خصائص المعادن الفيزيائية والكيميائية

المعادن هي عناصر أو مركبات كيميائية توجد في الطبيعة في القشرة الأرضية. وهى مواد غير عضوية (لم تشتق من مصادر حية).والمعادن لها تركيب كيميائي وكذلك يكون لها ترتيب ذرى معين (بنية بلورية).وتتكون الصخور من خليط أو تجمعات من المعادن يختلف تركيبها كثيرا، فالحجر الجيرى مثلا، يتكون أساسا من معدن واحد هو الكالسيت. أما الجرانيت فيتكون دائما من ثلاثة معادن هى الفلسبار والمايكا والكوارتز.ويطلق على هذه المعادن المكونة للصخور. وهناك معادن أخرى مثل الذهب والألماس ومعدن اليورانيوم والفضة توجد فى الصخور ولكن بكميات قليلة نسبيا.وتختلف المعادن في الخصائص الفيزيائية والكيميائية اختلافاً كبيراً،سنذكر بعضها في هذا المقال.

الخواص الفيزيائية للمعادن

كل معدن له صفات فيزيائية معينة يمكن بواسطتها تمييزه والتعرف عليه، ومع أن بعض المعادن يمكن التعرف عليها بالمشاهدة، إلا أن البعض الآخر لا يمكن التعرف عليه الا بعد فحصه باختبارات بسيطة.ومن الخواص الفيزيائية للمعادن:

الصلادة

هى إحدى أسهل الطرق للتمييز بين معدن وآخر، وتتحدد صلادة المعدن من معرفة المواد التي يخدشها والمواد التي تخدشه، ويجرى اختبار الصلادة في الحقل بإستخدام أدوات أو مواد بسيطة، وللدقة فيمكن استخدام مقياس موهس للصلادة، الذي ابتكره عالم المعادن الألمانى فردريك موهس فى القرن التاسع عشر، عندما لاحظ عند دراسته لمجموعته المعدنية أن بعض المعادن كانت أكثر صلادة من بعضها الآخر، واعتقد موهس أن هذه الخاصية قد تكون لها فائدة في التَعَرُّف على المعادن. ولهذا فقد اختار معادن معروفة لتكون معايير لدراسة وتحديد صلادة بعض المعادن الأخرى. بحيث تبدأ بمعدن التلك وهـو أقـل المعادن صلادة فتكون درجـة صلادته واحـد،بينما أصلب المعادن هو الألماس ودرجة صلادته عشرة.ويتكون مقياس موهس للصلادة من عشرة معادن مرجعية.ترتب طبقا للازدياد في الصلادة على النحو التالى:تلك،جبس،كالسيت،فلوريت،اباتيت،فلسبار،كوارتز،توباز،كورندم،الألماس.فإذا لم يخدش الكالسيت المعدن، لكن خدشه الفلوريت، فهذا معناه أن صلادة المعدن  بين مدى صلادة الكالسيت والفلوريت وبالتالى بين 3 و 4 تبعا لمقياس موهس.

اللون

خاصية اللون تعد من الصفات المميزة للمعدن،فبعض المعادن لها ألوان ثابتة نسبيا، مثال ذلك معدن الأزوريت الذي يكون لونه أزرق في العادة، والملاكيت يكون لونه أخضر، والبيريت يكون أصفر اللون. وهناك معادن أخرى مثل الكوارتز والتورمالين يوجد لها مدى واسع من الألوان، ولهذا فإن خاصية اللون لا تعد  من الخواص المميزة لهذين المعدنين. ويعزى الاختلاف في اللون في هذه المعادن إلى وجود  الشوائب الكيميائية في المعدن.كما ان هناك عدد من العومل التي قد تؤثر على ظهور اللون في المعدن ،مثل إذا كانت العينة المعدنية ستفحص فى الضوء الطبيعي ام  الصناعى، كذلك إذا كان السطح المراد دراسته قشيبا أو مُجوَّى، وكذلك إذا كان المعدن جافاً  أم مبللا؛ بالإضافة إلى ذللك بعض المعادن الفلزية تصدأ وبالتالى فإن اللون الحقيقى للمعدن سوف لا يظهر.

