الوسم: المعادن

المعادن

المقدمة:

الجيولوجيا هي العلم الذي يبحث في كل ما يختص بالكرة الأرضية من حيث تركيبها الكيميائي والمعدني والصخري وخواصها الطبيعية والكيميائية والميكانيكية والعمليات الداخلية والخارجية التي أثرت وتؤثر عليها منذ نشأتها الأولى إلى وقتنا الحاضر. كما أن الجيولوجيا هي دراسة ما جرى من أحداث في الماضي السحيق وعن من سكن سطح الأرض وأعمق البحار من أحياء نباتية وحيوانية عاشت وازدهرت ثم ماتت واندثرت ومعرفة تطورها بالتفصيل على مر الزمن. والجيولوجيا مصطلح معرف عن الكلمة الانجليزية GEOLOGY المشتقة من الكلمتين الإغريقيتين ؛ (GE) ومعناها الأرض و(LOGUS) ومعناها الكلام المنطقي أو العلم . وعلى هذا الأساس فإن المرادف لكلمة الجيولوجيا المعربة هو (علم الأرض).

المعادن:

يمكن تعريف المعدن بأنه عبارة عن مادة طبيعية ذات تركيب كيميائي مميز أو متغير في نطاق محدود وله تركيب بلوري داخلي ثابت ويظهر أحياناً على شكل بلورات ويوجد على شكل متبلور في أغلب الأحيان. ويلاحظ من التعريف السابق أن المعدن هو مادة توجد في الطبيعة وليس للإنسان أو الحيوان أو النبات دخل في تكوينها. كما نلاحظ أن التركيب الكيميائي ليس كافياً لتحديد المعدن حيث أنه لا بد أن نعرف التركيب البلوري الذي يتحكم في كثير من الصفات الطبيعية للمعدن مثل الصلابة والمخدش والوزن النوعي واللون. وتوجد المادة الكيميائية على صورة معدن أو أكثر يختلف كل منهما تمام الإختلاف عن الآخر فمثلاً يوجد الكربون في الطبيعة على صورة معدن الألماس وهو أصلب المعادن المعروفة كما يوجد على صورة معدن الجرافيت وهو من أقل المعادن صلابة. وقد تمكن العلماء حتى الآن من وصف أكثر من ألفين معدن مختلف إلا أن جميع المعادن الشائعة التي تدخل في تركيب الصخور وكذلك المعادن الاقتصادية لا تتجاوز مئتي معدن فقط.

الأنظمة البلورية :

توجد المعادن في أشكال بلورية مختلفة والبلورة عبارة عن جسم من وسط صلب متجانس التركيب الكيميائي ويحدها أسطح ومستويات طبيعية تعرف باسم أوجه البلورة وتتميز بوجود علاقات تماثل معينة. ويمكن تقسيم البلورات عادة إلى سبعة نظم بلورية وذلك على أساس أطوال المحاور البلورية أ , ب , ج , والزوايا البلورية α ، β ، γ ، والنظم البلورية السبعة هي:

1- نظام المكعب:

ويمتاز هذا النظام بثلاثة محاور بلورية متساوية ومتعامدة.أي إن:

أ = ب = ج , α = β = γ = 90° وتمثل هذا النظام بلورة الألماس.

2- نظام الرباعي :

ويمتاز هذا النظام بثلاثة محاور بلورية متعامدة، المحوران الأفقيان متساويان والمحور الثالث رأسي وهو أطول وأقصر منهما، أي إن:

أ = ب ≠ ج ، α = β = γ = 90° ويمثل هذا النظام الزيركون.

2- نظام السداسي :

ويمتاز هذا النظام بأربعة محاور بلورية ، ثلاثة منها أفقية ومتساوية ومتبادلة وتتقاطع في زوايا مقدارها 120° درجة والمحور الرابع رأسي أطول أو أقصر منها وعمودي على مستواها، أي إن:

أ1 = أ 2 = أ 3 ≠ 90°، γ = 120° ويمثل هذا النظام بلورة البيريل.

4- نظام الثلاثي:

ويمتاز هذا النظام بأربعة محاور بلورية مثل النظام السداسي. وهما متشابهان من حيث عدد

المحاور البلورية وكيفية توزيعها والاختلاف الوحيد بينهما هو أن المحور ( ج ) في النظام الثلاثي

محور تماثل بينما في النظام السداسي محور تماثل سداسي. وتمثل هذا النظام بلورة الكوراندوم.

5- نظام المعيني القائم :

ويمتاز هذا النظام بثلاثة محاور بلورية غير متساوية ولكنها متعامدة، أي أن:

أ ≠ ب ≠ ج ، γ = β = α = 90° وتمثل هذا النظام بلورة الكبريت المعين.

6- نظام احادي الميل:

ويمتاز هذا النظام بثلاثة محاور غير متساوي والمحور ( ب ) عمودي على مستوى أ ، ج لكن المحور ميل على مستو المحورين ب ، ج ، أي أن:

أ ≠ ب ≠ ج ، γ = α = 90° ≠ β ، وتمثل هذا النظام بلورة الأورثوكليز.

7- نظام ثلاثي الميل:

ويمتاز هذا النظام بثلاثة محاور بلورية غير متساوية وتتقاطع في زوايا غير متساوية أيضاً، أي إن :

أ ≠ ب ≠ ج ، α ≠ β ≠ γ = 90° ويمثل هذا النظام بلورة الميكروكلين.

الخواص الطبيعية للمعادن

إن نوع الذرات وترتيبها الداخلي في أي معدن لا يحددان شكله البلوري فقط ولكنهما يحددان أيضاً خواصه الطبيعية والكيميائية والضوئية. ويمكن التعرف على المعادن لإما بواسطة فحصها بالعين المجردة أو إختبارات طبيعية أو كيميائية أو ضوئية. وتعتبر الخواص الطبيعية مهمة جداً للتعرف على المعادن ويمكن تقسيمها إلى التالي :

1- الخواص البصرية:

وهي مجموعة من الخواص التي تعتمد على الضوء مثل اللون والمخدش والشفافية والبريق والتضوء (التفلور والتفسفر).

2- الخواص التماسكية:

وهي مجموعة من الخواص التي تتوقف على مقدار تماسك المعدن مثل الصلابة والانفصام والانفصال والمكسر وكذلك قابلية المعدن للسحب والطرق والتشكيل.

3- الوزن النوعي :

وتتوقف هذه الخاصية على كيفية رص وترابط جزيئات وذرات المعدن.

4- الخواص الحسية:

وهي مجموعة من الخواص التي تعتمد على الحواس مثل الطعم والملمس والرائحة.

5- الخواص الحرارية:

وهي الخواص التي تعتمد على الحرارة مثل قابلية المعدن للانصهار.

الخواص التي تعتمد على المغناطيسية والكهربائية والنشاط الإشعاعي للمعدن.

الخواص التي تعتمد على الشكل البلوري للمعدن.

وفيما يلي استعراض موجز ومبسط للخواص الطبيعية :

الخواص البصرية: وأهمها ما يلي:

1- اللون:

يعد اللون من الصفات الطبيعية المهمة لتمييز المعادن خارجياً وخاصة في المعادن الفلزية ولكن اللون لا يعد صفة ثايتة للمعادن في أغلب الأحيان ولذلك لا يمكن الاعتماد على اللون لمعرفة المعادن. ويمكن تقسيم المعادن من حيث اللون إلى قسمين: معادن ذات ألوان ثابتة مثل اللون الأزرق لمعدن الأزيورايت واللون الأصفر للذهب والبيريت واللون الأحمر للنحاس. ومعادن ذات ألوان غير ثابتة مثل معدن

الفلوريت الذي يكون غالباً ذا لون أخضر أو أصفر أو لون أبيض أو بني أو قرمزي أو عديم اللون نتيجة لوجود مواد ملونة على هيئة شوائب أو مواد دخيلة، ويتوقف اللون على نوع الضوء الذي يمتصه أو يعكسه المعدن.

