بنية الذرة والروابط الكيميائية

كل ما تعرفه عن المعادن — صلابتها، موصليتها، قابليتها للتشكيل — ينبع من بنية ذراتها. لذلك يبدأ علم المواد من مستوى أعمق مما تظن.

تتكون الذرة من نواة (بروتونات + نيوترونات) وقشرة من الإلكترونات. تجلس الإلكترونات في أغلفة، والغلاف الخارجي — إلكترونات التكافؤ — هو الذي يحدد السلوك الكيميائي. المعادن لديها إلكترونات تكافؤ قليلة وضعيفة الارتباط. وهذا بالضبط سرها.

في المعدن، تتنازل الذرات عن إلكترونات التكافؤ في وعاء مشترك: "غاز إلكتروني" يتحرك بحرية عبر الشبيكة. الأجسام الذرية موجبة الشحنة تسبح في هذا البحر من الإلكترونات السالبة. هذا هو الرابط المعدني. يفسر تقريباً كل شيء:

• الموصلية: الإلكترونات الحرة تنقل الكهرباء والحرارة. لذلك النحاس يوصل أفضل من الفولاذ والفولاذ أفضل من السيراميك.

• قابلية التشكيل: عند ثني المعدن، تنزلق الأجسام الذرية فوق بعضها — لكن سحابة الإلكترونات تمسكها معاً. لذلك يمكن طرق المعدن ودرفلته وثنيه دون أن ينكسر.

• اللمعان: الإلكترونات الحرة تعكس الضوء.

بجانب الرابط المعدني يوجد الرابط الأيوني (تُنقل الإلكترونات بالكامل، مثل ملح الطعام) والرابط الذري (تُشارك الإلكترونات، مثل الألماس). كلاهما مهم في السيراميك والبلاستيك — ويفسران لماذا هما هشّان: لا يمكنهما التشكل مثل المعادن دون أن ينكسروا.

بالنسبة هناك أمر ثالث حاسم: . عندما تضع ذرة غريبة في شبيكة معدنية، هناك احتمالان. إما أن تكون الذرة الغريبة مشابهة في الحجم وتحل محل ذرة مضيفة — (مثل في الحديد). أو أن تكون صغيرة بما يكفي لتدخل في الفراغات — (مثل في الحديد).

هذه ذرات الكربون المُدخلة بالتحديد هي سبب قدرة الفولاذ على التقسية: فهي تُجهد الشبيكة. المزيد في المقال عن وتكوين .