מתכות מול אל-מתכות: שני צדדים של הטבלה
למדו איך לזהות מתכות, אל-מתכות ומתכתונים לפי מיקום, מוליכות, ברק ותכונות פיזיקליות נוספות.
החלוקה הגדולה
מתכות
אל-מתכות
מתכתונים
מתכות מול אל-מתכות: ההבדלים המרכזיים
מתכות
תכונות פיזיקליות:
• מבריקות (נצנוץ מתכתי)
• מוליכות חשמל וחום מצוינות
• ניתנות לעיצוב (malleable) - אפשר לפלטט לרדיד
• ניתנות למתיחה (ductile) - אפשר למתוח לחוט
• בדרך כלל מוצקות בטמפרטורת חדר (מלבד כספית)
• צפופות (כבדות יחסית)
דוגמה: ברזל, זהב, כסף, נחושת, אלומיניום
אל-מתכות
תכונות פיזיקליות:
• עמומות (לא מבריקות)
• מבודדות (לא מוליכות חשמל או חום)
• שבירות (נשברות בקלות אם מוצקות)
• לא ניתנות לעיצוב או מתיחה
• יכולות להיות גזים, נוזלים, או מוצקות
• קלות (צפיפות נמוכה)
דוגמה: חמצן, חנקן, פחמן, גופרית, פלואור, כלור
ההבדלים האלה נובעים מההבדלים במבנה האטומי-במיוחד מהאופן שבו האלקטרונים מסודרים.
תכונות מתכות לעומק
מבריקות
מתכות משקפות אור-יש להן "נצנוץ מתכתי" אופייני.
מוליכות חשמל
אלקטרונים חופשיים יכולים לנוע בקלות-מעבירים זרם חשמלי.
מוליכות חום
חום עובר במתכות במהירות-זו הסיבה שסירים עשויים ממתכת.
ניתנות לעיצוב
אפשר לפלטט מתכת לרדיד דק (כמו נייר כסף) בלי לשבור אותה.
ניתנות למתיחה
אפשר למתוח מתכת לחוט דק וארוך (כמו חוטי נחושת).
מוצקות בד"כ
כל המתכות מוצקות בטמפרטורת חדר-מלבד כספית (Hg) שהיא נוזל!
תכונות אל-מתכות לעומק
עמומות
אל-מתכות לא משקפות אור-הן נראות מט (לא מבריקות).
מבודדות
אל-מתכות לא מוליכות חשמל או חום (מלבד גרפיט-חריג!).
שבירות
אל-מתכות מוצקות נשברות בקלות-לא אפשר לפלטט או למתוח אותן.
גזים רבים
רוב האל-מתכות הן גזים בטמפרטורת חדר (O₂, N₂, Cl₂...).
צבעוניות
לאל-מתכות יש צבעים מגוונים-גופרית צהובה, ברום אדום, יוד סגול.
קלות
אל-מתכות בדרך כלל קלות-צפיפות נמוכה.
איפה הן בטבלה המחזורית?
יש כלל פשוט שעוזר לזהות מתכות ואל-מתכות לפי מיקומן בטבלה:
- מתכות: בצד שמאל ומרכז הטבלה (כולל כל מתכות המעבר)
- אל-מתכות: בצד ימין עליון של הטבלה
- מתכתונים: "מדרגה" שמפרידה בין מתכות לאל-מתכות
טיפ: תארו לעצמכם קו "מדרגות" מבורון (B) דרך סיליקון (Si), ארסן (As), וטלור (Te) עד אסטטין (At).
יסודות משמאל לקו = מתכות
יסודות מימין לקו = אל-מתכות
יסודות על הקו = מתכתונים
מתכתונים: היסודות ש"לא יודעים להחליט"
בין מתכות לאל-מתכות יש קבוצה מעניינת של יסודות עם תכונות מעורבות.
מתכתונים (או חצאי-מתכות) הם יסודות שיש להם תכונות של מתכות וגם של אל-מתכות.
המתכתונים העיקריים:
• בורון (B)
• סיליקון (Si)
• גרמניום (Ge)
• ארסן (As)
• אנטימון (Sb)
• טלוריום (Te)
תכונות מתכתיות שלהם:
• מעט מבריקים
• מוליכים חלקית (חצי-מוליכים)
תכונות אל-מתכתיות שלהם:
• שבירים
• לא ניתנים לעיצוב
התכונות המיוחדות של מתכתונים (במיוחד מוליכות חלקית) עושות אותם חיוניים לאלקטרוניקה!
סיליקון (Si)
המתכתון החשוב ביותר!
- מבריק קלות (כמו מתכת)
- שביר (כמו אל-מתכת)
- חצי-מוליך-מוליך חשמל בתנאים מסוימים
- הבסיס לכל שבבי המחשב!
- נפוץ מאוד-אחד היסודות הנפוצים בקרום הארץ
גרמניום (Ge)
חצי-מוליך "אח של סיליקון"
- מבריק (אפור-כסוף)
- שביר
- חצי-מוליך
- שימוש: טרנזיסטורים, תאי שמש
- יותר יקר מסיליקון
ארסן (As)
מתכתון מפורסם ומסוכן
- מבריק מעט
- שביר
- רעיל מאוד!
