لماذا تعد المعادن أفضل توصيلًا للحرارة مقارنة بغيرها من الأجسام؟

1 إجابة واحدة

عند حديثنا عن الموصّلات الحراريّة أو حتّى الموصلات الكهربائيّة دائمًا ما نسمع بأنّ المعادن هي الخيار الأمثل والذي يتفوّق على جميع أنواع المواد الأخرى وبجدارة، وذلك يعود إلى عدّة عوامل أساسيّة تميّز المعادن عن غيرها من العناصر.

تُعتبر البنيّة الذريّة للمعدن النقي بسيطة ومفهومة ويمكن تفسير الخصائص الذريّة للمعادن المختلفة بشكل واضح وسهل، بالإضافة إلى أنّ الذرات المكوّنة للمعدن يمكن اعتبارها متطابقة ومتشابهة بشكل تام، وبكل الأحوال فإنّ ذرات جميع أنواع المعادن تتألف كسائر أنواع العناصر الكيميائيّة من نواة تضم بداخلها البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات معتدلة الشحنة، بالإضافة إلى وجود الإلكترونات سالبة الشحنة التي تدور حول الذرة ضمن سويّات طاقيّة محدّدة، ولكن ما يميّز المعادن عن سائر العناصر الكيميائيّة هو نشاطها الكيميائي العالي، حيث يمكنها بسهولة التخلي عن إلكترونات التكافؤ؛ وهي الإلكترونات الموجودة في السويّة الطاقيّة الأخيرة للعنصر، وبالتالي التحوّل من ذرة معدن معتدلة كهربائيًّا إلى أيون موجب أو كما يُسمّى أيضًا كاتيون، وهذا ما يجعل من قطعة المعدن من أفضل الموصّلات سواء الحراريّة أو الكهربائيّة، بسبب احتواءها على عدد كبير من الأيونات الموجبة والإلكترونات حرّة الحركة، والذي يزيد من النشاط الكيميائيّ للمعدن وعدد التفاعلات الكيميائيّة الفعّالة التي يقوم بها، بالإضافة إلى تمتّع ذرات المعادن بقدرتها على إنشاء روابط كيميائيّة مختلفة والتي تشمل:

  • الروابط الأيونيّة: وهي الروابط الكيميائيّة التي تنشأ ما بين ذرات المعادن وذرات اللامعادن، والتي تنتقل من خلالها إلكترونات التكافؤ من ذرات المعادن إلى ذرات اللامعادن، وينتج عنها أيون معدني موجب وأيون لامعدني سالب ينجذبان إلى بعضهما بقوة جذب كهربائيّة، مثل الرابطة بين معدن الصوديوم والكلور والتي ينشأ عنها ملح NaCl.
  • رابطة معدنيّة (فلزيّة): هي الرابطة التي تنشأ بين ذرات المعادن والناتجة عن قوة الجذب الإلكتروستاتيكي، والتي تكون على هيئة سحابة إلكترونيّة تضم الإلكترونات الحرّة والكايتونات الموجبة، وهذه الرابطة هي المسؤولة عن الخصائص الفيزيائيّة للمعادن التي تشمل القوة والليونة ومقاومة الحرارة والتوصيل الحراري والكهربائي.

بالتالي بسبب الخصائص المذكورة سابقًا والتي تتمتّع بها ذرات المعادن، يمكن تفسير الناقليّة الحراريّة المميّزة للمعادن، حيث أنّ التوصيل الحراري يحدث عند تسخين المادة؛ فعند تسخين المعدن إلى درجة حرارة مُعيّنة تكتسب الإلكترونات الحرة قدرًا كافيًا من الطاقة والذي يزيد من سرعتها وحركتها العشوائيّة ويؤدّي إلى اهتزاز الذرات واصطدامها بالذرات المجاورة ونقل الطاقة إليها، وعند زيادة التسخين إلى درجة حرارة مناسبة تكتسب الإلكترونات الحرّة الطاقة الكافية التي تسمح لها بالانطلاق من الذرّة لتنبعث على سطح المعدن، وبالتالي يكتسب المعدن شحنة موجبة تزداد تدريجيًا ممّا يزيد من قدرته على جذب الإلكترونات الحرّة المُنتزعة، وهذا ما يُساعد على انتقال الطاقة ضمن المعدن وتوصيل الحرارة بشكل كبير.

كما تُعتبر الإلكترونات الموجودة في المعادن إلكترونات غير متمركزة بالإضافة لكونها إلكترونات حرّة الحركة، لذلك عند تسخين المعدن تكتسب هذه الإلكترونات الطاقة الكافية لتجعلها تهتز بسرعة وتزيد من سرعة حركتها، وبالتالي تزيد من سرعة انتقال الطاقة ضمن المعدن الذي ينتج عنه توصيل حراري عالي الكفاءة. ويمكن ترتيب المعادن الأكثر توصيلًا للحرارة كالتالي من الأكثر إلى الأقل:

  • الفضة Ag.
  • النحاس Cu.
  • الذهب Au.
  • الألمنيوم Al.
  • الزنك Zn.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "لماذا تعد المعادن أفضل توصيلًا للحرارة مقارنة بغيرها من الأجسام؟"؟