التركيب الداخلي والفراغ الشبكي لبلورات المعادن

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الثاني

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

بلورات المعادن المعادن التركيب الداخلي لبلورات المعادن الفراغ الشبكي لبورات المعادن علوم الأرض والجيولوجيا

التركيب الداخلي للبلورات

من المعروف أن المعادن في الطبيعة توجد على هيئة نظم بلورية مميزة. وهذا يعني أن هناك نوعاً من الانتظام الكامل في ترتيب الأيونات أو الذرات أو الجزيئات المكونة لمادة المعدن المتبلور.

ومن الملاحظ أن بلورات أي معدن قد توجد على هيئة أشكال بلورية مختلفة شريطة أن يكون لها نفس النظام البلوري ويتوقف ذلك على الظروف الفيزيوكيميائية التي يتم فيها التبلور.

ولكن في جميع الظروف نجد أن الزاوية البين وجهية (Interfa-cail angle) تكون ثابتة لبلورات المعدن الواحد، ولقد وجد أن خاصية التماثل (Symmetry) هي أهم صفة تتميز بها بلورة المعدن.

 

وعموماً فإن النظام البلوري لأي معدن يتحدد بنوعية العناصر الداخلة في تركيب هذا المعدن حيث أن ذرات أو أيونات هذه العناصر توزع وترتب في الفراغ الشبكي للبلورة بنظام هندسي تتحكم فيه عادة صفات هذه العناصر والتي أهمها عدد التناسق لكل عنصر، ونوع الرابطة المتواجدة بين أيونات تلك العناصر.

ولذلك يجب الإشارة إلى مفهوم عدد التناسق وكذلك الأنواع المختلفة للروابط حتى يمكن متابعة كيفية توزيع وتنسيق وربط الذرات أو الأيونات داخل الفراغ الشبكي البلوري.

 

ومن الملاحظ أن هناك نوعين من بلورات المعادن أحدهما تحوي نوعاً واحداً فقط من الروابط ويعرف هذا النوع باسم متجانسة الروابط (Homodesmic minerals) ومن أمثلتها بلورات معادن الكوارتز والماس.

وأما النوع الثاني من بلورات المعادن فهو يحوي أكثر من نوع من الروابط ويعرف باسم غير متجانسة الروابط (Heterodesmic minerals) ومن أمثلتها معادن المايكا والجرافيت والفورشتيريت.

وفي الواقع أن نوع الرابطة وقوتها وطولها يتحكمان كثيراً في بعض الخواص الفيزيائية لبلورات المعادن المختلفة الموجودة في الطبيعة.

 

 الفراغ الشبكي

إن تكوين الفراغ الشبكي في البلورة يرجع أساساً إلى طريقة ترتيب الذرات أو الأيونات بانتظام في التركيب البلوري.

ولتوضيح ذلك يمكننا التحدث عن تركيب بلورة معدن الهاليت (NaCl) حيث نلاحظ أن أيونات الصوديوم Na⁺ والكلور Cl^– ترتب بنظام محدد داخل البلورة.

أي أنه إذا اعتبرنا كل أيون صوديوم ممثل بنقطة في البلورة فإن الناتج يكون مجموعة نقاط موزعة في ثلاثة أبعاد بانتظام معين وهذا هو ما يعرف بالفراغ الشبكي لأيونات الصوديوم في بلورة معدن الهاليت.

 

وكذلك فإن هناك فراغاً شبكياً لوحدات أيونات الكلور وبالتالي فإن الفراغ الشبكي لبلورة معدن الهاليت يتكون نتيجة تداخل واختراق شبكتي الصوديوم والكلور معاً ولذلك فإن تماثل النظام الشبكي المتحد للصوديوم والكلور.

يحدد التماثل الكلي لبلورة معدن الهاليت (شكل 1) وقد يكون الفراغ الشبكي لكل من العناصر المتواجدة في بلورة المعدن متشابهاً، مثل الفراغ الشبكي لعنصري الصوديوم والكلور في بلورة معدن الهاليت، وقد يختلفان كما هو في مركب فلوريد الكالسيوم (شكل 2) .

والخلاصة أن النظام الشبكي للبلورة يمكن اعتباره بناء لعديد من الوحدات بحيث أن كل وحدة تتميّز بثلاثة أبعاد وهذه الوحدة هي ما يعرف بالوحدة البنائية (Unit cell) ويحدد المظهر الخارجي لأي بلورة بواسطة شطل وأبعاد الوحدة البنائية.

 

ولقد اتّضح أن هناك 14 نوعاً من الوحدات البنائية تمثل الأنواع المختلفة للفراغ الشبكي في البلورات وتعرف باسم الفراغ الشبكي لبرافياس أي أنه هناك 14 طريقة لترتيب أيونات أو ذرات العناصر بانتظام بحيث تكون مرتبة في أبعاد ثلاثة لتكوين بلورات المعادن المختلفة.

