مادة غير معدنية

المواد غير المعدنية، أو ببساطة " اللافلزات" ، تشير إلى المواد التي لا تُصنّف ضمن المعادن . ويُستخدم هذا المصطلح بطرق مختلفة قليلاً حسب السياق. ففي الحياة اليومية، يُستخدم كمصطلح عام للمواد التي لا تُعدّ معادن نموذجية، مثل سبائك الحديد المستخدمة في الجسور، كالبلاستيك والخشب والسيراميك. وفي بعض فروع الكيمياء، وخاصة الجدول الدوري ، يُستخدم للإشارة إلى العناصر الكيميائية التي لا تُظهر خصائص معدنية في ظروف الضغط والحرارة القياسية . كما يُستخدم أحيانًا لوصف فئات واسعة من ذرات التطعيم في المواد. وفي الاستخدام العلمي العام، يُشير المصطلح إلى المواد التي لا تحتوي على إلكترونات قادرة على الحركة بحرية، أو بعبارة أدق، لا توجد حالات متاحة عند مستوى فيرمي ، وهو مستوى طاقة الإلكترونات عند الاتزان. ولأسباب تاريخية، يوجد تعريف مختلف تمامًا للمعادن في علم الفلك ، حيث يُعتبر الهيدروجين والهيليوم فقط من اللافلزات. وقد يُستخدم المصطلح أيضًا كنافي للمواد ذات الأهمية، كما هو الحال في علم المعادن أو تشكيل المعادن .

يمكن أن تؤدي التغيرات في البيئة، وخاصة درجة الحرارة والضغط، إلى تحويل اللافلزات إلى فلزات، والعكس صحيح؛ ويرتبط هذا دائمًا بتغير جوهري في البنية، يُعرف بانتقال الطور . كما يمكن أن تؤدي مؤثرات خارجية أخرى، مثل المجالات الكهربائية، إلى ظهور اللافلزات في بعض المناطق، كما هو الحال في بعض أجهزة أشباه الموصلات . وهناك أيضًا العديد من الظواهر الفيزيائية التي لا توجد إلا في اللافلزات، مثل الكهروإجهادية والكهروإجهادية المرنة .

كان النهج الأصلي لدراسة التوصيل الكهربائي في اللافلزات قائمًا على بنية نطاقية ذات إلكترونات غير متمركزة (أي منتشرة في الفضاء). في هذا النهج، يمتلك اللافلز فجوة في مستويات طاقة الإلكترونات عند مستوى فيرمي . ^{[ 1 ] : الفصلان 8 و19.} في المقابل، يمتلك المعدن نطاقًا واحدًا على الأقل مشغولًا جزئيًا عند مستوى فيرمي؛ ^{[ 1 ]} أما في أشباه الموصلات أو العوازل، فلا توجد حالات غير متمركزة عند مستوى فيرمي، انظر على سبيل المثال آش كروفت وميرمين . ^{[ 1 ]} هذه التعريفات تُعادل القول بأن المعادن تُوصل الكهرباء عند الصفر المطلق ، كما اقترح نيفيل فرانسيس موت ، ^{[ 2 ] : 257} ، ويُستخدم التعريف المكافئ عند درجات حرارة أخرى بشكل شائع في كتب مثل "كيمياء اللافلزات" لرالف ستودل ^{[ 3 ]} ، وفي دراسات حول انتقالات المعدن-العازل . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

في الدراسات المبكرة ^{[ 6 ] [ 7 ]} ، استند تفسير بنية النطاقات هذا إلى منهج الإلكترون المفرد مع مستوى فيرمي في فجوة النطاق كما هو موضح في الشكل، دون تضمين صورة كاملة لمسألة الأجسام المتعددة حيث يمكن أن تؤثر كل من حدود التبادل والترابط ، بالإضافة إلى التأثيرات النسبية مثل اقتران الدوران المداري . وكانت الإضافة الرئيسية التي قدمها موت ورودولف بيرلز هي أنه لا يمكن تجاهل هذه التأثيرات. ^{[ 8 ]} على سبيل المثال، سيكون أكسيد النيكل معدنًا إذا تم استخدام منهج الإلكترون المفرد، ولكنه في الواقع يمتلك فجوة نطاق كبيرة جدًا. ^{[ 9 ]} اعتبارًا من عام 2024، أصبح من الشائع استخدام منهج قائم على نظرية الكثافة الوظيفية حيث يتم تضمين حدود الأجسام المتعددة. ^{[ 10 ] [ 11 ]} بدلاً من الإلكترونات المفردة، يتضمن ملء النطاقات جسيمات شبه حقيقية تسمى المدارات، وهي حلول شبيهة بالجسيم المفرد لنظام يحتوي على مئات إلى آلاف الإلكترونات. على الرغم من أن الحسابات الدقيقة لا تزال تمثل تحديًا، إلا أن نتائج معقولة متاحة الآن في كثير من الحالات. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

