طبيعة المعادن وخواصها الفيزيائية والكيميائية

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الرابع

KFAS

طبيعة المعادن المعادن خواص المعادن الفيزيائية خواص المعادن الكيميائية علوم الأرض والجيولوجيا

طبيعة المعادن: 

يمكننا أن ننظر إلى المعادن –بصفة عامة– على أنها المواد التي منها تتكون صخور القشرة الأرضية.

وعلى هذا الأساس تعتبر المعادن أهم صلة طبيعية متيسرة بين أيدينا لمعرفة تاريخ الأرض؛ أو بعبارة أخرى إنها السجل الذي سجلت فيه الحوادث المختلفة المكونة لتاريخ الأرض.

ويعتبر الجيولوجي المعادن التي يجدها في الصخور والعروق منتجات نهائية مستقرة لعمليات طبيعية كثيرة ومتشعبة، ووظيفته الأولى هي الكشف وإزاحة الستار عن غوامض هذه العمليات.

 

وأول ما يقوم به جيولوجي المعادن في هذه الوظيفة هو دراسة خواص أنواع المعادن (بلورية، فيزيائية، كيميائية) ونشأتها، وعلاقتها الزمانية والتسلسل الزمني لتكونها أو ما نسميه بالنشأة التتابعية Paragenesis.

إن معظم الصخور تتكون من خليط معادن عدة، ولكن قلة من الصخور، مثل الحجر الجيري تتكون أساساً من معدن واحد.

 

والغالبية العظمى من المعادن توجد في الطبيعة مكونة للصخور المختلفة، أما الباقي فيوجد في الطبيعة مكوناً للعروق Veins ومالئاً للفجوات.

ومعظم معادن هذا النوع الأخير الموجود ذو قيمة اقتصادية، وتعرف هذه المعادن باسم الخامات ores، ومنها تستخرج الفلزات المختلفة التي تستفيد الحضارة البشرية منها.

 

الخواص الفيزيائية والكيميائية للمعادن: 

يعرف المعدن بأنه مادة ذات تركيب كيميائي محدد وكذلك له نظام بلوري ثابت. ويتكون المعدن من خلال عمليات كيميائية غير عضوية من فعل الطبيعة.

ويصل عدد المعادن المعروفة إلى أكثر من 2500 معدن وإن كان عدد المعادن الشائعة لا يزيد عن 200 معدن تقريباً (حلمي 1977).

 

ومن أمثلة هذه المعادن الكوارتز ومجموعة الفلسبارات ومجموعة المايكا ومجموعة الامفيبولات ومجموعة البايروكسينات ومجموعة الأوليفين.

وتعتبر المعادن عامة ذات قيمة اقتصادية كبيرة حيث أنها تدخل في مجال العديد من الصناعات وكذلك في المجالات الزراعية والمجالات الطبية.

 

الخواص الفيزيائية للمعادن:

1- اللون: Colour : تتميز المعادن عامة بألوان جذابة وتعتبر ظاهرة اللون في المعادن من المشاكل العلمية المعقدة التي يبحثها العلماء حتى وقتنا الحاضر.

ويمكن تقسيم ألوان المعادن إلى ثلاثة أنواع:

‌أ) المعادن الأصلية اللون: Idiochromatic minerals

يرجع لون هذه المعادن إلى عناصر أساسية تدخل في تركيب المعدن، ومن أمثلة هذه العناصر الكروم، الكوبلت، النيكل، النحاس، الفاناديوم، المنجنيز والتيتانيوم.

‌

ب) المعادن متغيرة اللون: Allochromatic minerals

في هذا النوع من المعادن نجد أن بلورات المعدن الواحد متعددة الألوان ويعزى اختلاف هذه الألوان إلى وجود شوائب بها لعناصر توجد بنسبة ضئيلة جداً وتدخل في تركيبها الفراغي، ولا يعتبر وجودها أساسياً في تركيب المعدن.

ومن أمثلة هذه المعادن الكوارتز الوردي والرمادي والبنفسجي والأصفر والأبيض والشفاف.

‌

ج) المعادن كاذبة اللون: Pseudochromatic minerals

في هذه الفئة من المعادن تعطي بلورة المعدن الواحد ألواناً مختلفة كالأزرق والأصفر والأخضر والأحمر.

