3-1 ما المعدن؟
الأهداف
- تتعرف على المعدن
- تصف كيف تتكون المعادن
- تصنف المعادن حسب خصائصها الكيميائية
حدد المعادن من المواد التالية
معادن الذهب، الثلج (إذا تكون بشكل طبيعي)، الملح الصخري
ليست معادن الماء (سائل)، الفحم الحجري والنفط (عضوية)
الخصائص العامة للمعادن
- تتكون القشرة الأرضية من 3000 معدن تقريباً.
- يتكون المعدن بشكل طبيعي وغير عضوي.
- له بناء بلوري محدد (ذراته ترتب بشكل هندسي خاص).
- مادة صلبة ذات تركيب محدد (الكوارتز SiO₂).
البلورة: جسم صلب ترتب فيه الذرات بنمط متكرر.
التغيرات في المكونات الكيميائية
- عندما تتغير ظروف التبلور تختلف المكونات الكيميائية للمعدن.
- مثال: الفلسبار البلاجوكليزي (الألبيت ← الأوليجوكليز ← اللابرادوريت).
- تختلف مكوناته باختلاف درجة حرارة تبلوره، فيتغير التركيب طفيفاً وتتغير الخصائص، كالفرق بين الألبيت والأنورثيت.
الصخور تتكون من معادن
- رغم وجود 3000 معدن تقريباً، فإن ثلاثين معدناً فقط هي الأكثر شيوعاً في صخور القشرة.
- تشكل ثمانية عناصر فقط النسبة الأعظم: الأكسجين – السيليكون – الألمنيوم – الحديد – الكالسيوم – الصوديوم – البوتاسيوم – المغنسيوم.
تبلور المعادن
1) من الصهارة
- عند انخفاض حرارة الصهارة تبدأ بالتبلور.
- توجد علاقة بين عمق التبلور وحجم الحبيبات.
- في الأعماق البعيدة: تبريد بطيء ← حبيبات كبيرة وبلورات أوضح.
- قرب السطح: تبريد أسرع ← حبيبات أصغر وبلورات مشوهة.
2) من المحاليل
- تذوب الأملاح في المحيط فيتكون محلول ملحي.
- مع استمرار العملية (التبخر) يصل إلى التشبع ثم فوق المشبع، فتترابط الذرات لتكون بلورات.
- إذا تبخر ماء البحر ترسبت المعادن المذابة وتسمى متبخرات (المعادن المتكونة من تبخر السوائل).
تعرّف المعادن (الخواص)
يتم التعرف على المعادن من خلال خواصها الفيزيائية والكيميائية، ومنها:
1- الشكل البلوري
شكل هندسي يوضح طريقة ترتيب الذرات في المعدن (مثل تركيب الألماس).
2- البريق
كيفية انعكاس الضوء الساقط على سطح المعدن.
فلزي (لامع) الذهب، الفضة، النحاس
لا فلزي (باهت) الكوارتز، الجبس، الكالسيت
5- المخدش
لون المسحوق الناعم للمعدن.
- مخدش اللافلزية عادة أبيض، لذا يفيد في التعرف على الفلزية أكثر.
- مخدش الفلزية قد يختلف عن لون المعدن الخارجي.
6- اللون
من أهم الخصائص الملاحظة، لكنه أقلها في تعرّف المعدن.
7- الوزن النوعي
النسبة بين كتلة المادة إلى كتلة حجمها من الماء في درجة حرارة 4°م.
D = M / V (الكثافة = الكتلة ÷ الحجم)
8- النسيج
ملمس المعدن (ناعم – خشن أو متعرج – صابوني).
3- القساوة
مقياس لقابلية المعدن للخدش. طوره الجيولوجي الألماني فريدريك موهس (من 1 إلى 10).
| القساوة | المعدن |
|---|---|
| 1 | التلك (الأضعف) |
| 2 | الجبس |
| 3 | الكالسيت |
| 4 | الفلوريت |
| 5 | الأباتيت |
| 6 | الفلسبار |
| 7 | الكوارتز |
| 8 | التوباز |
| 9 | الكورندوم |
| 10 | الألماس (الأقسى) |
| المادة الشائعة | قساوتها |
|---|---|
| ظفر الإصبع | 2.5 |
| قطعة نحاسية | 3.5 |
| مسمار حديدي | 4.5 |
| الزجاج | 5.5 |
| نصل السكين | 6.5 |
| قطعة بورسلان | 7 |
4- الانفصام والمكسر
- الانفصام: انقسام المعدن بشكل متساوٍ في اتجاه واحد أو أكثر. مثل: المايكا. (الكالسيت له ثلاثة مستويات انفصام).
- المكسر: انكسار المعدن بحواف خشنة متعرجة. مثل: الكوارتز. (مكسر محاري، مكسر متعرج).
صفات خاصة ببعض المعادن (جدول 3-2)
- الفوران: يحدث للكالسيت عند تفاعله مع حمض الهيدروكلوريك.
- المغناطيسية: انجذاب المعدن للمغناطيس (المجنتيت، البيروتيت).
- الانكسار المزدوج: رؤية صورتين عبر الكالسيت الشفاف.
