بدون فلزات واسطه، غیرممکن است.
در صنعت ساخت‌وساز، آهن و فولاد (آلیاژی از آهن و کربن) اسکلت اصلی ساختمان‌های بلند، پل‌ها و تونل‌ها را تشکیل می‌دهند. استحکام و دوام بالای آهن، امکان ساخت سازه‌های عظیم را فراهم کرده است.
در حمل‌ونقل، بدنه خودروها، قطارها، هواپیماها و کشتی‌ها از فولاد و آلومینیوم (که خود یک فلز است اما واسطه نیست) ساخته می‌شود. همچنین کاتالیزورهای پلاتینی در اگزوز خودروها، آلودگی هوا را به شدت کاهش می‌دهند.
در الکترونیک و فناوری اطلاعات، طلا به دلیل مقاومت در برابر اکسایش و رسانایی عالی، در ساخت تراشه‌های کامپیوتری و اتصالات مهم استفاده می‌شود. مس نیز ستون فقرات شبکه‌های برق و مخابرات در سراسر جهان است.
در پزشکی، تیتانیوم12 به دلیل سازگاری با بدن انسان و مقاومت در برابر خوردگی، برای ساخت ایمپلنت‌های استخوانی و مفاصل مصنوعی به کار می‌رود. ترکیبات نقره نیز خاصیت ضد میکروبی دارند و در پانسمان زخم‌ها استفاده می‌شوند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. این یک اشتباه رایج است. فلزات به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند: فلزات اصلی (مانند آلومینیوم و سدیم)، فلزات واسطه (مانند آهن و مس) و فلزات داخلی (لانتانیدها13 و اکتینیدها14). فلزات واسطه فقط بخشی از فلزات جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند.
زنگ‌زدن در واقع اکسید شدن فلز است. آهن به راحتی با اکسیژن هوا واکنش داده و اکسید آهن ($Fe_2O_3$) که همان زنگ‌آهن است را تشکیل می‌دهد. اما طلا یک فلز "بی‌اثر" یا "اصیل" محسوب می‌شود، یعنی تمایل بسیار کمی برای واکنش با اکسیژن یا سایر مواد دارد. به همین دلیل برای هزاران سال درخشش خود را حفظ می‌کند.
عدد اکسایش یک اتم، بار الکتریکی فرضی آن در یک ترکیب شیمیایی است. چیزی که فلزات واسطه را متمایز می‌کند، توانایی آنها در داشتن چندین عدد اکسایش مختلف است. برای مثال، آهن می‌تواند عدد اکسایش +2 (مانند در $FeO$) و +3 (مانند در $Fe_2O_3$) داشته باشد. این توانایی، دلیل تشکیل ترکیبات متنوع و داشتن خاصیت کاتالیزوری توسط آن‌هاست.
فلزات واسطه، با ویژگی منحصربه‌فرد "در حال پرشدن بودن زیرلایه d" خود، گروهی استثنایی و کاربردی در جدول تناوبی هستند. از رنگ‌آمیزی شیشه‌های کلیساهای قدیمی با کبالت16 تا ساخت فضاپیماها با تیتانیوم، از انتقال برق با مس تا درمان بیماری‌ها با پلاتین، ردپای این فلزات در تمام جنبه‌های زندگی مدرن دیده می‌شود. درک این عناصر، کلید درک بسیاری از فناوری‌هایی است که جهان امروز ما را شکل داده‌اند.
پاورقی
1 فلزات واسطه (Transition Metals)
2 جدول تناوبی (Periodic Table)
3 خاصیت کاتالیزوری (Catalytic Property)
4 ترکیبات رنگی (Colored Compounds)
5 آهن (Iron)
6 مس (Copper)
7 طلا (Gold)
8 کاتالیزور (Catalyst)
9 پلاتین (Platinum)
10 فرآیند هابر (Haber Process)
11 آمونیاک (Ammonia)
12 تیتانیوم (Titanium)
13 لانتانیدها (Lanthanides)
14 اکتینیدها (Actinides)
15 عدد اکسایش (Oxidation State)
16 کبالت (Cobalt)