2- المخدش:

وهو لون ما مسحوق المعدن الناعم. ويمكن الحصول عليه بواسطة حك المعدن المراد فحصه على السطح غير اللامع بقطعة من الخزف تعرف بلوح المخدش. وتعطي معادن الحديد السوداء اللون مثل الماجناتيت والهيماتيت والألمناتيت مخدشاً مميزاً لكل واحد منهم، فالهيماتيت مخدشه أحمر بينما الماجناتيت أسود بينما الألمناتيت مخدشه محمر. وقد يتشابه لون المخدش مع لون المعدن كما هو الحال في كل من معدني الليمونايت والجرافايت ويلاحظ أن معظم المعادن ذات البريق اللافلزي لها مخدش ذو لون أبيض أو فاتح ولهذا فإن خاصية المخدش ليست بالصفة التي يمكن الاعتماد عليها عند الرغبة في التفريق بين المعادن ذات البريق اللافلزي.

3- الشفافية:

تعتمد هذه الخاصية على قدرة المعدن على إنفاذ الضوء خلاله وتنقسم المعادن من حيث الشفافية إلى ثلاثة أنواع:

أ‌- معادن الشفافية :

وهي المعادن التي تسمح بمرور معظم الضوء الساقط عليها ويمكن رؤية لأجسام من خلالها بسهولة مثل أنواع الكوارتز والكالسيت.

ب‌-معادن نصف شفافية:

وهي معادن تنفذ الضوء بكمية أقل من المعادن الشفافة ولا تسمح برؤية الأجسام خلالها مثل معدن الأوبال.

ج- معادن معتمة:

وهي المعادن التي لا تسمح بمرور الضوء حتى من خلال شرائحها الرقيقة مثل معادن الماجنايت والبايرايت والجالينا.

4- البريق:

وهو مظهر سطح المعدن عندما ينعكس عليه الضوء. ويمكن تقسيم المعادن تبعاً لهذه الخاصية لقسمين:

( أ ) معادن ذات بريق فلزي مثل بريق الذهب والبارايت.

(ب) معادن ذات بريق لافلزي.

ويمكن تقسيم البريق اللافلزي إلى أنواع مختلفة أهمها:

البريق الزجاجي : مثل بريق معدن الكوارتز.

البريق الؤلؤي : مثل بريق معدن التلك.

البريق الحريري : مثل بريق معدن الأسبستوس.

البريق الصمغي : مثل بريق معدن السفاليرات والكبريت.

البريق الماسي : مثل بريق معدن الألماس.

البريق الترابي : مثل بريق معدن البوكسايت.

الخواص التماسكية :

وهي الخواص التي تعتمد على قوة ترابط جزيئات المعدن. وتشمل الصلابة والمكسر والانفصام والانفصال ةالتماسكية.

1- الصلابة:

وهي مقدار المقاومة التي يبديها المعدن للخدش وقد اتفق على عشر درجات ثابتة للصلابة تميز كل درجة منها معدناً معيناً، ويشمل هذه الدرجات العشر مقياس عالمي يسمى مقياس قوة الصلابة. ويمكن ترتيب المعادن حيب صلابتها كالتالي:

-1- التلك ; -6- الأرثوكليز

-2- الجبس & -7-الكوارنز

-3- الكالسيت &nbssp; 8-التوباز

-4- الفلورايت &nbbsp; 9- الكوراندم

-5- الأباتايت &nbbsp; 10- الألماس

2-الانفصام:

وهو قابلية بعض المعادن للانفصام أو التشقق عند مستويات معينة منتظمة ومتوازية عند طرقها طرقاً خفيفاً بحيث تكون الأسطح الناتجة عن هذا الانفصام مستوية تقريباً، ويطلق على هذه الأسطح مستويات الانفصام. وترتبط اتجاهات مستويات الانفصام ارتباطاً وثيقاً بالتركيب البلوري للمعدن فتكون هذه المستويات موازية لوجه بلوري معين أو عدة أوجه مميزة في المعدن القابل للانفصام.

– الانفصال:

هي الخاصية التي لا ترتبط بالتركيب البلوري للمعدن عندما يتفتت أو يتكسر إلى أجزاء صغيرة. ذلك لأن تفتت المعدن يكون بسبب مستويات الضعف في المعدن وتنتج هذه المستويات عن عوامل خارجية حدثت للمعدن بعد تبلوره مثل الضغظ والتكسير.

4- المكسر:

وهو عبارة عن الشكل الذي يكون عليه سطح المعدن عند كسره صناعياً في اتجاهات تختلف عن الاتجاهات التي ينفصم المعدن فيها، وهناك عدة أشكال للأسطح المعدنية التي تتعرض للكسر صناعياً مثل المكسر الحراري (معدن الكوارتز) والمكسر الترابي ( معدن الكاولين).

5- التماسكية :

وهي الصفة التي تعتمد على قوة الترابط بين ذرات المعدن وتعرف بأنها مقاومة المعدن للثني أو السحب أو الكسر أو الطحن.

الثقل النوعي:

وتعد هذه الصفة من أهم الصفات الطبيعية للمعدن. ويمثل الثقل النوعي النسبة بين كتلة المعدن زكتلة حجم مساو له من الماء. ويمكن تحديد الثقل النوعي لأي معدن بتطبيق المعادلة التالية:

الثقل النوعي للمعدن = ه

ه – ه1

حيث إن ه = وزن المعدن في الهواء

ه1 = وزن المعدن في الماء

ويمكن تسيم المعادلة من ناحية الثقل النوعي إلى : خفيف مثل معدن الجرافيت (2,2). متوسط مثل معدن الكوارتز (3,6). وثقيل مثل معدن البارايت (4,5). وثقيل جداً مثل معدن الجالينا (7,6).

الاشعاع الذري:

تمتاز بعض المعادن بإطلاق إشعاعات نتيجة للتحلل الذاتي لذراتها ويمكن الكشف عن هذا الاشعاع بواسطة أجهزة خاصة مثل عداد جايجر ومن أهم المعادن المشعة اليورانينايت والثورايت والمونازايت والبتشلبلند.

المغناطيسية:

وهي الخاصية التي تجعل بعض المعادن تتأثر بالمغناطيس مثل معدن الماجنتايت والبيروهوتايت. بينما لا تتأثر بعض المعادن بذلك إطلاقاً مثل معدن الكوارتز وغيره من المعادن.

الخواص الكهربائية:

تتميز بعض المعادن مثل التوباز والكبريت بأن لها قابلية لأخذ شحنات كهربائية عندما تتعرض للاحتكاك أو دلكها بقطعة من الحرير حيث تلتقط قصاصات الورق أو قطع صغيرة من القش. ويتم فصل المعادن القابلة للتكهرب من المعادن العديمة القابلية بطريقة الفصل الكهروستاتيكي.

الانصهارية :

ويمكن أن تساعد هذه الخاصية في التعرف على المعادن حيث أن معظم المعادن لها درجات انصهار ثابتة إذا كانت نقية فالذهب ينصهر عند 1062°م بينما تنصهر الفضة عند 960°م .. إلخ.

الخواص الحسية:

1- الرائحة:

تتميز بعض المعادن برائحة خاصة عندما تتعرض للاحتكاك أو التسخين أو التنفس عليها مثل:

أ‌- رائحة طينية: وهي الرائحة التي تنتج عند وضع الماء على معدن الكاولين.

ب- رائحة زنخة: عند تسخين بعض عينات حجر الجير القطراني.

ج- رائحة ثومية : وتصدر عن بعض المعادن الزرنيخية عند حكها أو تسخينها مثل معدن ارزنيوبايرايت.

د- رائحة كبريتية : عندما ينطلق غاز كبريتيد الهيدروجين بتسخين معدن البايرايت.

2- الملمس:

وهو التأثير الناتج عن لمس المعدن باليد، ويوصف المعدن بأنه ذو ملمس :

أ- بارد : وهو مميز للمعادن العنصرية مثل الذهب والنحاس.

ب- شحمي : وهو مميز لمعدن التلك.

ج- ناعم : وهو مميز لمعدن الأوبال.

3- الطعم :

تتميز بعض المعادن بطعم معين، وقد أمكن معرفة الأنواع الآتية :

أ- طعم قلوي.

ب- طعم ملحي.

ج- طعم مر.

د- طعم رطب.

ويميز كل طعم معدن معين، وهي صفة لا ينصح بالاعتماد عليها.

