Week 4 · Chapter 1 (D): iron in nature, the iron ores, ore dressing and roasting, reduction in the blast furnace and the gas-reduction furnace, cast iron and steel, the three types of alloys (conceptual: industrial processes are described, never instructed) · 3 lessons
السبيكة · فلز مخلوط بعنصر آخر أو أكثر، وغالبًا بفلزات أخرى، ويظل سلوكه فلزيًّاالسبيكة البينية · ذرات صغيرة كالكربون تقع في فجوات الشبكة البلورية للفلز المضيفالسبيكة الاستبدالية · ذرات متقاربة الحجم والكيمياء تحل محل ذرات الفلز المضيفالمركب البينفلزي · مركب حقيقي بين فلزات له صيغة ثابتة لا تتبع قواعد التكافؤ المعتادة
الشرح
السبيكة فلز مخلوط بعناصر أخرى، وغالبًا بفلزات أخرى وأحيانًا بلا فلز. فالصلب حديد مع كربون؛ أما الفيروكروم والفيرومنجنيز والفيرو فاناديوم والفيرونيكل فحديد مع فلز آخر. وفي الصناعة تُصنع السبائك بصهر مكوناتها معًا ثم تبريدها ببطء، أو بترسيب الفلزات معًا من محلول. وتتوقف أنواعها الثلاثة على حجم الذرات وكيمياؤها. ففي السبيكة البينية تقع ذرات صغيرة، كالكربون أو النيتروجين، في الفجوات بين ذرات الفلز الكبيرة؛ فلا تنزلق طبقات الفلز المضيف بسهولة ويصير الفلز أصلب. والصلب هو المثال الرئيس. وفي السبيكة الاستبدالية تحلّ ذرات متقاربة الحجم والكيمياء بعضها محل بعض: الكروم (نحو 128 pm) في الحديد (نحو 126 pm) يعطي الصلب الذي لا يصدأ، والخارصين في النحاس يعطي النحاس الأصفر. أما المركب البينفلزي فمركب حقيقي بنسبة ثابتة لا تتبع قواعد التكافؤ المعتادة، مثل Au₂Pb أو Fe₃C (كربيد الحديد). والدورالومين سبيكة ألومنيوم تُستعمل حيث يلزم خفة الكتلة مع القوة.
النوع
حجم الذرات
كيف تتوضع الذرات
مثال
بينية
الذرة الغريبة أصغر كثيرًا
في الفجوات
الصلب (C في Fe)
استبدالية
متقاربة
تتبادل المواضع
الصلب الذي لا يصدأ (Cr في Fe)، النحاس الأصفر
بينفلزية
—
صيغة ثابتة، مركب
Fe₃C، Au₂Pb
أمثلة محلولة
التصنيف بحجم الذرة (أنصاف أقطار تقريبية: Fe 126 pm وCr 128 pm وC 77 pm). الكربون أصغر كثيرًا من الحديد، فتقع ذراته في الفجوات: سبيكة بينية، وهي الصلب. والكروم يقارب الحديد في الحجم، فتتبادل ذراته المواضع: سبيكة استبدالية، وهي الصلب الذي لا يصدأ.
لماذا السبائك أصلب من الفلز النقي. في الفلز النقي تنزلق طبقات الذرات المتماثلة بعضها فوق بعض بسهولة نسبية. والذرة الغريبة ذات الحجم المختلف تقع في الطريق وتعوق الانزلاق، فيلزم قدر أكبر من القوة لثني الفلز.
مركب صيغته ثابتة. في Fe₃C ثلاث ذرات Fe لكل ذرة C (Fe = 56, C = 12): M = 3 × 56 + 12 = 180 g/mol، والكربون 12 ÷ 180 × 100 = 6.67 % بالكتلة. أما السبيكة البينية فليس لها نسبة ثابتة كهذه: يمكن أن يتغير محتوى الكربون فيها تدريجيًّا.
نشاط الفصل
نموذج بالعملات دون تسخين. ضع طبقة مسطحة من عملات متماثلة على الطاولة وأزلق طبقة ثانية فوقها: لاحظ سهولة حركتها. ثم انثر بضع حبات عدس بين الطبقتين، أو استبدل عملة بعملة أكبر، وأزلق مرة أخرى. اكتب ما لاحظته ونوع السبيكة الذي يمثّله كل تغيير (العدس: بينية، العملة المختلفة الحجم: ذرة غريبة). وقل بأمانة أين لا يصح النموذج.
تدرّب
1
يُسبك النيكل (نحو 124 pm) مع النحاس (نحو 128 pm). أي نوع من السبائك يتكوّن، ولماذا؟
استبدالية: الذرتان متقاربتا الحجم، فتحلّ إحداهما محل الأخرى في الشبكة.
2
تذوب ذرات النيتروجين (نحو 70 pm) في الحديد. أي نوع من السبائك هذا؟
بينية: النيتروجين أصغر كثيرًا من الحديد فيقع في الفجوات.
3
لماذا يُسمّى Au₂Pb مركبًا بينفلزيًّا؟
لأن له صيغة ثابتة، ذرتي Au لكل ذرة Pb، لا تتبع قواعد التكافؤ المعتادة. إنه مركب حقيقي بين فلزين.