من الشائع أيضًا تعديل بعض التفاصيل في التعريفات المبكرة لآلان هيريس ويلسون وموت. وكما ناقش الكيميائي بيتر إدواردز وزملاؤه ^{[ 15 ]} ، وكذلك فوميكو يونيزاوا [ ^{2 ] : 257-261 ،} من المهم عمليًا مراعاة درجات الحرارة التي تُستخدم عندها كل من المعادن واللافلزات. وتقدم يونيزاوا تعريفًا عامًا: ^{[ 2 ] : 260}

عندما تكون المادةيتصرفإذا كان معامل درجة حرارة التوصيل الكهربائي للمادة غير موجب في ظل ظروف بيئية معينة، فإن المادة تكون معدنية في ظل تلك الظروف. أما المادة التي لا تستوفي هذه الشروط فلا تكون معدنية في ظل تلك الظروف البيئية.

تُعدّ تعريفات بنية النطاقات للفلزية الأكثر استخدامًا، وهي تنطبق على العناصر المفردة مثل البورون العازل ^{[ 16 ]} ، وكذلك على المركبات مثل تيتانات السترونتيوم ^{[ 17 ]} . (هناك العديد من المركبات التي تمتلك حالات عند مستوى فيرمي وتكون فلزية، على سبيل المثال نتريد التيتانيوم ^{[ 18 ]} ) . توجد العديد من الطرق التجريبية للتحقق من وجود اللافلزات عن طريق قياس فجوة النطاق ، أو عن طريق حسابات ميكانيكا الكم من المبادئ الأولى ^{[ 19 ]} .

يتمثل أحد البدائل في علم المعادن في اعتبار السبائك القابلة للطرق المختلفة ، مثل الفولاذ وسبائك الألومنيوم وما شابهها، معادن، ومواد أخرى لا فلزات؛ ^{[ 20 ]} يُطلق على تصنيع المعادن اسم تشكيل المعادن ، ^{[ 21 ]} ولكن لا يوجد مصطلح مقابل لللافلزات. غالبًا ما يكون هذا التعريف الفضفاض شائع الاستخدام، ولكنه قد يكون غير دقيق. على سبيل المثال، في هذا الاستخدام، تُعتبر المواد البلاستيكية لا فلزات، ولكن في الواقع توجد بوليمرات موصلة (كهربائيًا) ^{[ 22 ] [ 23 ]} والتي ينبغي وصفها رسميًا بأنها معادن. وبالمثل، ولكن بشكل أكثر تعقيدًا، تتصرف العديد من المواد التي تُعد أشباه موصلات (لا فلزية) مثل المعادن عندما تحتوي على تركيز عالٍ من الشوائب ، وتُسمى أشباه موصلات متدهورة . ^{[ 24 ]} يمكن العثور على مقدمة عامة لمعظم هذا في كتاب فوميكو يونيزاوا لعام 2017 ^{[ 2 ] : الفصل 1}

يُستخدم مصطلح "اللافلزات" (في الكيمياء) أيضًا للإشارة إلى العناصر التي لا تُعتبر فلزية في حالتها الأرضية الطبيعية؛ وتُستثنى المركبات أحيانًا من هذا المصطلح. تستخدم بعض الكتب الدراسية مصطلح " العناصر اللافلزية"، مثل كتاب "كيمياء اللافلزات" لرالف ستودل ، ^{[ 25 ] : 4} ، الذي يستخدم أيضًا التعريف العام من حيث التوصيل ومستوى فيرمي. ^{[ 25 ] : 154.} غالبًا ما يُستخدم النهج القائم على العناصر في التدريس لمساعدة الطلاب على فهم الجدول الدوري للعناصر، ^{[ 26 ]} على الرغم من أنه تبسيط مفرط في التدريس . ^{[ 27 ] [ 28 ]} العناصر الموجودة في أعلى يمين الجدول الدوري هي لا فلزات، والعناصر الموجودة في المنتصف ( الفلزات الانتقالية واللانثانيدات ) والعناصر الموجودة على اليسار هي فلزات. ويُستخدم مصطلح "شبه الفلز " كمصطلح وسيط لبعض العناصر.