الخواص الضوئية للمعادن:

ويمكن تلخيص هذه الخواص بإيجاز في ما يلي:-

أ- معامل الانكسار: إذا سقط شعاع ضوئي على سطح معدن ما، فإن هذا الشعاع ينكسر عند نفاذه من العينة. فإذا كانت زاوية السقوط هي ق ، وزاوية الانكسار هي ك ، فإن معامل الانكسار يمكن كتابته بالشكل التالي:-

معامل الانكسار (م) = جا ق

جا ك

وتسمى هذه المعادلة قانون سنل.

ومعمل الانكسار يكون ثابتاً للمعدن الواحد مهما اختلفت زاوية السقوط، ويختلف هذا المعامل باختلاف المعادن، فمعامل الانكسار لمعدن الزركون يساوي 1,93 وتتراوح قيمة معامل الانكسار لمعدن الكوارتز من 1,553 إلى 1,544 أما معامل الانكسار لمعدن الفلورايت فيساوي 1,43 .

ب- الانكسار المزدوج:

وهو أن ينكسر الشعاع الساقط عند نفاذه من المعدن إلى شعاعين لكل منهما زاوية انكسار تختلف عن الأخرى، والمعادن التي لها خاصية كسر الشعاع الساقط إلى شعاعين منكسرين تسمى المعادن ذات الانكسار المزدوج. ومن أمثلة هذه المعادن، معدن الكالسايت ومعاملا الانكسار لهذا المعدن هما 1,658 و 1,486 بفارق قدره 0,172 .

وتسمى المعادن التي يكون لها معامل انكسار ثابت مهما اختلف اتجاه سقوط الضوء، تسمى هذه المعادن متجانسة ضوئياً, والمعادن المتجانسة ضوئياً لا تفصل الشعاع الساقط إلى شعاعين، وإنما ينكسر الشعاع الساقط إلى شعاع واحد فقط.

التصنيف الكيميائي للمعادن:

يوجد المعدن على شكل مركب كيميائي يمكن بواسطة التحليل الكيميائي تحديد العناصر المكونة له وأيضاً معرفة معادلته الكيميائية وتوجد عدة طرق لتقسيم المعادن، بيد أن التصنيف الكيميائي يعد من أبسط وأشمل الطرق لتقسيم المعادن، وهو التصنيف المتبع في معظم جامعات ومتاحف الجيولوجيا في الوقت الحاضر. وتقسم المعادن من حيث تركيبها الكيميائي إلى عدة مجموعات كنا يلي:

1- مجموعة المعادن العنصرية : مثل الذهب والماس والكبريت.

2- مجموعة معادن الكبريتيدات : وهي المعادن التي يتحد فيها الكبريت مع العناصر الأخرى، مثل الجالينا والبايرايت.

3- مجموعة معادن الأكاسيد : وهي المعادن الناتجة عن اتحاد الكسجين بالعناصر الأخرى، مثل الكوارتز والهيماتايت والليمونايت.

4- مجموعة الهاليدات : وهي المعادن التي تتحد عناصرها مع عناصر الهالوجين (فلور, كلور, بروم, يود) مثل معدن الهالايت والفلورايت.

5- مجموعة معادن الفوسفات : وهي المعادن التي تتحد عناصرها مع مجموعة الفوسفات, مثل معدن الأباتايت.

6- مجموعة معادن الكربونات : وهي المعادن التي تتحد عناصرها مع مجموعة الكربونات، مثل الكالسايت والدولومايت.

7- مجموعة معادن الكبريتات : وهي المعادن التي تتحد عناصرها مع مجموعة الكبريتات مثل الانهيدرايت والجبس.

8- مجموعة معادن السيليكات : وهي المعادن التي تتكون نتيجة اتحاد مجموعة السيليكا مع عنصر أو أكثر. وتعد السيليكات من أكبر مجموعات المعادن, وتنقسم بدورها إلى عدة مجموعات أخرى, أهمها ما يلي:-

أ‌- الفلسبارات : ومنها الفلسبارات البوتاسية مثل الأرثوكليز ومنها الفلسبارات الصودية مثل الألبايت وكذلك الفلسبارات الكلسية مثل الأنورثايت.

ب‌- الأوليفينات : مثل معدن الأوليفين.

ج‌- البيروكسينات : مثل الأوجايت.

د‌- الأمفيبولات : مثل الهورنبلند.

هـ- الميكا : مثل الميكا البيضاء (مسكوفايت) والميكا السوداء (بيوتايت).