وهذه الألوان ناتجة عن انعكاس الضوء من سطح المعدن الذي يحتوي على صفائح رقيقة شريطية الشكل من الشوائب. ومن أمثلة هذه المعادن معدنا عين القط واللابرادوريت.

 

2- النظم البلورية: Crystal Systems

تتميز بلورات المعادن بأن كل معدن منها له نظام بلوري ثابت، يجعله ذا شكل هندسي مجسم وجميل.

ويحد البلورة أسطح تعرف بالأوجه البلورية، ويتلاقى كلا وجهين متجاورين في زاوية ثابتة، ويتحكم البناء الداخلي للبلورات في الخواص الطبيعية للمعادن.

 

3- الصلادة: Hardness

هي خاصية مقاومة المعدن للخدش أو التآكل. وكلما زادت صلادة المعدن كان أكثر جودة من الوجهة الصناعية وتعتمد الصلادة في المعادن على عدة عوامل منها:

‌أ) نوع الرابطة الموجودة في المعدن:

من المعروف أن الصلادة في المعادن التي تشتمل على روابط تساهمية أعلى من صلادة المعادن التي تحتوي على روابط فلزية.

 

‌ب) طول الرابطة:

تقل صلادة المعدن بزيادة طول الرابطة الموجودة بالتركيب الداخلي بالمعدن.

‌

ج) وجود الماء «أو مجموعة الهيدروكسيل»:

تقل الصلادة في المعادن التي تحتوي على الماء ومثال ذلك معدن الجبس الذي يتميز بصلادة منخفضة عن معدن الانهيدريت. وللصلادة مقياس خاص يعرف بمقياس «موهز للصلادة» ويحتوي على عشرة معادن مرتبة تبعاً لزيادة درجة الصلادة النسبية.  

ويبدأ المقياس بأقل المعادن صلادة، والمعدن العاشر يخدش الجميع والتاسع يخدش ما قبله وهكذا. وفيما يلي مقياس موهس Mohs’scale للصلادة:-

– التلك = (1)

– الجبس = (2)

 

– الكلسيت = (3)

–  الفلوريت = (4)

 

–  الأباتيت = (5)

–  الكوارتز = (7)

– التوباز = (8)

 

–  الكوراندم = (9)

– الماس = (10)

 

4- التشقق أو الانفصام: Cleavage

ظاهرة التشقق التي توجد في بعض المعادن تعني وجود مستويات ضعف تتكون أثناء تكوين المعدن، وقد يكون هذا التشقق في مستوى واحد أو في أكثر من مستوى وتتحكم العوامل التالية في التشقق:-

‌أ) نوع الرابطة

كلما كانت الرابطة ضعيفة زادت فرصة المعدن للتشقق.

‌ب) الترتيب الذري الداخلي للبلورات

يتحكم البناء الذري الداخلي للبلورة في تكوين التشقق، وتحديد عدد واتجاه مستوياته، وبالطبع كلما قلت هذه الظاهرة في المعادن عامة زادت قيمتها اقتصادياً.

 

5- المكسر: Fracture

هو شكل سطح المعدن إذا عرض للكسر في مستوى غير مستوى التشقق، ويوصف المكسر بأنه محاري– خشن أو مسنن– مستوٍ– ترابي.

 

6- الوزن النوعي: Specific gravity

يعبر عن الوزن النوعي للمعدن بعدد يساوي النسبة بين وزن حجم معين من المعدن ووزن حجم مساوٍ من الماء المقطر عند 4º مئوية.

والوزن النوعي للمعادن يعتبر خاصية هامة ومميزة لها. ويقدر الوزن النوعي لها بنفس الطرق المعتادة لتعيين الوزن النوعي لأي مادة أخرى.

 

وهناك عدة عوامل تتحكم في الوزن النوعي للمعدن منها:

أ‌-  الوزن الذري: يزيد الوزن النوعي للمعدن بزيادة الوزن الذري للعناصر المكونة له.

ب‌- نصف القطر الذري: يزيد الوزن النوعي للمعدن بزيادة نصف قطر ذرات العناصر المكونة له.

لو أخذنا على سبيل المثال ذرات الكربون المرصوصة تبعاً لنظام المكعب، والتي تعطي بلورات الماس، ثم قارنا بينها وبين ذرات الكربون المرصوصة بنظام آخر وهو النظام السداسي في بلورات الجرافيت نجد أن الوزن النوعي أعلى في حالة الماس عنه في الجرافيت.

