الكيمياء

عملية “التبادل الذري لأيونات المعادن” والعوامل التي تعتمد عليها

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الرابع

KFAS

عملية التبادل الذري لأيونات المعادن المعان عوامل عملية التبادل الذري لأيونات المعادن الكيمياء

من المعروف أن التركيب الأيوني في الفراغ يمتد في ثلاث اتجاهات مكوناً النظام الشبكي Network.

وهنا نستطيع القول إن أي أيون في التركيب الفراغي للمعدن يمكن أن يحل مكانه أيون آخر مشابه له في نصف قطره الأيوني شريطة ألا يحدث أي تحطيم للنظام التركيبي. 

ونظراً لأن المعادن تتبلور من محاليل محتوية على كثير من الأيونات الغريبة بالإضافة إلى الأيونات التي تكون المعدن أساساً، فإن ذلك يساعد على وجود بعض الأيونات الغربية في بلورة المعدن.

 

ولقد وجد أن حجم الذرة أو الأيون هو العامل الأساسي المتحكم في عملية التبادل.

وليس من الضروري أن يكون الأيونان المتبادلان لهما نفس الشحنة (Charge). على الرغم من ضرورة وصول تركيب المعدن إلى حالة التعادل الكهربائي بعد عملية التبادل.

ولتوضيح ذلك نتابع عملية التبادل أو الإحلال التي تتم بين مجموعة معادن البلاجيوكليز (الالبيت NaAlSi3O8 الانورثيت CaAl2Si2O8)

حيث نجد أنه حينما يحل أيون الكالسيوم الثنائي الشحنة (Ca2+) محل أيون الصوديوم الأحادي الشحنة (NA+) في بلورة الألبيت يحدث نوع من عدم التعادل للشحنات في التركيب المعدني.

 

أي أنه إذا كان الأيون الخارج ذو شحنة واحدة فإن التركيب المعدني يكون في حاجة إلى شحنة واحدة مماثلة، حتى يصل إلى حالة التعادل نفسها مرة ثانية.

ولذلك نجد أن أيون الألومنيوم الثلاثي الشحنة (Al3+) يدخل ليحل محل أيون السليكون الرباعي الشحنة (Si4+) مع الأخذ في الاعتبار أن فارق الشحنة بين الأيونين (Si4+, Al3+) يعوض فارق الشحنة بين أيونين Na+، Ca2+ وبذلك يصل تركيب المعدن إلى حالة التعادل الكهربائي مرة ثانية.

 

وبالطبع فإنه من الأسهل أن يكون التبادل أو الإحلال بين أيونات متساوية في الشحنة أو متقاربة، بحيث لا يزيد الفارق بينهما في الشحنة عن (1) وفي حالة زيادة الفارق عن (1) تقل فرصة الإحلال أو تنعدم.

فمثلاً من الصعب جداً أن يحل المنجنيز السباعي الشحنة (Mn7+) محل السليكون (Si4+) الرباعي الشحنة مع العلم بأنهما متقاربان في نصف قطرهما الأيوني (Mn7+ Å, 31)، (Si4+ Å, 41) حيث أنه قد يصعب على التركيب الخاص بالمعدن الوصول إلى حالة التعادل مرة ثانية.

 

ولقد اتضح أن مدى التبادل الذي يحدث بين الأيونات يتوقف على العوامل التالية:

1- طبيعة تركيب المعدن: Mineral structure

يلاحظ أن لكل من معدني الأباتيت (Apatite) والأسبينل (Spinel) ميلاً كبيراً لعملية الإحلال الذري وذلك راجع إلى طبيعة تركيبهما المعدني، وعلى العكس نجد أن معدل التبادل في معدن الكوارتز يكون ضعيفاً جداً.

 

2- حجم الأيون: Ionic size

من المعروف أن عملية التبادل تحدث بين الأيونات المتشابهة أو القريبة الشبه في حجم أيوناتها أو ذراتها.

والمقصود هنا بحجم الأيون أو الذرة هو نصف القطر الأيوني(Ionic radius) أو نصف القطر الذري (Atomic radius).

ولقد اتضح أن عملية التبادل أو الإحلال لأيونات أو ذرات العناصر يمكن أن تحدث شريطة ألا يزيد الفارق بين نصف قطريهما عن 15%، وبالطبع كلما قلت هذه النسبة زاد معدل الإحلال أو الاستبدال.