المعادن

يختزن باطن الأرض الكثير من المعادن المختلفة التي تعتبر أساسية في الصناعة المعدنية وتنتشر هذه المعادن على شكل فلزات ممزوجة بمواد أخرى كالكبريت أو الكلور أو الأ**جين الخ … كما قد تكون عروقاً صافية .
وقد تبين لنا أن ما يطلق عليه اسم الصخور هو مجموعات من المواد المعدنية التي تكون القشرة الأرضية .
مع أنه توجد صخور كثيرة تتكون من مادة معدنية واحدة مثل تلك التي توجد بكثرة في منطقة جبال الألب والتي تعطينا الرخام الأبيض فهي تتكون من معدن واحد هو الكالسيت . ومجموعة جبال الدولوميت في شمال إيطاليا تتكون من صخور مركبة هي الأخرى من معدن الدوولوميت . وهذه الصخور تعرف باسم (( الصخور البسيطة )) .
وعلم المعادن هو العلم الذي يهتم بدراسة المعادن التي توجد بحالتها الطبيعية داخل القشرة الأرضية . كما يبحث هذا العلم في خصائص المعادن ويعمل على الكشف عنهما وتحليل العينات تحليلاً دقيقاً للكشف عن تركيبها وخصائصها الطبيعية والكيميائية وغيرها …
وتتكون المعادن من عنصر كيميائي واحد هو أحد أقسام التبويب الشهير المعروف باسم (( جدول مندليف )) . على أنه من النادر أن نجد أياً منهما في عزلة أو في حالة نقاء خالص . إذ غالباً ما نجدها مختلفة بعناصر أخرى من الركائز نفسها ، حتى إذا عثرنا عليها نقية أو بها نسبة ضئيلة جداً من الشوائب فإننا نطلق عليها اسم (( العنصر الخالص )) .
• الذهب : درجة صلادته 2.5 ، كثافته النوعية 19.6 غ/سم3 ، لونه أصفر ولمعانه فلزي . وهو يوجد إما التبر وإما على شكل ذرات أو حبيبات . وأكثر ما يستخدم الذهب في صناعة الحلى ، فإذا كان من عيار 24 قيراطاً كان ذهباً خالصاً وإذا كان 18 قيراطاً كان يحتوى على 75% من الذهب الخالص .
وقد استهوى الذهب الناس منذ أقدم العصور ففتشوا عنه واقتتلوا من أجله . يمكن سحب الذهب على شكل أوراق رقيقة لا تتجاوز سمكها الواحدة منها 12017/1مم . على أنه يكتسب صلابة إذا خلط بالنحاس . أما داخل التربة فهو يأخذ سكل عروق أو يختلط بالرمال وقد أدى البحث عنه إلى اكتشافات جغرافية جديدة وقيام مدن كثيفة السكان في أماكن قد لا تكون صالحة للسكن . كما يستعمل كتغطية للنقد الورقي في معظم دول العالم وفي صناعة الحلى والعملات وطلاء الأواني .
يتوزع الذهب في البلدان التالية أفريقيا الجنوبية ( أنغولا وترانسفاليا ) ، كندا ، الولايات المتحدة ، أوستراليا ، غانا ، روديسيا ، الفيليبين ، مولومبيا ، اليابان ، الم**يك ، الكونغو ، نيكاراغوا ، مصر ، روسيا (سيبيريا ، الأورال ) ، الهند والصين والمملكة العربية السعودية .
• الفضة : درجة صلادتها 2.5 – 3 ، كثافتها النوعية 10.5غ/سم3 لونها أبيض لمعانها فلزي . وهي توجد على شكل كتل شجرية أو على شكل خيوط متشابكة وأكبر مناجمها توجد في الم**يك وفي كندا والبيرو وتستخدم تقريباً كالذهب .
• النحاس : درجة صلادته 3 ، كثافته النوعية 8.9غ/سم3 ، لونه احمر ، لمعانه فلزي . وهو معدن نادر نسبياً ويوجد على شكل بلورات متشعبة ذات مطهر جميل . وقد اكتشف قبل الحديد : فدول شرق البحر الأبيض المتوسط عرفت النحاس واستعملته منذ نحو 3600 سنة قبل الميلاد .
والنحاس لين في حالته الطبيعية لكنه يكتسب شيئاً من الصلابة إذا مزج بالقصدير ، بحيث يعطي البرونز على أن تكون نسبة القصدير 8% من مجموع الوزن . ويمزج أيضاً مع النيكل والتوتياء أو مع السيليسيوم والمانغنيز أو مع الذهب فيعطي أشكالاً أخرى من المعادن تستخدم في صناعات مختلفة .
ويوجد النحاس في الطبيعة صافياً وعلى شكل فلزات هي : كبريت النحاس ScU ، أو **يد النحاس CuO ، وفحمات النحاس co3cu . ويمر في صناعته بمراحل ثلاث : الأولى والثانية يخلص فيهما من الشوائب ويفصل عن باقي المعادن والثالثة تجعله صافياً نقياً . وعملية تنقيته هذه تجري بواسطة الحل الكهربائي في مراكز صناعية تتوفر فيها الطاقة الكهربائية . كما يستخدم النحاس في صناعة الآلات والأسلاك وأجهزة الراديو وفي بعض الأدوات المنزلية والسيارات .
يتوزع إنتاج النحاس في البلدان التالية : الولايات المتحدة ، روسيا ، كندا ، التشلي ، البيرو ، الم**يك …الخ . ويقدر احتياطي النحاس في العالم بـ130 مليون طن منها 70 مليون طن في القارة الأمريكية وحدها . وهذا ما جعلها لفترة متحكمة بتجارة النحاس إلى جانب اليابان لكن مزاحمة الألمنيوم وغيره من الخلائط المعدنية التي تمكنت من الحلول محل النحاس خففت من هذا التحكم .
• البلاتين : درجة صلادته 4.5 ، كثافته النوعية 21غ/سم3 ، لونه أبيض رمادي ، لمعانه فلزي . وهو يوجد على شكل حبيبات مستديرة وخاصة في الأورال في روسيا ، كندا وكولومبيا . ويستخدم البلاتين في صناعة الحلى الثمينة والواتق وأوعية المعامل إذا تبلغ درجة انصهاره 1750 د.م .
• الحديد : درجة صلادته 5 ، كثافته النوعية 7.8غ/سم3 ، لونه رصاصي ، لمعانه فلزي . ويستعمل الحديد في أكثر الصناعات ومنها الآلات الميكانيكية ، الأساطيل التجارية والحربية ، الأسلحة ، البناء ، الخطوط الحديدية والمصانع . ولا تخلو صناعة ثقيلة كانت أم خفيفة من الحديد حتى قيل (( إن تقدم دولة ما يقاس بمقدار كمية الحديد التي تصنعه تلك الدولة )) . لهذا السبب كثر الطلب عليه وازداد استعماله منذ مطلع القرن التاسع عشر فغدت صناعته من أعظم الصناعات في العالم . مع أنها تتميز بالصفات التالية : ثقيلة تحتاج إلى الكثير من الفحم لإنتاج الصلب ، وتحتاج إلى أيد عاملة كثيرة ، وتجهيزية تقدم المواد اللازمة لمختلف النشاطات الصناعية .
على أنه يجب أن تتوفر في فلزات الحديد ، لكي تكون صالحة للاستعمال الشروط التالية : أن تكون غنية بالحديد أي أن تحتوي على نسبة 60% من الحديد ، أن تكون نقية من الشوائب الضارة كالفوسفور والنافعة كالكروم ، وأن تكون أخيراً وفيرة .
تتصف الصناعة الحديدية بأهمية بالغة وتؤثر تأثيراً عميقاً في الحالة الاقتصادية وبالتالي في الحالة السياسية . وينتشر الحديد في القشرة الأرضية بنسب مختلفة تتراوح بين 5 و 70% . أما أهم الصخور التي يستخرج منها فهي : الماغنيتيت ، ( وهو أجودها ) والهيماتيت والليمونيت والسيدريت .
وتدخل بعض المعادن في صناعة الحديد فيزداد قساوة ومقاومة هي : المنغنيز . وأهم الدول التي تنتجه هي روسيا ، الهند ، أفريقيا الجنوبية والبرازيل . ويدخل أيضاً المروم وأهم الدول المنتجة له هي : روسيا ، أفريقيا الجنوبية ، تركيا ، كوبا وروديسيا . التانغستين وأهم الدول المنتجة له هي ماليزيا ، الصين ، الولايات المتحدة .
ويتوزع إنتاج الحديد في البلدان التالية : الولايات المتحدة ، البرازيل ، فنزويلا ، بريطانيا ، ألمانيا ، فرنسا ، السويد ، تشيكيا ، سلوفاكيا ، هنغاريا ، رومانيا …الخ .
أخيراً نشير إلى أن 85% من إنتاج أمريكا الشمالية من الحديد هو في منطقة البحيرات وأن البيرو وروسيا ينتجان معدناً يخلط مع الحديد فيزيد من صلابته هة الفاناديوم .
• الألمنيوم : وهو معدن حديث الاكتشاف ، إذ أنه اكتشف فقط في أواخر القرن التاسع عشر وبعد التقدم الملحوظ في علم الكيمياء ز يستخرج ممزوجاً بالأ**جين على شكل فلزات تدعى البو**يت ، نسبة إلى مدينة Bauxe الفرنسية ، حيث عرف فيها للمرة الأولى ، العالم الكيماوي وكلر Wokler .
وفلزات البو**يت تحتوي على نسبة متراوحة بين 20 و 25% من الألمونيوم الخام . وبعد تخليصه من شوائبه نحصل على أو **يد الألمونيوم النقي ( ألومين ) ثم يفصل الأو**جين عن الأمين بواسطة التيار الكهربائي فنحصل على الألمنيوم الصافي .
يمتاز الألمونيوم بأنه أخف المعادن وزناً وناقل للتيار الكهربائي وبفضل لونه الأبيض الضار إلى الزرقة يكتسب مقاومة إذا خلط بالنحاس والمغنيزيوم ويستخدم في صنع الأدوات المطبخية وفي صناعة السيارات والأسلاك وصناعة المحركات والطائرات .
يتوزع إنتاج الألمنيوم في البلدان التالية : فرنسا ، هنغاريا ، إيطاليا ، …الخ . على أن جمايكا تحتل المرتبة الأولى في الإنتاج .

 المعادن المشعة : اليورانيوم
لم تكن فلزات اليورانيوم معرفة قبل الحرب العالمية الثانية ثم أخذ التنقيب عنه يتزايد في العالم . أنه معدن موجود في صخور تعود إلى عهد ما قبل الكمبري وفي صخور الطور الأول . وهو شديد الانفجار يستخدم في صنع الطاقة النووية التي تسير بدورها السفن والغواصات وتولد الكهرباء . كما أن العالم يستخدم اليورانيوم لأغراض سلمية في محال الطب ولأغراض عسكرية .
هناك معادن أحرى مشعة هي الطوريوم والليثيوم والهيدروجين والبلوتونيوم وكلها قايلة للانشطار .
يتوزع إنتاج هذه المعادن في روسيا ، الصين الشعبية ، الولايات المتحدة …الخ . لكن كمياتها تبقى سرية لأسباب عسكرية .
لا تصلح فلزات اليورانيوم للاستغلال ما لم تكن تحوي على نسبة لا تقل عن 2 بالإلف من المعدن أي 2 كلغ من المعدن في ألف كلغ من الفلزات .
 المعادن اللافلزية : وأهمها .
• الماس : تركيبه الكيميائي هو الكربون التقي ، درجة صلادته 10 ، كثافته التوعية 3.5غ/سم3 . والماس الخام ليس بلمعان الماس المصقول وتظهر تقوسات في وجهه . ثم إنه نادر الوجود .
• الغرافيت : تركبه الكيميائي هو الكربون الطبيعي أو الصناعي ، درجة صلادته 1 ، كثافته النوعية 2.2غ/سم3 ، لونه أسود ، لمعانه شبه فلزي ، ومظهره شحمي . وإذا كان الماس نادر الوجود فإن الطبيعة توفر نوعاً من الكربون لا يقل في نقائه عن كربون الماس ، ألا وهو الغرافيت .
وتستغل قابلية الغرافيت للتفتت ولونه الأسود في صناعة أقلام الرصاص كما يمكن استخدامه كموصل للكهرباء وهو موجود في جزيرة سيلان وسيبيريا وأمركا الشمالية .