يُستخدم هذا المصطلح أحيانًا لوصف شوائب عناصر محددة في المركبات أو السبائك أو تركيبات المواد، وذلك باستخدام تصنيف الجدول الدوري. على سبيل المثال، تُستخدم أشباه الفلزات غالبًا في سبائك درجات الحرارة العالية، ^{[ 29 ]} واللافلزات في التصليد بالترسيب في الفولاذ والسبائك الأخرى. ^{[ 30 ]} يتضمن هذا الوصف ضمنيًا معلومات حول ما إذا كانت الشوائب تميل إلى أن تكون مستقبلات للإلكترونات تؤدي إلى مركبات ذات روابط تساهمية، بدلًا من الروابط المعدنية أو مستقبلات الإلكترونات.

يُستخدم نهج مختلف تمامًا في علم الفلك، حيث يُستخدم مصطلح "المعدنية" للإشارة إلى جميع العناصر الأثقل من الهيليوم، وبالتالي فإن اللافلزات الوحيدة هي الهيدروجين والهيليوم. هذه حالة شاذة تاريخيًا. في عام 1802، لاحظ ويليام هايد ولاستون ^{[ 31 ]} ظهور عدد من السمات الداكنة في الطيف الشمسي. ^{[ 32 ]} في عام 1814، أعاد جوزيف فون فراونهوفر اكتشاف هذه الخطوط بشكل مستقل، وبدأ بدراستها وقياس أطوال موجاتها بشكل منهجي ، وتُعرف الآن باسم خطوط فراونهوفر . قام برسم خريطة لأكثر من 570 خطًا، مُشيرًا إلى أبرزها بالأحرف من A إلى K، وإلى الخطوط الأضعف بأحرف أخرى. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

بعد حوالي 45 عامًا، لاحظ غوستاف كيرشوف وروبرت بنسن ^{[ 36 ]} أن العديد من خطوط فراونهوفر تتطابق مع خطوط الانبعاث المميزة الموجودة في أطياف العناصر الكيميائية المُسخّنة. ^{[ 37 ]} واستنتجا أن الخطوط الداكنة في الطيف الشمسي ناتجة عن امتصاص العناصر الكيميائية في الغلاف الجوي الشمسي. ^{[ 38 ]} وقد أجريت ملاحظاتهما ^{[ 39 ]} في نطاق الضوء المرئي، حيث تنبعث أقوى الخطوط من معادن مثل الصوديوم والبوتاسيوم والحديد. ^{[ 40 ]} في الدراسات المبكرة حول التركيب الكيميائي للشمس، كانت العناصر الوحيدة التي تم رصدها في الأطياف هي الهيدروجين ومعادن مختلفة، ^{[ 41 ] : 23-24،} وكان مصطلح "فلزي" يُستخدم بكثرة عند وصفها. ^{[ 41 ] : الجزء 2.} في الاستخدام المعاصر، تُسمى جميع العناصر الإضافية غير الهيدروجين والهيليوم "فلزية".

لاحظ عالم الفيزياء الفلكية كارلوس جاشيك ، وعالمة الفلك النجمي وعالمة الأطياف مرسيدس جاشيك، في كتابهما "تصنيف النجوم" ، ما يلي: ^{[ 42 ]}

يستخدم المتخصصون في دراسة باطن النجوم مصطلح "المعادن" للإشارة إلى أي عنصر باستثناء الهيدروجين والهيليوم، وبالتالي فإن مصطلح "وفرة المعادن" يشمل جميع العناصر باستثناء هذين العنصرين. وهذا مضللٌ للغاية بالنسبة لعلماء التحليل الطيفي، لأنهم يستخدمون المصطلح بمعناه الكيميائي. من جهة أخرى، يستخدم علماء قياس الضوء ، الذين يرصدون التأثيرات المشتركة لجميع الخطوط الطيفية (أي دون تمييز العناصر المختلفة)، مصطلح "وفرة المعادن" غالبًا، وفي هذه الحالة قد يشمل المصطلح أيضًا تأثير خطوط الهيدروجين.

