الخواص الكيميائية للفلزات

توجد معظم الفلرات، بما في ذلك العناصر الممثلة و الانتقالية، في الطبيعة على شكل مركبات و ليس عناصر حرة. فالمحيطات، على سبيل المثال

، توفر مخزونا هائلاً الخامات المعدنية؛ حيث توجد للفلزات بشكل رئيسي على هيئة مركبات الكبريتيدات و الهاليدات الذائبة. الماغنسيوم Mg ، يعتبر مصدره الأساسي هو المحيط؛ حيث يوجد في خام يسمى الكارناليت 'ملح مزدوج لكلوريد كل من البوتاسيوم و الماغنسيوم' و صيغته الكيميائية هي: KCl.MgCl2.6H2O. و الاهتمام بالمحيطات آخذ في التزايد، كمصدر للمواد الخام؛ خاصة بعد أن  يستنفذ الإنسان مصادر الترسبات المعدنية على الأرض اليابسة!.

المركبات الكيميائية للفلزات

• أملاح الكربونات: توجد بعض الفلزات على شكل ترسبات لكربوناتها . الحجر الجيري، مثال لمركب هو كربونات الكالسيوم CaCO3 ، بشكل رئيسي. و أحد أشكال الحجر الجيري يسمى الدولوميت، و هو ملح مزدوج لكربونات كل من الكالسيوم و الماغنسيوم و صيغته الكيميائية هي: MgCO3.CaCO3 الذي يتم طحنه لكي يستخدم في المزارع؛ لتقليص حموضة التربة. بالطبع نعرف أن الأحماض تتفاعل مع املاح الكربونات ،.  كذلك مع املاح البيكربونات، و يتصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون. و الدولوميت يزود التربة بالماغنسيوم الضروري لتحضير الكلوروفيل في النبات؛ الذي بدوره يمتص ضوء الشمس للقيام بعملية البناء الضوئي.
• الأكاسيد من المصادر الهامة للفلزات؛ مثل أكسيد الألومنيوم و صيغته Al2O3 . أكسيد الحديديك Fe2O3 . كما أن أملاح الكبريتيد هي المصدر الرئيسي للرصاص، مثل كبريتيد الرصاص PbS. 
• و بغض النظر عن نوعية الخام، فإن الفلزات توجد دائما في الطبيعة في حالة تأكسد موجبة. و هذا يدفعنا إلى التفكير في فكرة استخلاص الفلزات من خاماتها.

فكرة استخلاص الفلزات 

 لكي يتم تحضير العنصر في حالة نقية يجب إجراء عملية اختزال كيميائي له. بالطبع تتوقف طبيعة عملية الاختزال الكيميائي على مدى سهولة اختزال الفلز، بالإضافة إلى التكلفة الاقتصادية. كما سنرى في الفقرة التالية.

• بعض الفلزات يتم اختزالها بسهولة؛ بحيث أن الكثير من مركباتها يمكن أن تتحلل بمجرد تسخينها عند درجات حرارةحرارة منخفضة نسبياً. فقد أنتج بريستلي Priestley الزئبق و الأكسجين، خلال تجاربه المتعلقة بغاز الأكسجين. بمجرد تسخين أكسيد الزئبق الاحمر باستخدام ضوء الشمس المركز بواسطة عدسة محدبة. و في تلك التجربة، تحلل أكسيد الزئبقHgO تلقائيا ، حسب المعادلة التالية:

• 2 HgO → 2 Hg + O2

باستثناء بعض الحالات القليلة، يعتبر التحلل الحراري طريقة غير عملية لاستخلاص الفلزات.

• و عوضا عن التحلل الحراري ، نقوم بجعل مركبات تلك الفلزات تتفاعل مع مادة ذات قوة اختزالية اقوى من الفلز المطلوب. و يعتبر الكربون من أكثر العناصر المستعملة في اختزال أكاسيد الفلزات. فالقصدير و الرصاص، مثلاً، من الفلزات الممكن إنتاجها بتسخين اكاسيدهما مع الكربون، حسب المعادلتين التاليتين:
• 2 Sn O + C →2 Sn +  CO2

2 Pb O + C → 2 Pb + CO2

•  من العوامل المختزلة، بالإضافة إلى الكربون، هو غاز الهيدروجين الذي يستخدم في تحرير الفلزات ذات النشاط الكيميائي المتوسط من مركباتها. اعني بالنشاط المتوسط أن هذه العناصر تقع أسفل الهيدروجين في متسلسلة النشاط الكيميائي. فيمكننا كتابة المعادلتين السابقتين مع استبدال الكربون بالهيدروجين. و لكن في هذه الحالة يتصاعد بخار الماء بدلا من ثاني أكسيد الكربون.