 المعادن المركبة من الكبريت
• ركاز الزنك : تركيبه الكيميائي هو كبريتوز الزنك ، درجة صلادته ، كثافته النوعية 3.9غ/سم3 ولونه يتفاوت بين الأبيض والبني الغامق وبعض أنواعه ذات إشعاع ضوئي وهو متوفر بكثرة ويستخرج منه الزنك .
• السينابار : تركيبه الكيميائي هو كبريتوز الزئبق ، درجة صلادته 2.5 ، كثافته النوعية 8.1غ/سم3 ، لونه قرمزي أو أسود ، لمعانه ترابي ، وهو متوفر في إسبانيا ( في مناجم المدائن التي كان القرطاجيون يستغلونها ) وفي إيطاليا والولايات المتحدة .
• البييريت : وتركيبه الكيميائي هو كبريتوز الحديد ، درجة صلادته 6 ، كثافته النوعية 5غ/سم3 ، لونه أصفر ولمعانه فلوي . ويوجد على شكل بلورات جميلة ويستخدم في إنتاج حامض الكبريتيك . وهو متوفر بكثرة في العديد من البلدان خاصة في الولايات المتحدة ، إسبانيا وروسيا .
• الشالكوبيريت : وتركيبه الكيميائي مزدوج من كبريتوز الحديد والنحاس . درجة صلادته 4 ، كثافته النوعية 4.3غ/سم3 ، لونه أصفر ذهبي متموج لمعانه فاقع . يوجد بكثرة في أمريكا الشمالية والجنوبية وفي إسبانيا .
 معادن الأ**يد :
• المرو ( الكوارتز ) : تركيبه الكيميائي هو السيليكا أو أو **يد السليكون ، درجة صلادته 7 ، كثافته النوعية 2.65غ/سم3 . يوجد في البرازيل وإيطاليا وهو إما شفاف نقي عديم اللون ويطلق عليه اسم البلور الصخري . وإما بنفسجي ( لأنه يحتوي على القليل من المنغنيز ويعرف باسم الجشمت أو الياقوت الجمري ) . ويوجد في الأوروغواي والبرازيل . أما إذا كان لونه أصفر فيعرف باسم الزمرد الزائف ( البرازيل ) . وإذا كان لونه بنياً فيعرف باسم الكوارتز اللباني ويوجد في جبال الألب في مقاطعة أوري Uri في سويسرا ، على أن كافة أشكاله هذه هي نصف شفافة .
• العقيق : وهو إما معتم كالسيدون أو أبيض اللون إذا كان نقياً . أما إذا شابته حمرة فيعرف بالعقيق الأحمر ، وباسم اليشب إذا كان لونه بنياً مائلاً للاصفرار وباسم الكريزويراز إذا كان أخضر ، وعندما يكون مكوناً من شرائط مختلفة الألوان فيعرف باسم اليشب الشريطي ، وباسم العقيق اليماني إذا كانت ألوتنه مجزعة . وكل هذه الأحجار تعرف بالأحجار الصلدة وحين تصقل تستخدم في صناعة الحلى والجواهر .
• الياقوت : تركيبه الكيميائي هو أو**د الألمونيوم ، درجة صلادته 9 ، كثافته النوعية 4غ/سم3 وهو عديم اللون إذا كان نقياً . وتتكون أحجار كثيرة من الياقوت إذا كان يحتوي على بعض الشوائب فيعرف بالياقوت الأحمر إذا كانت حمراء ( يوجد في بورما ) وبالياقوت الأزرق إذا كانت شوائبه زرقاء ( يوجد في تايلاند ) . كما توجد بعض أحجار الياقوت الأقل جمالاً وتعرف باسم حجر الضفرة .
• حجر الدم : وتركيبه الكيميائي هو او**يد الحديد ، تتفاوت درجة صلادته من 1 إلى 6 ، كثافته النوعية 5.2غ/سم3 لونه رمادي أو بني وحين يتحول إلى مسحوق يصبح لونه أحمر قانياً ويلعب دوراً مهماً في عمليات استخلاص الحديد ، يوجد بكثرة في السويد وإسبانيا وكند والبرازيل وفرنسا وجزيرة ألبا .
• خام القصدير : تركيبه الكيميائي هو أ**يد القصدير ، درجة صلادته 6.5 ، كثافته النوعية 7غ/سم3 ، لونه مائل إلى الاصفرار أو هو بني أو أسود ، وله أهمية أولى في عمليات استخراج القصدير وهو يوجد في الصخور الغرانيتية في جزيرة القصدير الشهيرة ( كورنوال ) والتي كانت شهرنها واسعة منذ الرومان ، وفي جزر الصوند وفي سبه جزيرة ملقو في بوليفيا .
• البو**يت : تركيبه الكيميائي هو أو **يد الألمونيوم المائي ، درجة صلادته من 1 إلى 3 كثافته النوعية 2.5غ/سم3 ، لونه أبيض ويميل أحياناً إلى الاحمرار أو إلى البني حسب الشوائب التي فيه .
يشتق اسمه من قرية بو** في مقاطعة بروفانس الفرنسية ويستخرج منه الألمنيوم ويوجد في فرنسا ، إيطاليا ، الولايات المتحدة ، ويوجد بكمية هائلة في أفريقيا الاستوائية الغربية .