 

3- درجة حرارة الوسط الموجودة فيه البلورة المتكونة: Temperature of medium

إن زيادة درجة حرارة الوسط المتكونة فيه البلورة يسمح بزيادة معدل التبادل أو الإحلال.

ولقد أفادت هذه القاعدة كثيراً في دراسة المعادن، حيث أنه بدراسة بلورة المعدن دراسة جيوكيميائية يمكن تحديد ذرات العناصر التي حدث لها إحلال. 

كما أنه يمكن معرفة درجة حرارة تكوين المعدن حيث أن نوعية ذرات العناصر التي سببت الإحلال تختلف باختلاف درجة حرارة التكوين.

 

4- شحنة الأيون أو الذرة: Ionic charge

في حالة إحلال أو تبادل أيونات العناصر أو ذرات العناصر مع بعضها لا بد من تشابه شحنات هذه الأيونات أو الذرات، أو تقارب شحناتها شريطة ألا يزيد الفرق بين الأيونين المتبادلين عن شحنة واحدة فقط. 

وبالتالي كلما كانت الشحنات متقاربة، زادت عملية الإحلال وكلما زاد الفارق بين شحنات الأيونات، فإن معدل التبادل ينخفض حتى ينعدم نهائياً.

 

5- تركيز الأيونات: Ionic concentration

في حالة تبلور بلورة ما من محلول نقي جداً، فإن هذا يعني أن هذه البلورة سوف تتكون من مكوناتها الأساسية فعلاً وبالطبع فإن هذا لا يمكن حدوثه إلا في التجارب المعملية.

أما في الطبيعة فمن المعروف أن معظم المحاليل تشمل العديد من أيونات العناصر الأخرى بالإضافة إلى أيونات العناصر الأساسية التي سوف تكون مجموعة معينة من المعادن

ومن هنا تأتي فرصة عملية الإحلال أو الاستبدال بين بعض أيونات أو ذرات العناصر الأساسية في المعدن، بأيونات أو ذرات غير أساسية موجودة في المحلول ويتوقف معدل الإحلال أو الاستبدال على درجة تركيز هذه الأيونات غير الأساسية، وكلما زاد تركيز هذه الأيونات في المحلول زاد معدل الإحلال والاستبدال.

 

6- عوامل أخرى:

وهناك عوامل أخرى كثيرة تتحكم في عمليات الإحلال مثل قيمة الأس الهيدروجيني. (PH value) للمحلول وجهد التأين للعناصر Ionic potential وكذلك درجة ذوبان العناصر.

ويمكن تعريف الإحلال الأيوني (Replacement) أو التبادل الذري (Substitution) كالآتي:

إن أيونات أو ذرات العناصر الموجودة في بلورة معدن ما يمكن أن يحل محلها أو تستبدل بها أيونات أو ذرات أخرى من الوسط السائلي الموجودة فيه البلورة، شريطة أن يكون هناك وفاق كبير في الصفات الكيميائية (حجم الأيون أو الذرة– شحنة الأيون) بين هذه الأيونات أو الذرات المتبادلة.

 

وبالتالي يتضح أن بلورة المعدن تنتقي أيونات أو ذرات محددة تتناسب مع تركيبها الفراغي (Structural lattice) في المحلول.

وفي نفس الوقت تخرج منها الأيونات أو الذرات المستبدلة متجهة إلى المحلول أو إلى بلورات أخرى من خلال المحلول.

وقد يحدث في بعض حالات الإحلال أو الاستبدال أن توجد الأيونات أو الذرات في المسافات البينية للفراغ الشبكي البلوري ويمكن تفسير ذلك على النحو التالي:

 

في حالة التبادل أو الإحلال يلاحظ أن ذرة أو أيون العنصر الموجود في المحلول يحل محل ذرة أو أيون العنصر الموجود في الفراغ البلوري. 

ومن الجدير بالذكر أنه قد وجد في بعض الحالات أن الذرات أو الأيونات تسحب في وضع مناسب في المسافات البينية للشبكة الفراغية؛ أي بين الأيونات والذرات.