- שימוש: סגסוגות מיוחדות
- היסטורית: רעל מפורסם
שאלה לחשיבה
למה סיליקון הוא הבסיס לכל שבבי המחשב?
הסיבה: סיליקון הוא חצי-מוליך.
מה זה אומר?
סיליקון לא מוליך חשמל טוב כמו מתכת (כמו נחושת).
סיליקון לא בודד מושלם כמו אל-מתכת (כמו גומי).
הוא באמצע-והאמצע הזה הוא הקסם!
איך זה עובד?
אפשר לשלוט במוליכות של סיליקון:
• להוסיף יסודות מסוימים ("עירוב") ← סיליקון הופך מוליך יותר
• להחיל מתח חשמלי ← סיליקון מוליך או לא מוליך
זה מאפשר ליצור מתגים זעירים (טרנזיסטורים)-מיליארדים בכל שבב!
המתגים האלה הם הבסיס לכל הלוגיקה של המחשב (0 ו-1).
שאלה לחשיבה
למה מתכות מוליכות חשמל טוב יותר מאל-מתכות?
מתכות מוליכות חשמל טוב כי בחומר מתכתי יש אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע בין האטומים. באל-מתכות האלקטרונים קשורים חזק יותר, ולכן הזרם החשמלי כמעט לא עובר דרכן.
מתכות ואל-מתכות בחיי היום-יום
חוטי חשמל (נחושת)
מתכת: נחושת מוליכה חשמל מצוין ונמתחת לחוטים דקים.
סירים (אלומיניום)
מתכת: אלומיניום מוליך חום, קל משקל, וניתן לעיצוב.
תכשיטים (זהב, כסף)
מתכות: מבריקות, לא מחלידות, וניתנות לעיצוב לצורות יפות.
גלגלי רכב (אלומיניום)
מתכת: חזקה, קלה, וניתנת ליציקה לצורות מורכבות.
האוויר (חנקן, חמצן)
אל-מתכות: גזים חיוניים לחיים, חסרי צבע וריח.
בלוני הליום
אל-מתכת: גז קל, לא דליק, לא מגיב.
גרפיט (עיפרונות)
אל-מתכת: פחמן-רך, שחור, מוליך חשמל (חריג!).
שבבי מחשב (סיליקון)
מתכתון: חצי-מוליך-הבסיס לכל האלקטרוניקה המודרנית!
השוואה מהירה: מתכות מול אל-מתכות
| תכונה | מתכות | אל-מתכות | מתכתונים |
|---|---|---|---|
| מבריקות | כן ✓ | לא ✗ | קצת |
| מוליכות חשמל | מצוינת ✓ | לא ✗ | חלקית |
| מוליכות חום | מצוינת ✓ | לא ✗ | חלקית |
| ניתנות לעיצוב | כן ✓ | לא ✗ | לא ✗ |
| שבירות | לא ✗ | כן ✓ | כן ✓ |
| מצב צבירה בד"כ | מוצק | גז/מוצק | מוצק |
| מיקום בטבלה | שמאל ומרכז | ימין עליון | קו גבול |
* חריגים קיימים! למשל: גרפיט (פחמן) הוא אל-מתכת שמוליכה חשמל.
טריק לזיהוי מתכות
איך לדעת אם יסוד הוא מתכת או אל-מתכת?
- מבריק? אם כן ← כנראה מתכת
- מוליך חשמל? אם כן ← כנראה מתכת (או מתכתון)
- ניתן לעיצוב? אם כן ← בטוח מתכת
- נמצא בצד ימין של הטבלה? אם כן ← כנראה אל-מתכת
כספית (Hg) היא המתכת היחידה שהיא נוזל בטמפרטורת חדר!
למה כספית נוזלית?
נקודת ההיתוך של כספית היא -39°C-נמוכה מאוד! בטמפרטורת חדר (כ-20°C) היא כבר מעל נקודת ההיתוך, ולכן נוזלית.
אזהרה!
כספית רעילה מאוד! אדי הכספית מזיקים למוח ולמערכת העצבים.
בעבר, מדי חום הכילו כספית. היום משתמשים בחומרים בטוחים יותר.
גרפיט: החריג המוליך
גרפיט (צורה של פחמן) הוא אל-מתכת, אבל הוא מוליך חשמל!
למה? המבנה המיוחד של גרפיט (שכבות של אטומי פחמן) מאפשר לאלקטרונים לנוע לאורך השכבות.
זו הסיבה שעיפרונות (גרפיט) משאירים סימנים על נייר-ושחצאי-מוליכים מבוססי פחמן הולכים ונעשים נפוצים!
שאלה לחשיבה
למה סיליקון חשוב כל כך לטכנולוגיה המודרנית, ומה הופך אותו לשונה ממתכת רגילה?
סיליקון הוא מתכתון - חצי-מוליך שניתן לשלוט במוליכות שלו. בניגוד למתכת שמוליכה תמיד ואל-מתכת שמבודדת תמיד, סיליקון מוליך רק בתנאים מסוימים. זה מאפשר ליצור מיליארדי טרנזיסטורים (מתגים) בשבב קטן, שהם הבסיס לכל מחשב.