 معادن الأملاح :
• الكالسيت : تركيبه الكيميائي هوكربونات الكالسيوم ، درجة صلادته 3 ، كثافته النوعية 2.72غ/سم3 ، وهو عديم اللون وشفاف إذا كان أنواعه شفافية وثمناً ما يعرف (( ببلورات أيسلند ) وهي تستخدم في صناعة الأدوات البصرية بسبب ازدواجية انعكاساتها الضوئية ، أي أنها تعطي صورتين للشيء نفسه ، وهناك أنواع أخرى من الكالسيت تختلف في درجة نقاوتها ، مكا توجد جبال كاملة مكونة من الكالسيت . والواقع أن الرخام البلوري كاه يتكون من حبيبات الكاليست . كذلك الامر بالنسبة إلى الأعمدة الكلسية الصاعدة والهابطة الموجودة في المغاور والكهوف الباطنية .
زمن الكربونات الأخرى المهمة مربونات المغنيزيوم وكربونات الحديد وكربونات الزنك وتمكن أهميتها في كونها مصدراً للحصول على معادنها . وهناك أسضاص كربونات النحاس وهي أحجار كريمة تستخدم في الزينة .
 البسيليكات : ( أملاح حامض السيلسيك ) وهي كثيرة العدد وواسعة الانتشار في الطبيعة ولها أهميتها الصناعية في أغلب الاحيان ومنها :
• الميكا : سيليكات الألمنيوم وبعض المعادن الأخرى : درجة صلادتها 2.5 ، كثافتها النوعية 2.9غ/سم3 وهي معدن لامع شبه شفاف إذا كان لونه صافياً . وتوجد على شكل بلورات أو رقائق وأهم مناجمها في مدغشقر والهند .
• الحرير الصخري : ويطلق هذا الاسم على مجموعة من المعادن الليفية المختلفة التركيب ومنها معدن الامفيبول والسرينتين وتوجد على شكل كتل ليفية يمكن نسجها وتصنع منها أقمشة غير قابلة للاحتراق . وهذه الألياف تستعمل في أعمال البناء إذا خلطت بالاسمنت . واهم مناطق وجودها في كندا ( السرينتين ) وفي إفريقيا الجنوبية ( الامفيبول ) .
• الطلق : سليكات المغنزيوم المائي : درجة صلادته 1 ، كثافته النوعية 2.79غ/سم3 وحين يتحول إلى مسحوق يصبح شحمي المظهر ( بودرة التلك ) ويستخدم في صناعة العطور والطلاء والمبيدات الحشرية والمطاط والورق .
• الياقوت الأصفر : ( التوباز ) تركيبه الكيميائي هو سيليكات الألمنيوم والفور ، درجة صلادته 8 ، كثافته النوعية 3.5غ/سم3 ، لونه أصفر أو أخضر شفاف ويستخدم كأحجار ثمينة ويوجد في الأورال ، البرازيل وجزيرة ألبا .
• حجر النوتيا : ( الكالامني ) : تركيبه الكيميائي هو سيليكات الزنك وله دور أساسي في استخراج الزنك . يوجد في بلجيكا وألمانيا .
• الأباتيت : تركيبه الكيميائي هو فوسفات الكالسيوم المحتوية على الفلور ويكثر في النرويج ويستخدم في صناعة الأسمدة .
• الماغنيتيت : تركيبه الكيميائي هو او**يد الحديد الطبيعي ، درجة صلادته 6 ، كثافته النوعية 5.2غ/سم3 وهو أحد ركائز الحديد ، لونه يميل إلى السواد مغناطيسيته قوية يكثر وجوده في السويد والأورال وله منجم في فرنسا هو منجم أنجو Anjpu .
• الجبس : تركيبه الكيميائي كبريتات الكالسيوم المائي ، درجة صلادته 2 ، كثافته النوعية 2.3غ/سم3 وهو معدن رخو عديم اللون أو مائل إلى البياض إذا كان نقياً وهو عندما يتسخن يفقد جزءاً من مائه ويتحول إلى جص . كما يدخل الجبس في صناعة الإسمنت .
• الذهب في جنوب أفريقيا : تنتج جنوب أفريقيا 970 طناً من الذهب سنوياً أي ما يعادل 76.8% من الإنتاج السنوي في العلم الغربي . وينتج الاتحاد السوفياتي 450 طناً من الذهب سنوياً .
• القصدير في ملايو : كانت كورنوول مصدراً مهماً للقصدير ولكن مالايو تنتج اليوم أكثر من ثلث احتياجات العالم منه . إذا يبلغ إنتاجها السنوي منه 73000 ألف طن .
• المعادن في الكونغو : عرف الكونغو ، منذ زمن بعيد ، بثروته المعدنية .فمنطقة كاساي تشتهر بالماس إذ يستخرج أكثر من نصف إنتاج العالم من الماس من هذه المنطقة كما تأتي الكونغو في المرتبة السادسة من حيث إنتاج النحاس . وتكتسب أهمية حديثة لإنتاجها اليورانيوم .
• النحاس في تشيلي : تعتبر التشيلي رابع دول العالم في إنتاج النحاس ، إذ يبلغ إنتاجها السنوي 669 مليون طن . وفي مناجم ضخمة مثل منجم شوكيكاماتا الواقع على ارتفاع 3478م . كما تنتج التشيلي تشكيلة من الخاملت المعدنية إلا أن صناعتها التعدينية الرئيسة الوحيدة لا ترتكز على النحاس بل على الموليبدينوم Molybdenum . وهي تنتج منه 2440 طناً سنوياً .
• البو**يت في جامايكا : بدأت بإنتاجه منذ عهد قريب ، فحتى سنة 1952 كانت تعتبر سابع دولة بإنتاجه إذ لم يكن إنتاجها يعتدى 420170 طن . فإذا بها تصبح اليوم أهم مصدر للبو**يت في العالم إذ بلغ إنتاجها منه 10319000 طن أي ما يعادل ربع الإنتاج العالمي الذي يبلغ نحو 46 مليون طن

تقرير علمي عن :-

عمل الطالبة : ********************
الصف

المقدمة : –

جيولوجيا المعادن : ويدرس هذا العلم الصفات والخواص الطبيعية (الفيزيائية ) والكيميائية للمعادن الموجودة في القشرة الارضية ، بالإضافة الى دراسة أصول تشكل المعادن و طرق استخراجها واستخلاصها من مصادرها الأم.

الموضوع :-
المعدن: هو الوحدة الاساسية المكونة للصخور ، وهو مادة طبيعية، صلبة، متجانسة، تكونت بطريقة غير عضوية و لها تركيب كيميائي محدد.

الخواص الطبيعية للمعادن:

1- خواص بصرية :
1-1 اللون: ثابتة اللون – متغيرة اللون
1-2 المخدش: لون مسحوق المعدن
1-3 الشفافية : شفافة، شبه شفافة، او معتمة
1-4 البريق: قدرة المعدن على عكس الأشعة الضوئية الساقطة عليه :
بريق فلزي ( الذهب).
بريق لافلزي: ماسي، زجاجي (الكوارتز)، صمغي(كبريت)، لؤلؤي(التلك)، حريري(الاسبستوس،الجبس)، ترابي(بوكسيت).

2- خواص تماسكية :

2-1 الصلادة:هي المقاومة التي يبدبها المعدن للخدش، وتتبع مقياس موه للصلادة: تلك(1)، جبس(2)، كالسيت(3)، فلوريت(4)، آباتيت(5)، ارثوكليز(6)، كوارتز(7)، توباز(8)، كورندم(9)، الماس(10)
2-2 الانفصام (التشقق) قابلية المعدن للانفصام عند مستويات منتظمة(مستويات الانفصام) و متوازية عند طرقها طرقا خفيفا، و تقسم الى انفصام واضح- في اتجاه أو اكثر- و انفصام غير واضح
2-3 الانفصال: تفتت أو تكسر المعدن نتيجة عوامل خارجية .
2-4 المكسر: شكل سطح المعدن عند كسره صناعيا في اتجاهات غير تلك التي ينفصم عندها في الحالة الطبيعية.
2-5 قوة الطرق و السحب امكانية تشكيل المعدن.
2-6 الوزن النوعي : وهو وزن واحدة الحجوم من المعدن.

3- خواص حسية : الرائحة، المذاق، الملمس.
4- خواص أخرى :
-الاشعاع الذري.
-المغناطيسية.
-الكهربائية.
-درجة حرارة الانصهار.

التصنيف الكيميائي للمعادن

1- المعادن العنصرية: الذهب و الفضة و النحاس و الجرافيت و الالماس
2- الكبريتيدات: البيريت و الجالينا
3- الاكاسيد: الكوارتز و الماجنيتيت و الهيماتيت و الكروندم
4- الهاليدات: الفلوريت- الهاليت
5- الفوسفات: الاباتيت
6- الكربونات: الكالسيت و الدولوميت و الماجنيزيت
7- الكبريتات: الجبس و الباريت و انهيدريت
8- السيلكات: مجموعة الفلسبارات، مجموعة البيروكسين، مجموعة لامفيبول، مجموعة الميكا، الكوارتز، اوليفين، موسكوفيت، التلك

نشــــــأة المعـــــادن

تكونت المعادن في الطبيعة نتيجة للعمليات التالية:

1- النشاط الناري :
أ‌- التبلور من السائل الصهاري.

ب‌- التبلور من المحاليل الحارة.

2- عمليات الترسيب:
أ‌- التبلور من المركبات الملحية لمياه البحار و المحيطات
ب‌- تكون بعض المعادن في صورة خامات معدنية رسوبية لمنشأة.

3- عمليات التحول
أ-تكون معادن جديدة بتأثير عوامل التحول مثل الجرافيت(من الفحم).
ب-التكون بتركيز الغازات قرب فوهات البراكين.

وتعود الأسباب الرئيسية وراء تلون المعدن الى وجود الشوائب المعدنية وغير المعدنية المختلفة ، بالإضافة الى التسخين او التعرض للاشعاع الذري ، ومن المعادن المهمة والثمينة الكوارتز والذهب والأحجار الكريمة والبلاتين .

-الكوارتز: الوفرة(الرمال)، رقائقه تستعمل في صناعة الاجهزة الحديثة

-الذهب : معدن عنصري، غالي الثمن، الندرة، غير نشط كيميائيا(لا يصداء و لا يتأكل)، يندمج مع عناصر اخرى مثل النحاس

الأحجار الكريمة:

هي معادن تتميز بالجمال و المتانة و الندرة، وتقسم إلى أحجار كريمة نفيسة و شبه نفيسة . ولكن ليس بالضرورة أن يتمتع الحجر الكريم بصلادة عالية (مثل اللؤلؤ و المرجان و التركواز). و تتم عملية صقلا للأحجار الكريمة بهدف إظهار جمال الحجر الكريم أو إخفاء عيوبه.