الخدش

عندما يحك المعدن على قطعة من الخزف (لوح للحك) غير المصقول، فإنه سوف يترك خطا أو أثراً يماثل علامة ما يتركه القلم الرصاص، وهذا الأثر هو لون المسحوق الناعم للمعدن والذي يعرف باسم المخدش.وقد يختلف لون المعدن عن لون حكاكته، مثال ذلك، قطعة من معدن الهيماتيت الأسود لون حكاكتها بنى ضارب إلى الاحمرار، والمعادن عالية الصلادة مثل التوباز أو الكورندم، لا تترك أثرا على لوح الحكاكة، حيث إن صلادة لوح الحكاكة حوالى 7 و بالطبع أقل من صلادة معدن التوباز (صلادته ٨) أو الكورندم (صلادته ٩) ولهذا فأن الحكاكة هي التي سَيتخْدَشُ وليس المعدن.

البريق

هو مظهر سطح المعدن في الضوء المنعكس، ويقال لبعض المعادن مثل الفضة والذهب إن لها بريقا فلزيا؛ وأنواع البريق الأخرى هى البريق اللافلزي، و البريق اللافلزي وأمثلته الشائعة هي:

• الألماسى: بريق لامع براق مثل الألماس.
• زجاجى: يشبه بريق الزجاج مثل معدن الكوارتز أو معدن التوبار.
• صمغى أو راتينجى: مثل بريق الصمغ كما في معدن سفاليريت.
• شحمى: مثل سطح الزيت كما فى معدن النفلين.
• لؤلؤى: مثل سطح اللؤلؤ كما في معدن التلك.
• حريرى: له مظهر الحرير أو الألياف الصناعية، ومثاله معدن الأسبستوس.
• مُطفأ أو أرضى: مثل الطباشير والصلصال.

وهناك البريق تحت الفلزي وهو وسط بين البريق الفلزي واللافلزي، وأوضح أمثلته معدن ولفراميت. وهناك مصطلحات أخرى مثل لامع (براق فى الضوء المنعكس) ووامض (له بريق خاطف) وأخاذ ومُطفأ، وهذه كلها تستخدم للتعبير عن درجة البريق، وهنا لابد أن نأخذ فى الاعتبار عوامل الصدأ، ونوع الضوء المستخدم، والحالة العامة لعينة المعدن التى تفحص.

الوزن النوعي

الكثافة أو الوزن النوعى لمعدن ما هى وسيلة نافعة من طرق التعرف على المعدن،ويعين الوزن النوعى بمقارنة وزن عينة المعدن بوزن حجم مساو من الماء النقى.فعينة من خام الرصاص (وزنها النوعى حوالى 7.5) تكون ثقيلة بمقدار 7.5 مرة مثل حجم مساو لها من الماء. ولتعيين الوزن النوعى للعينة المعدنية، توزن العينة اولاً في الهواء بواسطة ميزان زنبركى، ثم تدلى فى إناء به ماء نقى وتوزن مرة أخرى. والوزن الحقيقي للعينة (وزنها في الهواء) يقسم على الفرق بين القراءتين ليكون الناتج هو الوزن النوعي .ثم  تقارن النتيجة بجدول قياسي مدون فيه الأوزان النوعية للمعادن المختلفة وذلك للتأكد من دقة النتيجة.

التشقق والكسر

تنكسر المعادن إذا تعرضت لإجهاد يفوق حد اللدونة والمرونة. معظم المعادن تحتوي على نقاط ضعف متأصلة في هياكلها الذرية ، وهي المستوى الذي تكون على طوله قوة الرابطة أقل من الروابط المحيطة. عند الاصطدام بمطرقة أو كسرها بطريقة أخرى ، يميل المعدن إلى الانهيار على طول مستوى الضعف الموجود مسبقًا. يسمى هذا النوع من الكسر بالانقسام ، وتختلف جودة الانقسام باختلاف قوة الروابط.ومعظم المعادن تتكسر او تتشقق بطريقة محددة ،مما يكون لها فائدة في التعرف عليه.وهناك انماط من الكسر في المعدن يمكن تمييزها ،كالأتي:

• الكسر المحارى : يتخذ الشكل المكسور للعينة شكلا شبيها بالمسطح المقوس، وهذا النمط من المكسر يشبه شظية الزجاج ، مثل مكسر الكوارتز.
• الكسر الليفى أو الابرى : يمكن رؤية الياف على سطح المكسر مثل البكتوليت.
• الكسر المسنن : يتميز سطح المكسر بحواف خشنة مشرشرة ، مثل النحاس والفضة وفلزات أخرى.
• الكسر المستوى : كما يدل الاسم ، مثل كسر الماجنيزيت.
• الكسر غير المستوى : كسر ذو سطح خشن غير منتظم ، وهو نمط شائع فى كثير من المعادن ولذلك فهو ذو فائدة محدودة فى التعرف على المعادن.