• الفلزات الاكثر نشاطاً: يمكن استعمال الفلزات الاكثر نشاطاً من العنصر المطلوب في عملية الاختزال. كما يحدث في الخلايا الجلفانية. و مثلا تم تحضير الألومنيوم لاول مرة سنة 1825 عن طريق تفاعل كلوريد الألومنيوم مع فلز أكثر نشاطاً، و هو البوتاسيوم الذي نراه في أعلى متسلسلة النشاط الكيميائي، كما في المعادلة التالية:

• 3 K + Al Cl3 → 3 K Cl + Al

التكلفة الاقتصادية

تعاني عملية الاختزال بواسطة العناصر النشيطة، كالبوتاسيوم، من مشكلة هامة؛ و هي توافر و ثمن عامل الاختزال. طبقا لهذه الطريقة يجب تكوين كل عامل من عوامل الاختزال بتفاعل أحد مركباته مع عامل اختزال اقوى منه!. و أخيراً يجب بالطبع أن يوجد عامل اختزال يعتبر ' الافضل'. فكيف يمكن تحضير مثل هذه المادة إذا لم يكن هناك عامل اختزال افضل منه لاختزال مركباته؟

التحليل الكهربي هو الحل

من المعروف أن تطبيق فرق جهد مناسب يمكنه إحداث أي عملية من عمليات التاكسد- الاختزال. بالتالي، فإن الفلزات التي تعتبر عوامل اختزال قوية جداً، يتم تحضيرها عن طريق التحليل الكهربي. و من فلزات العناصر الممثلة التي تحضر بهذه الطريقة، الفلزات النشيطة في المجموعة 1 ، مثل الصوديوم والبوتاسيوم. و الفلزات في المجموعة 2 بالجدول الدوري الحديث ، مثل الكالسيوم و الماغنسيوم.

   و مع أن العناصر الفلزية في المجموعة 13، مثل الالومنيوم، تكون أقل نشاطاً من الفلزات القلوية كالصوديوم، فهي أيضا تنتج عند التحليل الكهربي.

•  و اذا كانت المادة المستخدمة في التحليل الكهربي مصهورة، غالبا يستعمل هاليد الفلز؛ لانخفاض درجة انصهاره نسبيا. و يستثنى من ذلك انتاج الألومنيوم بطريقة هول Hall ، حيث يتم استخدام خام الكريوليت Na3AlF3 المصهور كمذيب لاكسيد الالومنيوم Al2O3. حيث يساهم في خفض درجة الانصهار. ثم يتم اختزال أكسيد الألومنيوم بالتحليل الكهربي.

• خواص الفلزات القلوية في المجموعة 1 بالجدول الدوري الحديث: 

بالرغم من أن الهيدروجين يوجد بالمجموعة الأولى ، إلا أن خواصه تختلف تماما عن خواص باقي الفلزات القلوية بنفس المجموعة.
لماذا تسمى بالفلزات القلوية؟

لان اكاسيدها تتفاعل بعنف مع الماء منتجة محاليل قلوية. مثلا يتفاعل أكسيد الصوديوم مع الماء منتجا هيدروكسيد الصوديوم، حسب المعادلة التالية

Na2O + H2O ➡️ 2 Na OH

و تتفاعل باقي عناصر المجموعة الأولى بطريقة مشابهة مع الماء. هذه العناصر، من أعلى لاسفل، هي الليثيوم Li ، الصوديوم Na ، البوتاسيوم K ، الروبيديوم Rb، السيزيوم Cs ، و الفرانسيوم Fr.

• و لجميع الفلزات القلوية الكترونا في الغلاف الخارجي، وحيدا ضعيف الارتباط بالنواة. و عندما تفقد الذرة ذلك الالكترون اليتيم تتحول إلى أيون موجب الشحنة +1 . و هي حالة التاكسد الوحيدة، عدا الصفر طبعاً للذرة المفردة، التي تبدو على هذه العناصر. 
• يوضح التشابه الكيميائي و كذلك الفيزيائي لهذه العناصر، بطريقة مذهلة، الأساس للجدول الدوري: أي وضع العناصر ذات الخواص المتشابهة في نفس العمود الرأسي.

وجود الفلزات القلوية في الطبيعة 

• الصوديوم و البوتاسيوم هما الأكثر توافرا. لذلك ، لا تتعجب عزيزي القارئ، عندما تجد أنهما من أهم الفلزات من الناحية البيولوجية. حيث تلعب أيونات الصوديوم و البوتاسيوم دورا حيويا، و يجب على جسم الإنسان أن يحافظ على التوازن القائم بينهما؛ حتى يستطيع أن يؤدي وظائف جسمه، كنقل الرسائل العصبية، بطريقة جيدة. أما في عالم النبات، بيلعب البوتاسيوم دورا أكثر أهمية من الصوديوم.. و لكن هذا ليس موضوعنا!.
• 
   
• و يتواجد الليثيوم و الروبيديوم و السيزيوم في القشرة الأرضية بكميات أقل بكثير من الصوديوم و البوتاسيوم؛ لذلك فهذه العناصر غالية الثمن. و تطبيقاتها محدودة للغاية.
•  أما بالنسبة للفرانسيوم فهو عنصر مشع، و لا يتجاوز عمر النصف لأطول نظائره حياة Fr و عدده الكتلي 223، واحد و عشرون دقيقة فقط!. و يتم إنتاج للفرانسيوم خلال   التحلل الإشعاعي لنظير مشع هو الاكتينيوم Acو عدده الكتلي 227 ، مع فقد جسيم ألفا He. 
• و نظرا لقصر عمر النصف لعنصر للفرانسيوم ؛ فإن الكمية التي توجد في كل القشرة الأرضية في أي وقت لا تتجاوز 30 جراما فقط!.