المعادن غير الحديدية

المعادن غير الحديدية، والمعروفة أيضًا باسم المعادن غير الحديدية بالمعنى الضيق، تشير إلى جميع المعادن باستثناء الحديد (أحيانًا المنغنيز والكروم) والسبائك القائمة على الحديد.

وبصورة واسعة النطاق، تشمل المعادن غير الحديدية أيضًا السبائك غير الحديدية، وهي سبائك مكونة من عنصر واحد أو أكثر مضافة إلى مصفوفة معدنية غير حديدية (عادةً أكبر من 50%).

تعد المعادن غير الحديدية من المواد الأساسية لتنمية الاقتصاد الوطني، وتعتمد الغالبية العظمى من الصناعات مثل الطيران والفضاء والسيارات وتصنيع الآلات والطاقة والاتصالات والبناء والأجهزة المنزلية على المواد المعدنية غير الحديدية للإنتاج. ومع التطور السريع للهندسة الكيميائية الحديثة والزراعة والعلوم والتكنولوجيا، أصبحت مكانة المعادن غير الحديدية في التنمية البشرية مهمة بشكل متزايد. فهي ليست مادة استراتيجية مهمة ووسيلة إنتاج في العالم فحسب، بل إنها أيضًا مادة أساسية للاستهلاك في حياة الإنسان.

الألومنيوم
الألومنيوم هو عنصر معدني له الرمز Al والعدد الذري 13. مادته الأولية عبارة عن معدن أبيض فضي فاتح. لديه قابلية للتمدد. غالبًا ما يتم تصنيع المنتجات على شكل قضبان وصفائح ورقائق ومساحيق وشرائط وخيوط. يمكن تكوين طبقة من فيلم أكسيد في الهواء الرطب لمنع تآكل المعدن. يمكن أن يحترق مسحوق الألومنيوم بعنف عند تسخينه في الهواء وينبعث منه لهب أبيض مبهر. من السهل أن يذوب في محاليل حمض الكبريتيك المخفف وحمض النيتريك وحمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد البوتاسيوم، ولكن من الصعب أن يذوب في الماء. الكثافة النسبية 2.70. نقطة الانصهار 660 درجة. نقطة الغليان 2327 درجة. الألومنيوم هو ثالث أكثر العناصر المعدنية وفرة في قشرة الأرض، بعد الأكسجين والسيليكون. يتطلب تطوير الصناعات الثلاث المهمة للطيران والبناء والسيارات مواد ذات خصائص فريدة من الألومنيوم وسبائكه، مما يسهل إلى حد كبير إنتاج وتطبيق هذا المعدن الجديد الألومنيوم. تطبيق واسع.

نحاس
النحاس هو عنصر معدني وعنصر انتقالي، رمزه الكيميائي Cu، والعدد الذري له 29. النحاس النقي هو معدن ناعم ذو لون برتقالي أحمر وبريق معدني عند قطعه لأول مرة، ولون أحمر أرجواني في شكله العنصري. يتمتع النحاس بقدرة جيدة على السحب، وموصلية حرارية وكهربائية عالية، لذلك فهو المادة الأكثر استخدامًا في الكابلات والمكونات الكهربائية والإلكترونية، ويمكن استخدامه أيضًا كمواد بناء لتشكيل سبائك مختلفة. تتمتع سبائك النحاس بخصائص ميكانيكية ممتازة ومقاومة كهربائية منخفضة، وأهمها البرونز والنحاس الأصفر. بالإضافة إلى ذلك، يعد النحاس أيضًا معدنًا متينًا يمكن إعادة تدويره عدة مرات دون المساس بخصائصه الميكانيكية. تعد أملاح النحاس ثنائية التكافؤ أكثر مركبات النحاس شيوعًا، حيث تظهر الأيونات المائية غالبًا باللون الأزرق وتظهر ربيطات الكلور باللون الأخضر. وهي مصدر الألوان للمعادن مثل الكالكوبيريت والفيروز وقد تم استخدامها على نطاق واسع كصبغات في التاريخ. ستنتج هياكل المباني النحاسية اللون الأخضر النحاسي (كربونات النحاس القلوية) بعد التآكل. تستخدم الفنون الزخرفية النحاس المعدني والأصباغ المحتوية على النحاس بشكل أساسي. يعد النحاس أحد أقدم المعادن التي استخدمها البشر. منذ عصور ما قبل التاريخ، بدأ الناس في استخراج النحاس من مناجم مفتوحة واستخدام النحاس المستخرج لتصنيع الأسلحة والأدوات والأوعية الأخرى. كان لاستخدام النحاس تأثير عميق على تقدم الحضارة البشرية المبكرة. النحاس هو معدن موجود في قشرة الأرض والمحيطات. يبلغ محتوى النحاس في قشرة الأرض حوالي 0.01٪، وفي بعض رواسب النحاس، يمكن أن يصل محتوى النحاس إلى 3٪ إلى 5٪. يوجد النحاس في الطبيعة في الغالب كمركب، أي خام النحاس. يتمتع النحاس بنشاط ضعيف، ويمكن أن يحل التفاعل بين الحديد العنصري وكبريتات النحاس محل النحاس العنصري. النحاس غير قابل للذوبان في الأحماض غير المؤكسدة.

الزنك
الزنك هو عنصر كيميائي له الرمز الكيميائي Zn والعدد الذري 30. وهو يقع في الفترة الرابعة والمجموعة IIB من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية. الزنك هو معدن انتقالي رمادي فاتح وهو رابع أكثر المعادن شيوعًا. في الصناعة الحديثة، يعد الزنك معدنًا لا يمكن الاستغناء عنه ومهمًا في تصنيع البطاريات. بالإضافة إلى ذلك، يعد الزنك أيضًا أحد العناصر النزرة الأساسية لجسم الإنسان، ويلعب دورًا مهمًا للغاية.