ولتوضيح ذلك نجد أن بلورة أي معدن تتكون وتنمو نتيجة تكرار هذه الوحدات البنائية في أبعاد ثلاثة وسوف نوضح توزيع الأربعة عشر إحتمالاً على الفصائل السبع البلورية الأساسية كالآتي (شكل3).

وأبسط الوحدات البنائية في كل فصيلة هي الوحدة البدائية (Primative cell) حيث نجد أن لها 8 نقاط موزعة على ثمانية أركان فقط.

ويمكن اعتبار كل نقطة كأنها مركز ثقل الأيون أو الذرة وبحيث أن أقصـى احتمال ممكن أن تشارك فيه النقطة الواحدة هو 8 وحدات بنائية مجاورة.

 

فلذلك نجد أن نصيب  الوحد البنائية الواحدة في كل نقطة هو النقطة أي أن الثماني النقاط الموجودة في الثماني أركان للوحدة البنائية الواحدة تكون قيمتها الحقيقية نقطة واحدة في حالة مشاركة هذه الوحدة مع 7 وحدات أخرى

وهناك ثلاثة وحدات بنائية أخرى أساسية أحدهما هي ممركزة الأوجه (Face centered cell).

وفي هذه الحالة نجد أن هناك نقطة في مركز كل وجه بالإضافة إلى 8 نقاط الموجودة في الثمان أركان، والثانية هي ممركزة الوجهين المتقابلين (Base centered)

 

وفي هذه الوحدة نجد أن هناك نقطة في مركز وجه ونقطة أخرى في مركز الوجه المقابل له هذا بالإضافة إلى الثمان نقاط في الأركان الثمانية والنوع الثالث هو الممركزة في الداخل (Body centered) وفي هذه الوحدة نجد نقطة واحدة في مركز الوحدة البنائية هذا بالإضافة إلى الثمان نقاط في الأركان الثمانية.

ومن الملاحظ أن أطوال حدود كل وحدة بنائية وكذلك الزوايا بين هذه الأطوال تحدد على أساس نوع الفصيلة التي تتبلور فيها هذه الوحدة. 

والمقصود بالأطوال هناك هي المسافة بين كل نقطتين في الأبعاد الثلاثة وهذه الأبعاد الثلاثة هي ما تعرف بالمحور البلوري (أ) والمحور البلوري (ب) والمحور البلوري (ج) وهذه المحاور الثلاثة تلتقي في نقطة في مركز الوحدة البنائية وهي التي تعرف فيما بعد بالمركز البلوري.

 

والمحور (أ) يتجه من الإمام إلى الخلف ويعتبر طرفه الأمامي موجب الإشارة (+) وطرفه الخلفي سالب الإشارة (-) أما المحور (ب) فهو يمتد من اليمين إلى اليسار. ويعتبر طرفة الأيمن (+) موجباً وطرفة الأيسر (-) سالباً.

وكذلك المحور (ج) فهو يمتد رأسياً من أعلى إلى أسفل ويعتبر طرفة العلوي موجباً (+) وطرفة السفلي (-) سالباً.

وبالطبع فإن هذه المحاور الثلاثة الوهمية للوحدة البنائية تزداد في أطوارها بزيادة عدد الوحدات البنائية أي بزيادة نمو البلورة شريطة أن تظل النسبة بين أطوالها ثابتة في بلورة المعدن الواحد.

 

وزيادة هذه الأطوال أي نمو البلورة متوقف على طبيعة الوسط الذي تنمو فيه هذه البلورة بمعنى أن تكون الأيونات أو الذرات المكونة لهذه البلورة موجودة بوفرة وهناك عوامل أخرى كثيرة مثل درجة حرارة الوسط والضغط والاس الهيدروجيني.

أما الزوايا هذه الأطوال (المحاور البلورية) فالمقصور بها الزوايا ألفا  وبيتا  وجاما   

وهذه الزوايا تعرف بالزوايا المحورية الفزاوية ألفا  هي الزاوية بين المحور البلوري ب، ج والزاوية بيتا  هي الزاوية بين المحوري البلوري أ، ج والزاوية جاما  هي الزاوية بين المحور البلوري أ، ب.

وتظل هذه الزوايا ثابتة ابتداء من الوحدة البنائية الأولى حتى إكتمال نمو بلورة المعدن الواحد.

 

ومن الجدير بالذكر أن النسبة بين الأطوال الثلاثة وكذلك قيم الزوايا المحورية بينهم تتوقف أساساً على طبيعة أيونات أو ذرات العناصر الداخلة في تركيب بلورة المعدن، والمقصود هنا بطبيعة الأيونات أو الذرات هو أنصاف أقطارها ونوع الرابطة التي تكونها وقوة الرابطة المتكونة بينهما.

وعلى ذلك نجد أنه منذ اكتمال الوحدة البنائية الأولى تحدد فصيلة بلورة المعدن المتكون كما يحدد أيضاً الشكل البلوري لهذا المعدن والمقصود بالشكل البلوري هو عدد الأوجه المكونة لكل بلورة والوجه البلوري يتكون عادة من خلال المستويات الشبكية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]