 

7-  البريق: Lustre

يعبر عن البريق بمقدار ونوع الضوء المنعكس من سطح المعدن، وتتوقف كمية الضوء المنعكسة من المعدن على معامل انكساره.

ويعتبر البريق من الصفات الهامة التي تتميز بها المعادن، ويوصف البريق بأنه فلزي أو لا فلزي (ماسي– زجاجي– لؤلؤي– حريري– أرضي أو مطفا).

 

8- الخواص المغناطيسية: Magnetic characters

نجد في المعادن غير المغناطيسية أن المجالات المغناطيسية للإلكترونات والنواة في ذرات تلك المعادن يلغي كل منها الآخر، وعلى ذلك فإن تلك المعادن لا تبدي أي خواص مغناطيسية.

أما عن المعادن المغناطيسية فتتضافر المجالات المغناطيسية لكل من الإلكترونات والنواة في ذرات تلك المعادن لتعطي مجالاً مغناطيسياً أقوى، وعليه نجد أن مثل هذه المعادن تتميز بخواص مغناطيسية.

 

وجوه المعادن في الطبيعة:

توجد المعادن في الطبيعة على هيئة بلورات منفردة، أو بلورات متجمعة لنفس المعدن أو لمعادن مختلفة، وعندما تتجمع بلورات المعادن المختلفة فإنها تأخذ شكلاً حبيبياً يعرف بالصخور. 

وغالباً ما يكون محتواها المعدني عديم الفائدة وقد تمتلئ الشقوق والفواصل في القشرة الأرضية ببعض المعادن مكونة ما يعرف بالعروق، وتحتوي العروق على نوعين من المعادن هما:

أ‌-  معادن اقتصادية: وهذه تعرف بمعادن الخامات أي التي لها قيمة اقتصادية مثل معادن الفلزات كالجالنيا والذهب والسينابار.

ب‌-  معادن أرضية: وهي معادن مكونة للعروق ولكنها عديمة الأهمية، أي ليس لها فائدة اقتصادية ومن أمثلتها عروق الكوارتز.

 

ويمكن تقسيم العروق إلى ثلاثة أنواع تبعاً لدرجة حرارة المحلول الذي تبلورت منه.

1- عروق عالية الحرارة (500º – 300ºس)

عادة تتبلور معادن هذا النوع من العروق عند درجات حرارة عالية وضغط عالٍ ومن أمثلتها معادن الكاستيريت والذهب.

 

2- عروق متوسطة الحرارة (300º– 200ºس)

وتتبلور معادنها في ظروف متوسطة من الحرارة والضغط مثل معدن البيريت والجالينا.

 

3- عروق منخفضة الحرارة (200º– 500ºس)

وتتكون هذه العروق تحت ظروف من الحرارة والضغط المنخفضين، ومن أمثلة معادنها الكلسيت والفلوريت.

 

الخواص الكيميائية للمعادن

العلاقة بين الشكل البلوري والتركيب الكيميائي للمعدن:

استطاع العالم ميتشرليخ سنة 1819 (Mitscherlich) ملاحظة العلاقة بين الشكل البلوري والتركيب الكيميائي في بعض المعادن.

ومن الجدير بالذكر أنه قد يحدث كثيراً من التغيرات الكيميائية لمركبات المعادن السابقة التكوين. 

وذلك خلال المراحل المختلفة لتبلور الصهير نتيجة حدوث بعض العمليات الجيوكيميائية مثل التبادل أو الإحلال بين ذرات أو أيونات العناصر الموجودة في المحلول وبلورات المعادن.

 

هذا بالإضافة إلى بعض العمليات الأخرى مثل الإحلال بواسطة عملية الميتاسوماتيزم (Metasomatism) وكذلك التبادل الأيوني(Ion exchange).

ولقد وجد أنه من الممكن أن يحدث نوعاً من الخلل الشبكي في بلورات المعادن وذلك أثناء خروج أو انتقال بعض الذرات أو الأيونات من مواقعها في الفراغ الشبكي.

وعليه سوف نسرد في الصفحات القادمة هذه العمليات السابقة الذكر، ثم يلي ذلك متابعة العلاقة بين الشكل البلوري والتركيب الكيميائي للمعادن، والممثلة بظواهر التشابه الشكلي (Isomorphism) والتعدد الشكلي (Polymorphism) والخداع الشكلي (Pseudomorphism).

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]