ويعتبر هذا النوع أكثر شيوعاً في المعادن العنصرية التي تشد أو تسحب ذرات العناصر الصغيرة الحجم في المسافات البينية لها مثل ذرات الهيدروجين (H) والكربون (C) والبورون (B) والنيتروجين (N).

 

ويلاحظ أن المعادن التي تتميز بنظام تركيبي مفتوحOpen structure يكون لها قدرة أكبر على سحب الأيونات أو الذرات ذات الحجم المناسب لها في المسافات البينية لشبكتها التركيبية.

ومن أمثلة هذه المعادن معدن الكريستوباليت (Cristobalite) والذي يتكون أساساً من SiO2.

فقد لوحظ أن به بعض المحتويات من الألومنيوم (Al) والصوديوم (Na). وبالطبع فإن الألومنيوم الثلاثي الشحنة (Al3+) قد حل محل السليكون الرباعي الشحنة (Si4+) بطريقة التبادل المذكورة سابقاً أي أن ذرة محل ذرة.

 

ويتضح هنا أن هناك فرقاً في شحنتي Si, Al بواقع شحنة واحدة، مما يجعل التركيب المعدني غير متعادل حيث ينقصه شحنة موجبة واحدة، ولذلك يحدث أن التركيب المعدني للكريستوباليت يسحب ذرة صوديوم من المحلول في المسافات البينية لشبكة المعدن لكي يصل إلى حالة التعادل مرة ثانية.

أي أن كل تبادل بين ذرة ألومنيوم (Al) وسليكون (Si) لا بد أن يقابله دخول ذرة صوديوم (Na+) في المسافات البينية.

 

وقد يتساءل البعض لم لا تحل ذرة الصوديوم محل ذرة السليكون بدلاً من أن تدخل في المسافات البينية؟

وهذا بالطبع لن يحدث إطلاقاً وذلك للفارق الكبير في شحنتهما حيث أن الصوديوم أحادي (Na+) والسليكون رباعي (Si4+) هذا بالإضافة للفارق الكبير بينهما في نصف قطر كل منهما (Si Å, 41 Na Å, 95) مما يعوق عملية وصول المركب تماماً إلى حالة اتزان الكترواستاتيكي إذا تم مثل هذا الإحلال غير المشروع من الوجهة الجيوكيميائية.

التقدم العلمي
‫‪اللقاحات القابلة للأكل..
اللقاحات القابلة للأكل تعد بديلا مناسبا للحصول على لقاحات آمنة وفعالة، وهي لقاحات تحتوي على مولد ضد صالح للتناول دول عدة تراهن على الطحالب الدقيقة المعدلة وراثيًا لتطوير لقاح لمرض كوفيد-19 صالح للأكل مستخدمة الهندسة الوراثية د. طارق قابيل أستاذ في كلية العلوم - جامعة القاهرة مصر
     منذ استشراء جائحة فيروس كورونا المستجد المسبب لجائحة كوفيد-19، هرعت كثير من المؤسسات الطبية وحكومات بعض الدول إلى تكثيف البحوث ودعم الدراسات الهادفة ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪إنشاء مستشفيات جديدة في ووهان
ع إبلاغ المستشفيات القائمة عن نقص في الأسرّة بسبب زيادة الطلب الناجم عن انتشار فيروس كورونا السريع، قررت الصين في 24 يناير البدء ببناء مستشفيات جديدة. بعد أقل من أسبوعين، فتحت أبواب المرافق الطبية الجديدة لاستقبال أول المرضى.
أنشئ مستشفيان جديدان في ووهان، عاصمة مقاطعة هوبي، في الأسبوع الأول من شهر فبراير. واستغرق الأمر أقل من أسبوعين للانتقال من وضع حجر الأساس في الموقع إلى البدء باستقبال أول المرضى. والمستشفيان الجديدان - مستشفى ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لماذا تُسبب السمنةُ تفاقمَ مرض كوفيد-19؟
غطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر ومؤسسة هيسينغ-سيمونز Pulitzer Center.
بقلم:     ميريديث وادمان
ترجمة:  مي بورسلي
 