التماسك

يمكن تعريف تماسك المعدن بأنه المقاومة التى يبديها المعدن للقوى التى تعمل على تمزقه او سحقه أو تنيه أو كسره ، وهذه بعض المصطلحات المستخدمة لوصف الأنواع المختلفة من التماسك:

• معدن هش: يمكن كسر المعدن أو تحويله لمسحوق بسهولة،مثل الجالينا والكبريت.
• مرن: وهي مرونة المعدن اي يعود المعدن الى شكله الأصلى اذا ما تعرض للثنى ، مثل الميكا.
• لدن: اذا ما تعرض المعدن للضغط فقد ينثنى ولكنه لا يعود الى شكله الأصلى مرة أخرى ، مثل التلك.
• قابل للقطع: يمكن قطع المعدن ليعطى شرائح رقيقة ، مثل السيلينيت ( نوع من الجبس ) والتلك .
• قابل للطرق: يمكن طرق المعدن حتى يصبح على شكل رقائق مثل الذهب والنحاس.
• قابل للسحب: يمكن سحب المعدن حتى يصبح على شكل سلك مثل الذهب والفضة والنحاس.

صفات فيزيائية أخرى للمعادن

• تلاعب الألوان: بعض المعادن تظهر  تغيرا فى اللون عندما ننظر اليها من زوايا مختلفة ، مثل اللابرادوريت.
• النجومية: يمكن ملاحظتها عندما يتخذ المعدن شكل النجم اللامع عندما ننظر اليه سواء بالضوء المنعكس أو النافذ ، مثل بعض  عينـات الفلوجوبيت والسفير النجمى.
• الشفافية: هذه الخاصية تشير الى قدرة المعدن على انفاذ الضوء ، والدرجات المختلفة للشفافية هي : معتم أي لا ينفذ الضوء خلال المعدن ، مثل الجالينا والبيريت والماجنيتيت.ونصف شفاف اي ينفذ الضوء من المعدن ولكن لا يمكن رؤية أى شىء من خلاله ، مثل بعض الأنواع من الكوارتز.وشفاف أي ينفذ الضوء من المعدن ويمكن رؤية حدود الأشياء بوضوح من خلاله ، مثل الهاليت والكالسيت والكوارتز المتبلور الصافى.
• المغنـاطيسية: وهي قدرة المعدن على الجذب المغناطيسي،او المغنطة.
• الإضاءة الذاتية: عندما ينبعث ضوء من معدن وهذا الضوء ليس نتيجة مباشرة لأى ضوء خارجى ساقط عليه ، حينئذ يقال ان هذا المعدن يصدر اضاءة ذاتية ، وهى ظاهرة تحدث عـادة عند تعـرض المعدن للأشعة فـوق البنفسجية،مثل الشيليت والويليميت.

خصائص المعادن الكيميائية

الصفات الكيميائية

• عادة ما تكون كثافة المعادن عالية.
• تشكل المعادن سبيكة إما مع معادن أخرى أو معادن غير فلزية.
• تتفاعل بعض المعادن مثل الحديد مع الهواء وتتآكل.
• المعادن ما عدا الرصاص موصلات جيدة للحرارة والكهرباء.
• بشكل عام ، باستثناء الزئبق ، تكون جميع المعادن الأخرى في حالة صلبة في درجة حرارة الغرفة.
• المعادن الأقل تفاعلًا مثل الفضة والذهب والبلاتين وغيرها من المعادن ذات الصلة لا تتأثر بسهولة.
• لا يتفاعل كل معدن مع الماء. ومع ذلك ، فإن المعادن شديدة التفاعل مثل الصوديوم والبوتاسيوم تتفاعل مع الماء بعنف ، ويحدث تفاعل طارد للحرارة حيث يشتعل الهيدروجين بالنار على الفور.

تفاعلات المعادن

• تفاعل المعدن مع الأكسجين: تتشكل أكاسيد المعادن مثل اكسيد الحديد او اكسيد المغنيسيوم والتي تُعد من العناصر الأساسّية الموجودة في الطبيعة عند احتراق المعادن الفلزية بوجود الأكسجين.
• تفاعل المعدن مع الماء: تفاعل الماء يختلف من معدن إلى معدن، تتفاعل بعض المعادن مع الماء لتكوين هيدروكسيدات المعدن.كما ان تفاعل الصوديوم والبوتاسيوم قوي للغاية ويتفاعلان بسهولة مع الماء لتكوين قلوياتهما مثل هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد البوتاسيوم.
• التفاعل مع الحمض المخفف: تتفاعل المعادن مثل الصوديوم والبوتاسيوم والليثيوم والكالسيوم بقوة مع حمض الهيدروكلوريك المخفف و حمض الكبريتيك لتشكيل ملحها المعدني والهيدروجين.حيث يتفاعل المغنيسيوم والزنك والحديد والقصدير والرصاص بقوة مع الأحماض.
• تفاعل المعادن مع أملاح معدنية أخرى: يزيح المعدن الأكثر تفاعلًا المعدن الأقل تفاعلًا من أكاسيده أو كلوريداته أو كبريتيداته.فمثلاً عند تفاعل الزنك مع محلول كبريتات النحاس ينتُج محلول كبريتات الزنك والنحاس الصلب.