3-2 أنواع المعادن وأهميتها
الأهداف
تتعرف مجموعات المعادن المختلفة – توضح مجسم السيليكا الرباعي الأوجه – تناقش كيف تستعمل المعادن.
صنفها الجيولوجيون إلى مجموعات، ولكل مجموعة طبيعة كيميائية وخصائص مميزة: السيليكات، الكربونات، الأكاسيد، الفوسفات، أخرى (الكبريتيدات، الكبريتات، الهاليدات، العناصر الحرة).
السيليكات
- الأكسجين والسيليكون الأكثر شيوعاً في القشرة.
- تشكل 96% من القشرة الأرضية.
- مثل الفلسبار والكوارتز.
الكربونات
- أيون فلز أو أكثر مع أيون الكربونات CO₃.
- مثل الكالسيت والدولوميت.
- تتميز بتعدد ألوانها.
الأكاسيد
- تتكون من أكسجين وفلز.
- الهيماتيت والماجنيتيت.
- مصدر مهم للحديد.
الفوسفات
- تحتوي أيون الفوسفات PO₄.
- مثل الأباتيت.
- صناعة الأسمدة.
السيليكات وأهرامات السيليكا
- أكثر عناصر القشرة انتشاراً الأكسجين يليه السيليكون.
- السيليكات: معادن تحتوي الأكسجين والسيليكون + عنصر آخر أو أكثر (غالباً).
- تشكل حوالي 96% من معادن القشرة، والأكثر شيوعاً: الفلسبار والكوارتز.
الوحدة البنائية: سيليكا الهرم الرباعي الأوجه SiO₄، وهو جسم صلب محاط بأربعة أوجه من مثلثات متساوية الأضلاع على شكل هرم.
| طريقة الاتحاد | الشكل | المعدن |
|---|---|---|
| هرمان متحدان | سلسلة فردية | البيروكسين |
| هرمان متحدان | سلسلة زوجية | الأمفيبول |
| أهرام متحدة في ثلاثة اتجاهات أو أكثر | صفيحة | المايكا |
| أهرام متحدة في ثلاثة اتجاهات أو أكثر | بناء ثلاثي الأبعاد | الكوارتز |
تبدأ من هرم سيليكا منفرد ثم تتحد الأهرام بطرق مختلفة.
المعادن الاقتصادية
تستعمل المعادن في صناعات كثيرة مثل السيارات والحواسيب والدهانات والتلفزيونات.
الخامات
- الحديد ← خام الهيماتيت
- الألمنيوم ← خام البوكسيت
- التيتانيوم ← خام الإلمنيت
- تُستكشف الخامات بطرق منها الاستشعار عن بعد (الأقمار الاصطناعية أو طائرات خاصة).
- خامات المملكة: الذهب، الفضة، النحاس، النيكل، الكروم، الزنك.
الأحجار الكريمة
معادن ثمينة نادرة وجميلة، تتميز بقساوتها ومقاومتها للخدش. مثل: الألماس، الياقوت، الزفير، الجمشت.
جدول 3-3: مجموعات المعادن الرئيسة
| المجموعة | الأمثلة | الاستعمالات |
|---|---|---|
| السيليكات | المايكا (بيوتيت)، الأوليفين Mg₂SiO₄، الكوارتز SiO₂، الفيرميكيوليت | نوافذ الأفران، الأحجار الكريمة (بيرودوت)، صناعة الزجاج، يضاف لتربة الأصص |
| الكبريتيدات | البيريت FeS₂، المركزيت FeS₂، الجالينا PbS، السفاليريت ZnS | صناعة حمض الكبريتيك، مجوهرات، خام الرصاص، خام الزنك |
| الأكاسيد | الهيماتيت Fe₂O₃، الكورندم Al₂O₃، اليورانينيت UO₂، الإلمنيت FeTiO₃، الكروميت FeCr₂O₄ | خام حديد وصبغة حمراء، حجر جلخ ومجوهرات (ياقوت، زفير)، مصدر لليورانيوم، مصدر للتيتانيوم وصبغة، مصدر للكروم ووصلات سباكة |
| الكبريتات | الجبس CaSO₄·2H₂O، الأنهيدريت CaSO₄ | أعمال المسح، مثبط لتصلب الأسمنت |
| الهاليدات | الهاليت NaCl، الفلوريت CaF₂، السلفيت KCl | ملح الطعام، علف للمواشي، قاتل للأعشاب، حفظ الأطعمة، صناعة الفولاذ وأدوات الطهي، صناعة الأسمدة |
| الفوسفات | الأباتيت Ca₅(PO₄)₆(OH,F,Cl)₂ | صناعة الأسمدة |
| الكربونات | الكالسيت CaCO₃، الدولوميت CaMg(CO₃)₂ | صناعة الأسمنت والجير والطباشير، مصدر للكالسيوم والمغنسيوم في الفيتامينات |
| العناصر الحرة الطبيعية (الأصلية) | الذهب Au، النحاس Cu، الفضة Ag، الكبريت S، الجرافيت C | العملات والمجوهرات، الأسلاك الكهربائية، التصوير، الأدوية والصناعات الكيميائية (أعواد الثقاب)، أقلام الرصاص والتشحيم |