توجد حالات عديدة يكون فيها العنصر أو المركب فلزيًا في ظروف معينة، ولا فلزيًا في ظروف أخرى. ومن الأمثلة على ذلك الهيدروجين الفلزي الذي يتكون تحت ضغوط عالية جدًا. ^{[ 44 ]} وهناك حالات أخرى كثيرة كما ناقشها موت، ^{[ 4 ]} وإينادا وآخرون، ^{[ 5 ]} ومؤخرًا يونيزاوا. ^{[ 2 ]}

قد تحدث أيضًا تحولات موضعية إلى مادة غير فلزية، لا سيما في أجهزة أشباه الموصلات . ومن الأمثلة على ذلك ترانزستور تأثير المجال، حيث يمكن أن يؤدي المجال الكهربائي إلى منطقة لا توجد فيها إلكترونات عند مستوى فيرمي ( منطقة الاستنزاف ). ^{[ 45 ] [ 46 ]}

تتمتع اللافلزات بمجموعة واسعة من الخصائص، فعلى سبيل المثال، يُعد الماس، وهو لا فلز، أصلب مادة معروفة، بينما يُستخدم ثاني كبريتيد الموليبدينوم، وهو لا فلز، كمادة تشحيم صلبة في الفضاء. ^{[ 47 ]} وهناك بعض الخصائص الخاصة بها لعدم وجود إلكترونات عند مستوى فيرمي. أهم هذه الخصائص، والتي تتوفر تفاصيل إضافية عنها في الروابط التالية: ^{[ 1 ] : الفصول 27-29 [ 48 ]}

• الاستقطاب العازل ، ^{[ 49 ]} يعادل تقريبًا محاذاة ثنائيات الأقطاب المحلية مع المجال الكهربائي، كما هو الحال في المكثفات .
• الانقباض الكهربائي ، ^{[ 50 ]} هو تغير في الحجم بسبب المجال الكهربائي، أو بشكل أدق كثافة الاستقطاب .
• تُعرف ظاهرة المرونة الكهربائية بوجود اقتران بين تدرجات الإجهاد والاستقطاب. ^{[ 51 ]} ويلعب هذا دورًا في توليد الكهرباء الساكنة نتيجةً للتأثير الكهروإجهادي . ^{[ 52 ]}
• الكهروإجهادية ، وهي اقتران بين الاستقطاب والإجهادات الخطية. ^{[ 50 ]}
• انخفاض المقاومة مع درجة الحرارة، بسبب وجود المزيد من حاملات الشحنة (عبر إحصائيات فيرمي-ديراك ) المتاحة في نطاقات الطاقة الأعلى المشغولة جزئيًا ^{[ 1 ] [ 53 ]}
• تُسمى زيادة الموصلية عند التعرض للضوء أو الأشعة فوق البنفسجية بالموصلية الضوئية . وهذا مشابه لتأثير درجة الحرارة، ولكن مع قيام الفوتونات بإثارة الإلكترونات إلى حالات مشغولة جزئيًا. ^{[ 54 ]}
• تنقل المجالات الكهربائية كما في شكل المكثف أعلاه؛ في المعدن يوجد حجب للمجال الكهربائي يمنع ذلك على مسافات صغيرة جدًا، انظر الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية . ^{[ 55 ]}

• وفرة العناصر الكيميائية
• عوازل نقل الشحنة – مواد لا فلزية بسبب انتقال الشحنة بين الذرات 
• آليات نقل الشحنة – نماذج لتدفق التيار الكهربائي 
• قوة العزل الكهربائي - درجة العزل 
• التوصيل الكهربائي – مقياس لقدرة المادة على مقاومة أو توصيل التيار الكهربائي. صفحات تعرض أوصافًا موجزة لأهداف إعادة التوجيه 
• عازل كوندو – نظام مترابط بقوة ذو فجوة نطاق ضيقة عند درجات حرارة منخفضة 
• قائمة مراجع البيانات للعناصر الكيميائية
• قائمة عمليات التصنيع - عمليات التصنيع 
• قائمة خصائص المواد
• قائمة حالات المادة
• دالة توزيع المعدنية – توزيع نسبة الحديد إلى الهيدروجين في النجم ضمن مجموعة من النجوم 
• عازل موت – عوازل كهربائية يُتوقع عادةً أن تكون موصلة 
• انتقال الموصل الفائق إلى العازل – نوع من أنواع انتقال الطور الكمومي. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه. 
• العازل الطوبولوجي – حالة من حالات المادة ذات كتلة عازلة ولكن حدود موصلة