الخواص الضوئية للأحجار الكريمة:
1- القدرة على كسر الضوء.
2- درجة اللون.
3- درجة تلاعب الالوان: التغير اللوني مع تغير الاتجاه.
4- البريق .

وسائل التعرف على الأحجار الكريمة:
1- جهاز معامل الانكسار.
2- جهاز التحلل الطيفي.
3- جهاز قياس الكثافة.
4- جهاز قياس الصلادة.
5- جهاز أشعة الحيود السينية .
6- القدرة على احداث انكسار للضوء :

يمكن أن تصنف الأحجار الكريمة :
معادن ذات انكسار مزدوج مثل الياقوت و الزمرد و اللؤلؤ .
معادن ذات انكسار منفرد مثل الماس و العقيق و المرو.
أو
الأحجار الكريمة الصناعية(شبه النفيسه):هي المعادن التي تمتلك الصفات الكيميائية و التركيبية للمعدن الطبيعي و لكنها محضرة صناعيا
الأحجار الكريمة الزائفة: مواد زائفة لها شكل خارجي يماثل الأحجار الكريمة(بلاستيكية).

الخاتمة :-

ومن السابق نعلم ان لعلم المعادن اهمية اقتصادية كبيره فهو يعد المصدر الاساسي للأقتصاد العالمي وغير انه يشمل الاحجار الكريمة التي تعد اغلي و اثمن المعادن علي وجه الارض ولها استخدامات كثيره في الحياة البشرية .

الفهرس

المحتوى الصفحة
الغلاف ( العنوان و الاسم ) 1
المقدمة 2
الموضوع 3
تابع الموضوع 4
الخاتمة و المصدر و الفهرس 5

المصدر :-

صدأ (تآكل) المعادن و طرق مقاومته
(Corrosion and Protection)

المقدمــــــــــة :-

كثيرا ما نلاحظ أن الأسطح المعدنية ، وهياكل السيرات ، أنه يطرأ عليها تغير كيميائي ، حيث تصبح هشة خشنة الملمس ، ويحتم علينا استبدالها أو معالجتها قريبا ، فما الذي يحدث هذا التغير ؟ وكيف يحدث ؟ وما طرق مقاومته ؟
سنتناول في هذا التقرير :- طبيعة الصدأ ، أنواع التآكل بالصدأ ، طرق حماية المعادن من الصدأ .

المــــوضوع :-

1. طبيعة الصدأ (التآكل)

يتآكل سطح المعادن الموجودة في حالة تفاعل كيميائي او كهروكيميائي مع الوسط الخارجي , و يسمى هذا التآكل بالصدأ.
و يسبب الصدأ خسائر جسيمة في الاقتصاد العالمي , تقدر بالميارات سنويا, إذ يدمر كمية ضخمة من المنشآت و الماكينات المعدنية. و لمقاومة الصدأ يجب معرفة أسبابه و الوسائل المجدية لمقاومته.
وهناك نوعان من الصدأ : – الصدأ الكيميائي و – الكهروكيميائي.

الصدأ الكيميائي : و يحدث بسبب تفاعل المعدن مع الغازات الجافة و السوائل العازلة دون ظهور تيار كهربائي.
مثل تأكسد صمامات العادم بمحركات الاحتراق الداخلي و مواسير العادم و غرف الاحتراق بالمواقد و الوصلات الداخلية الميكانيكية في الافران و المحركات.

الصدأ الكهروكيميائي : و ينشأ نتيجة لظهور التيار الكهربائي نتيجة للتفاعل بين المعدن و الالكترونات المحيطة به مثل صدأ حديد الزهر و غيرهما من السبائك في الجو الرطب و في الماء العذب و ماء البحر و الاحماض و القلويات و المحاليل الملحية و في الارض.

تتكون الشبكة البلورية للمعدن من ايونات موجبة الشحنة (كاتيونات) موجودة في اركان الشبكة البلورية و الالكترونات الحرة المتحركة في المعدن كله. و يمكن ان تنفصل الكاتيونات عن سطح المعدن و ان تنتقل الى الوسط المجاور – الالكتروليت . و يسمى فرق الجهد المتكون عند سطح تلامس المعدن مع الالكتروليت و هو الدال على ميل المعدن للذوبان بالجهد القطبي. و تتوقف قيمته اساسًا على تركيب الالكتروليت.
و يحدد الجهد القطبي للمعادن تجريبيا بمقارنته بجهد الهيدروجين و هو المعتبر مساويا للصفر.
و المعادن تختلف بالجهد القطبي فهناك معادن سالبة الجهد و أخرى موجبة مقارنتا بقطب الهيدروجيني (الالكترود).
المعادن ذات الجهد الموجب (فوق صفر الهيدروجين) قابليتها للصدأ قليلة و المعادن ذات الجهد السالب (تحت صفر الهيدروجين) تكون اكثر قابلية للصدأ كلما كان جهدها سالب.

و المعادن النقية و السبائك الوحيدة الطور تقاوم الصدأ جيدا. اما السبائك التي تتكون بنيتها من عدة أطوار ذات جهود مختلفة فهي عبارة عن عمود كهربائي متناهي الصغر كثير الأقطاب, و لذا فهي سهلة الصدأ. و تكون الأجزاء المصنوعة من عدة مواد معدنية مختلفة الجهود عمودا كهربائيا متناهي في الصغر فيصبح المعدن المنخفض الجهد مصعدا anode , و يتآكل, في حين لا يتآكل المعدن ذو الجهد إلاعلى لقيامه بدور المهبط cathode.
فعلا سبيل المثال عند تلامس الحديد مع الزنك (طلاء الحديد بالزنك) , يتآكل الزنك (اي هو الذي يحدث له صدأ) أي أنه يكون المصعد anode في حين لا يتآكل الحديد لأنه يكون مهبط cathode.
و في مثال آخر عند تلامس القصدير مع الحديد (طلاء الحديد بالقصدير) فإن الحديد يتآكل
(أي يصدأ) يكون مصعد anode. أما القصدير فصبح مهبط و لا يتآكل.

و يمكن أن يكون المعدن إيجابيا أو سلبيا بالنسبة لتأثير الوسط و تتحدد إيجابية المعدن بتآكله في وسط الصدأ كتآكل الحديد في وسط مؤكسد عند درجات الحرارة العالية.
في بعض من المعادن مثل الألمنيوم و الكروم عن حصول الأكسد تتكون طبقة من الأكاسيد تعمل على حماية المعدن من استمرارية التآكل.

2- أنواع التآكل بالصدأ

يمكن تقسيم التآكل بالصدأ إلى ثلاث مجموعات رئيسية : الصدأ المنتظم , و الصدأ المكاني و الصدأ بين البلوري.

أ – الصدأ المنتظم : و تبدو مظاهره في تآكل منتظم للمعدن على كل سطحه, و يحدث هذا النوع في المعادن أو السبائك ذات البنية الوحيدة الطور (المعادن النقية, و المحاليل الصلبة و المركبات الكيميائية).

ب – الصدأ المكاني : و يتآكل أثناءه المعدن في اماكن متفرقة من السطح, و يلاحظ حدوث هذا النوع من الصدأ بالسبائك الكثيرة الأطوار ذات البنية الخشنة كما يحدث بالسبائك الوحيدة الطور و المعادن النقية عند تدمير الغلاف الواقي . و تسبب الخدوش و الحزوز السطحية صدأ مكاني, اذ تتكون في هذه الأماكن ظروف مناسبة لتكون الأعمدة الكهربائية المتناهية في الصغر.

جـ – الصدأ بين البلوري : و يتميز بانتشار الصدأ على حدود الحبيبات grain boundaries, و يرجع السبب في ذلك إلى أن جهد حدود الحبيبات أقل (مصعد) و جهد الحبيبات أعلى (مهبط). و هذا النوع من الصدأ هو أكثر الأنواع خطوا لأنه ينتشر في أعماق المعدن ولا يسبب أي تغير ملموس على السطح. و تتعرض لهذا النوع من الصدأ أنواع الصلب النيكل الكرومية و سبائك الألمنيوم , و هي التي يمكن أن تفرز أطوارا منتشرة.