بعد دخول القرن الثامن عشر، ساهم التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا في اكتشاف العديد من العناصر المعدنية غير الحديدية الجديدة. ومن بين المعادن غير الحديدية الـ 64 المذكورة أعلاه، تم اكتشاف 13 منها في القرن الثامن عشر، بالإضافة إلى المعادن الثمانية التي تم التعرف عليها وتطبيقها قبل القرن السابع عشر. وتم اكتشاف 39 نوعًا في القرن التاسع عشر، وتم اكتشاف 4 أنواع أخرى في القرن العشرين.

في المجال الطبي الحيوي، تُستخدم المواد القائمة على المعادن غير الحديدية على نطاق واسع بسبب توافقها الحيوي الممتاز وخصائصها الميكانيكية وتحويلها الضوئي الحراري. بالنسبة للمواد الاستهلاكية التدخلية، تلبي المعادن غير الحديدية مثل التيتانيوم والمغنيسيوم والتنتالوم والزنك متطلبات إصلاح العظام وإعادة تشكيل الأوعية الدموية وتُستخدم على نطاق واسع في الممارسة السريرية. في تشخيص وعلاج السرطان، تم أيضًا إثبات قيمة تطبيق المواد النانوية القائمة على المعادن غير الحديدية من خلال تجارب مكثفة في المختبر وفي الجسم الحي. بالإضافة إلى ذلك، تعد الأدوية المعقدة المعدنية ومجسات ركيزة المستشعر من مجالات التطبيق الرئيسية الأخرى للمعادن غير الحديدية، خاصة مع وجود ملايين من الربيطة العضوية، مما يجعل الأطر العضوية المعدنية والمجمعات المعدنية أكثر جدارة بتوقعات الناس.

تتمتع المواد المعدنية غير الحديدية بمجموعة واسعة من التطبيقات في معدات محطات الطاقة. وتشمل المواد المستخدمة بشكل شائع الألومنيوم وسبائك الألومنيوم والنحاس وسبائك النحاس والتيتانيوم وسبائك التيتانيوم وما إلى ذلك. تُستخدم سبائك الألومنيوم بشكل شائع في إنتاج المبادلات الحرارية والأنابيب والحاويات والأغلفة والمسامير؛ تعد سبائك النحاس أكثر ملاءمة لصنع بعض الأجزاء المقاومة للتآكل، مثل التوربينات وقشور المحامل وأكمام العمود وما إلى ذلك؛ تعد سبائك التيتانيوم أكثر ملاءمة للمعدات مثل أنابيب المكثف وشفرات التوربينات في محطات الطاقة الحرارية.

في مجال النقل، فإن السمة الأكثر بروزًا للمعادن غير الحديدية مثل الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم هي كثافتها المنخفضة، مما يجعلها أفضل المواد لتصنيع هياكل الجسم وأجزاء أخرى من المركبات ذات الطاقة الجديدة، والتي يمكن أن تحقق بشكل فعال تخفيف وزن المركبات ذات الطاقة الجديدة. يلعب تطبيق المعادن غير الحديدية مثل الألومنيوم والتيتانيوم دورًا مهمًا للغاية في صناعة الطيران. تعد المواد خفيفة الوزن هي المفتاح لتقليل وزن الطائرات والصواريخ والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية الأخرى، مع توفير دعم مهم لسلامة الطائرات وكفاءة الطاقة. النيكل والنحاس والرصاص هي معادن غير حديدية عالية الكثافة ذات موصلية جيدة، لذلك يتم استخدامها بشكل أساسي في بطاريات طاقة المركبات ومحطات الشحن. يمكن استخدام معادن النيكل والرصاص في تصنيع بطاريات النيكل والهيدروجين وبطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم الثلاثية، حيث يكون الأخير هو نوع البطاريات السائد في المركبات ذات الطاقة الجديدة.

في مجال الهندسة المعمارية، تُستخدم المعادن غير الحديدية على نطاق واسع، مثل منتجات النحاس، والأبواب والنوافذ المصنوعة من سبائك الألومنيوم، وألواح الجدران النحاسية، والأسقف المعدنية. إن استخدام المعادن غير الحديدية يجعل المباني أكثر جمالاً وأمانًا ومتانة وكفاءة في استخدام الطاقة.

في مجال الإلكترونيات، تلعب المواد المعدنية غير الحديدية دورًا مهمًا في تطور تكنولوجيا الرقائق. في عملية تقليص حجم العمليات المتقدمة باستمرار، تلعب المعادن الثمينة ومواد السبائك الخاصة بها دورًا رئيسيًا في تحقيق عرض خطوط صغير ومقاومة كهربائية منخفضة وقوة التصاق عالية وجوانب أخرى. بعد دخول القرن الحادي والعشرين، أضافت مواد الرقائق أكثر من 40 عنصرًا، منها حوالي 90٪ من المعادن الثمينة ومواد المعادن الانتقالية. يستخدم الغاليوم والجرمانيوم على نطاق واسع في مواد أشباه الموصلات والطاقة الجديدة وغيرها من المجالات. ومن بينها، يُعرف الغاليوم باسم "الحبوب الجديدة لصناعة أشباه الموصلات" ويستخدم على نطاق واسع في الطاقة الكهروضوئية والمواد المغناطيسية والطبية والكيميائية، وخاصة الاتصالات اللاسلكية والصمام الثنائي الباعث للضوء وغيرها من المجالات.

في السنوات الأخيرة، أصبحت الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح ومركبات الطاقة الجديدة والطاقة وبطاريات تخزين الطاقة المجالات الرئيسية للنمو في استهلاك المعادن غير الحديدية.