البلورات

عندما تتصلب المعادن وتنمو دون إعاقة، فسوف تتكون لها أشكال طبيعية ملساء متماثلة وذات زوايا، وهذه هي البلورات. والأسطح التي تحدد البلورة من الخارج هى الأوجه. ويتوقف شكل البلورة وكذلك قيمة الزوايا بين الأوجه البلوري المتجاورة على الترتيب الذرى الداخلى للبلورة، وهذه خاصية مهمة للتعرف على نوع المعدن.عندما تنمو أية بلورة لمعدن ما، فإنها سوف تتخذ شكلا معينا ،مثال ذلك بلورة الجالينا لها هيئة مكعبية وبلورة معدن التورمالين لها هيئة عمدانية ،وبلورة معدن الباريت ذات هيئة مسطحة.ونظرا لأن بلورات المعادن توجد في نظم بلورية معينة، فسوف يكون لكل نظام صفات محددة، مثلا بلورات نظام المكعبى تكون لها خصائص النظام نفسه فقط. ومع ذلك فعندما تتكون البلورات عند درجات حرارة مختلفة، فسوف تكون لها هيئات مختلفة  داخل النظام البلوري ذاته. وعليه فإن بلورات معدن الفلوريت التى تتكون عند  درجات حرارة منخفضة تكون لها هيئة مكعبية، بينما بلورات الفلوريت التي تتكون عند درجات حرارة مرتفعة يكون شكلها ثمانى الأوجه، وفى بعض الحالات قد يكون في البلورة  الواحدة لمعدن ما شكلان موجودان على البلورة نفسها.وبالإضافة إلى درجة الحرارة، فإن عامل الضغط، وتركيز المحلول الذي تبلور منه المعدن، وكذلك الاختلاف في تركيب المعادن، قد يؤثر في شكل المعدن وهيئته، وكذلك  يؤدى وجود الشوائب فى المعدن إلى تغير شكله وهيئته.

المعادن اللامتبلورة

معظم المعادن توجد في صورة متبلورة، إلا أن بعضها يفتقد الحالة البلورية،وهذه يطلق عليها اسم مواد لا متبلورة، ومعظم المواد اللامتبلورة تكون مواد صلبة ،أو زجاجية، مثال ذلك معدن الأوبال وقد يطلق على هذه الفئة أحيانا اسم أشباه المعادن.

معلومات عن خواص المعدن

• كل المواد، ومن ضمنها المعادن، تتكون من عنصر واحد أو أكثر، والعنصر مادة لا يمكن تجزئتها إلى مادة أبسط بالطرق الكيميائية العادية.فلو أخذنا كمية من عنصر وقطعناها إلى أجزاء أصغر فأصغر، فإن أصغر جزء من هذه المادة لا يزال يحتفظ  بصفات العنصر المكون لها.وبعض المعادن مثلي الذهب أو الفضة تتكون من عنصر واحد فقط.
• المعدن هو الوحدة الأساسية لتكوين الصخر.فبعض الصخور يتكون من معدن واحد، لكن معظم الصخور يتكون من خليط من معدنين أو أكثر.
• تختلف المعادن في صفاتها الفيزيائية والكيميائية اختلافا كبيرا، وهذه الصفات هى التي تمكننا من التمييز بينها.
• البلورة شكل طبيعى يتكون عند تصلب المعدن وهى من الصفات المهمة للتفرقة بين المعادن بعضها عن بعض.
• الصفات الفيزيائية للمعدن يمكن تعيينها بطرق بسيطة، بينما في حالات كثيرة يتطلب ذلك الاستعانة بالأجهزة والطرق المعقدة.
• قد تكون المعادن متبلورة أو لامتبلورة، لكن بمرور الزمن (قديكون مئات الألوف من السنين) تتحول المعادن اللامتبلورة إلى معادن متبلورة.
• بعض المعادن يتكون من عنصر واحد، وبعض المعادن يتكون من أكثر من عنصر.