3- طرق حماية المعادن من الصدأ

تستعمل في الصناعة طرق مختلفة لحماية المصنوعات و المنشآت المعدنية مثل الجسور و ناطحات الساحب و السفن و غيرها، من الصدأ حسب أسباب حدوث الصدأ و ظروفه. و يمكن تقسيم كل طرق مقاومة الصدأ الى المجموعات التالية:

أ – و قاية المعادن من الصدأ بإضافة عناصر سبيكية :
و تتلخص في إضافة عناصر إلى السبيكة مثل الكروم و النيكل إلى الفولاذ لتشكيل الستانليسستيل stainless steel و تمنع هذه العناصر الصدأ أو تقلله.

ب – الأغلفة الأكسيدية :
و يحصل عليها على سطح الأجزاء المعدنية بالأكسدة أو الفسفتة , و تقي المعدن من الصدأ بشكل جيدا. و تجرى الأكسدة في عوامل مؤكسدة قوية مثل المحلول المائي للصودا الكاوية او املاح اخرى. و طريقة الأكسدة عادة تؤكسد المشغولات المصنوعة من الألمنيوم لأن طبقة الأكسد في الألمنيوم تشكل مانع و حامي جيد من الصدأ بما يسمى عملية anodizing.
و تجرى الفسفتة في محاليل ساخنة من الفوسفاتات الحامضية للحديد و المنجنيز و تعتبر الطبقة الأكسيدية و الفوسفاتية قاعدة جدية للتشحيم الواقي و للطلاء و إعطاء الألوان للمنتجات.

ج – الوقاية بمعاملة الوسط الخارجي :
و تتلخص هذه الوقاية إما في إزالة المركبات الضارة التي تسبب الصدأ (كأن يزال الاكسجين من الماء لمنع الصدأ). أو أن يضاف إلى الماء عامل يقلل من فعاليته و هو الكروميك- بايكرومات البوتاسيوم K2Cr2O7 نسبته 0.5% . تستعمل هذه الطريقة في نظام التبريد بمحركات الاحتراق الداخلي و يمنع هذا حدوث الصدأ عمليا.

د – الوقاية بالطلاء بالمعادن :
و تستعمل على نطاق واسع في الصناعة و يجب أن نميز بين نوعين من أنواع الوقاية – المهبطية و المصعدية.

عند الوقاية المهبطية :
يكون جهد معدن التغطية أعلى من جهد المعدن الأساسي . و شروط الوقاية أن تكون التغطية كثيفة غير مسامية. و يسبب و ينشأ عن عدم تحقق هذا الشرط (كحدوث خدوش مثلا) صدأ في هذه المناطق , إذ أن المعدن الأساسي (المحمي) يكون مصعدا في الازدواج الجلفاني المتكون و يتآكل.

الوقاية المصعدية :
و بها يكون جهد معدن التغطية أقل من جهد المعدن الأساسي . و تحمي التغطية المعدن كهروكيميائيا . إذ أن المعدن الأساسي سيقوم بدور المهبط عند تكون ازدواج جلفاني , و يقوم معدن التغطية بدور المصعد و يتآكل.
ومن التغطيات المهبطية للحديد و الصلب القصدير و الرصاص و النحاس و النيكل, و من التغطيات المصعدية الزنك و الألمنيوم و الكالسيوم و البوتاسيوم.
و تستعمل في الصناعة طرق مختلفة للتغطية بالمعدن كغمره في المعدن المنصهر و التغطية الجلفانية و التغطية الإنتشارية و التغطية بالنثر و طريقة تكوين طبقة على سطح المعدن.
الطريقة الجلفانية للتغطية : و بها يعلق الجزء بصفة مهبط في حمام إلكتروليتي من محلول مائي لأحد أملاح المعدن المرسب. و الخواص الواقية للتغطية الجلفانية جيدة في حين أنها بسيطة التكنولوجيا.
التغطية الانتشارية : للمصنوعات المعدنية و تجرى بواسطة الطلاء بالألمنيوم أو الطلاء بالكروم أو التغطية بالكروم أو النتردة. و تخلق طبقة واقية تحمي المعدن الداخلي من الصدأ.
التغطية بطريقة النثر : و تتلخص في نثر المعدن المصهور بواسطة الهواء المضغوط من جهاز خاص (يسمى المذرر اي يسبب التذرية لدقائق المعدن المنصهر) على سطح المعدن الأساسي الذي ينظف قبل عملية الرش. و يغذى الجهاز بالمعدن على شكل سلك يصهر بلهب غازي او بقوس كهربائي ,او يغذى على شكل مسحوق. و تكون التغطية بهذه الطريقة مسامية و هي لذا اقل جودة من التغطية الجلفانية. و يغطى بهذه الطريقة صناعيا الصلب- بالزنك و الكادميوم و سبائكهما.
التغطية بطريقة ضغط طبقة واقية: و تتلخص في إيجاد طبقة على المعدن من معدن آخر يكون غلافا متينا واقيا. و عادة يغطى الحديد بالنحاس الغير قابل للصدأ.

هـ -الوقاية بالتغطية غير المعدنية :
أي بطلاء سطح الجزء المعدني بالطلاء أو الدهانات البلاستيكية أو العضوية و تستعمل على نطاق واسع نظرا لكونها في متناول اليد و لبساطتها. و أكثر أنواع الطلاء انتشارا طلاء الزيت و الميناء والكلاكيه. و عيوب التغطية بالطلاء هو تشقق طبقة الطلاء و تمريرها للرطوبة.
و – الوقاية الكهربائية :
و تستعمل في نطاق واسع لحماية الخزانات و الأنابيب (أنابيب النفط أو الغاز) و الجسور الحديدية و أيضا عن أنواع الفولاذ عن معاملتها حراريا في حمامات ملحية.
و تتلخص الوقاية الكهربائية في أن الجزء الذي تراد وقايته يوصل إلى القطب السالب – مهبط – بشبكه بتيار مستمر يغذى من مولد أو بطارية و توصل بالمصعد صفيحة حديدة أو قطع رصاص تستهلك من وقت لآخر.

ز – الوقاية بالمعدن الواقي :
و تتلخص في أن المنشأة توصل بقطعة من المعدن أو السبيكة (الواقي) ذى جهد كهربائي سالب أعلى في الوسط الذي توجد به من جهد المنشأة المراد و قايتها. الواقي سيصبح مصعد و أنه يتآكل في حين تحفظ المنشأة التي ستصبح مهبطا من التآكل. و تستعمل هذه الطريقة في حماية السفن و المنشآت التي تعمل في ماء البحر و مواسير الماء الموضوع في التربة و الجزء السفلي من السفن و الطائرات المائية و الطلمبات و غيرها.

ترتفع معدلات صدأ الحديد الكيميائي في الماء او الجو الرطب و يطلق عليها اسم التأكسد لأن الناتج هو أكسيد الحديد . هناك تفاعلات أخرى لكل المعادن فكل معدن يكون أكسيد لكن خصائص هذه الطبقة تختلف من معدن إلى آخر فمثلا طبقة أكسيد الألمنيوم تحمي الألمنيوم من الصدأ المتواصل.

أما بالنسبة للنوع الثاني من الصدأ (الكهروكيميائي) فمعادلاته تماما مثل معادلات التأكسد و الاختزال في الخلية الجلفانية.

Fe (s) —>Fe+2 + 2 e

-½ O2 (g) + H2O (l) + 2 e- —> 2 OH

(Fe+2 + ½ O2 (g) + H2O (l) —–> Fe (OH)2 (s

Fe (OH)2 (s) + ½ O2 (g) —–> Fe2O3 (s) + 2H2O

الخــــــاتمة :-

لا يمكن للبشرية أن تستغني عن المعادن رغم أنها لا تدوم طويلا وقد تسبب العديد من الأضرار الصحية والإنشائية وغيرها الكثير ، مما دعا العلماء إلى التوصل إلى هذه الطرق للحماية من تآكل المعادن والتقليل من خطر تآكلها وتفاديه …

التوصيــات :-
1- يجب صيانة الصناعات المعدنية صيانة دورية .
2- يجب التأكد من أن المعدن الذي تصنع منه أدوات الطبخ محمي جيدا ضد التأكسد
المــراجع :-
1- مكتبة الأسرة في الكيمياء ((الجزء الأول(( تأليف ((عاطف منصور )) عام 1993 / الباب الثامن
2- الكيمياء التحليلية ((عادل احمد الجرار ))