في ربيع هذا العام، بعد أيام من ظهور أعراض تشبه أعراض الإنفلونزا والحمى، وصل رجل إلى غرفة الطوارئ في المركز الطبي بجامعة فيرمونت Vermont Medical Center. كان شابا، في أواخر الثلاثينات من عمره، وكان يعشق زوجته وأطفاله الصغار. وكان يتمتع بصحة جيدة، وقد كرّس ساعات لا نهاية لها في إدارة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪الفيروس التاجي يثير التخمينات حول موسم الإنفلونزا
قلم:    كيلي سيرفيك
ترجمة: مي بورسلي
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر  Pulitzer Center ومؤسسة هايسنغ-سيمونز  Heising-Simons Foundation.
في شهر مارس 2020، بينما كان نصف الكرة الجنوبي يستعد لموسم الإنفلونزا الشتوي أثناء محاربة مرض كوفيد-19 COVID-19، وضعت شيريل كوهين Cheryl Cohen -عالمة الأوبئة، وزملاؤها في المعهد الوطني للأمراض المعدية National Institute for Communicable Diseases بجنوب إفريقيا اختصار: ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪كيف تقاوم العدوى باستعادة شباب جهازك المناعي
قلم:    غرايام لاوتون
ترجمة: محمد الرفاعي
اغسل يديك بعنايةٍ لعشرين ثانية، غطّ عطستك بمرفقك، تجنب ملامسة وجهك، ابقَ على مسافة مترٍ عن الآخرين، وكملجأ أخير ٍ، اعزل نفسك بعيداً عن الجميع لمدة أسبوعٍ مع ما تحتاج إليه من أغراض. وإذا أردت أن تتجنب فيروس كورونا المستجد، فكل هذه أفكارٌ جيدةٌ. لكن، في نهاية المطاف، خطُ الدفاع الذي يقف بينك وبين الإصابة بكوفيد 19 Covid-19 هو جهازك المناعي.
نعلم أن الجهاز المناعي يَضْعُفُ عندما نتقدم في ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لقاح أكسفورد آمن ويحفز على الاستجابة المناعية
قلم:    كلير ويلسون، جيسيكا هامزيلو، آدم فوغان، كونارد كويلتي-هاربر، ليلى ليفربول
ترجمة: مي منصور بورسلي
آخر أخبار فيروس كورونا حتى 20 يوليو 2020 الساعة 5 مساء
 
لقاح أكسفورد المرشح للتطعيم ضد الفيروس التاجي يبدو آمنًا ويحفز على الاستجابة المناعية
اللقاح ضد الفيروس التاجي Coronavirus الذي طورته جامعة أكسفورد University of Oxford بالتعاون مع شركة الأدوية آسترازينيكا AstraZeneca آمنٌ وينشط الاستجابة المناعية لدى الأشخاص، ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪أليكسا، كم مرة تصغين إلينا؟
ستيقظ المساعدون الصوتيون مثل أليكسا Alexa من أمازون، أسيستنت Assistant من غوغل، وسيري Siri من آبل، وكورتانا Cortana من مايكروسوفت. عن طريق الخطأ ويبدؤون بتسجيل ما يسمعونه وهو أمر قد يتكرر حتى 19 مرة في اليوم. يعرف أي شخص يستخدم مساعداً رقمياً أن لديه عادة ‘الاستيقاظ’، بإصدار صوت أو الإضاءة للإشارة إلى أنه يصغي، في الوقت الذي لا يجدر به أن يفعل ذلك. وتبحث الأنظمة عن عبارات رئيسية، أو ‘كلمات تنبيه’ مثل مرحباً غوغل أو سيري، قبل أن تشتغل وتبدأ ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪جاغوار لاند روفر تجرب أسطول سيارات ذاتية القيادة في كوفنتري
ا هذا؟ إنها لمحة عما تعتقد شركة جاغوار لاندروفر Jaguar Land Rover وشركات تصنيع السيارات الأخرى أن مستقبل السيارات المدنية يتجه نحوه. وبروجيكت فكتور Project Vector هي عبارة عن حافلة صغيرة مكوكية ذاتية القيادة حتى وإن كانت مزودة بعجلة قيادة ودواسات، للضرورة فقط ستنقل الطلبة في أنحاء حرم جامعة ووريك Warwick University في وقتٍ ما من هذا العام، على أن تنقل في نهاية المطاف الركاب إلى وسط مدينة كوفنتري بحلول عام 2021. صمم هيكل السيارة على شكل ... (قراءة المقال)