نبذة تعريفية عن “المعادن العنصرية الفلزية” والمجموعات التي تنضم لها

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الخامس

ترجمة أ.د عبد الله الغنيم واخرون

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

المعادن العنصرية الفلزية مجموعات المعادن العنصرية الفلزية علوم الأرض والجيولوجيا

هي خامات معدنية توجد في الطبيعة على صورة عناصر منفردة فلزية غالباً ما تكون نقية غير مرتبطة بعناصر أخرى حيث يمكن فصلها واستخدامها مباشرة بدون معالجة كيميائية. وتوجد في هذه الحالة في صخور القشرة الأرضية.

وتوجد أهم هذه المعادن العنصرية الفلزية ضمن ثلاث مجموعات:

 

1- مجموعة الذهب

وتضم عناصر الذهب والفضة والنحاس والرصاص، وهذه المجموعة متماثلة في التركيب الذري وتنتمي جميعها إلى المجموعة الفراغية (Fm3m).

 

2- مجموعة البلاتين

وتشكل كل من عناصر البلاتين والباليديوم والايريديوم، وجميعها متماثلة من حيث التركيب الذري حيث تنتمي جميعها إلى المجموعة الفراغية (Fm3m).

 

3- مجموعة الحديد

حيث تضم كلا من عنصري النيكل والحديد بصورة نقية، أو بصورة سبيكة من النيكل والحديد، حيث تحتوي نسبة متفاوتة من هذين العنصرين.

وتنتمي غالباً إلى المجموعة الفراغية (Im3m) وفي بعض الأحيان المجموعة الفراغية (Fm3m) حسب نسبة النيكل في السبيكة المكونة من عنصري الحديد والنيكل.

 

– مجموعة الذهب:

إن المعادن العنصرية الطبيعية لمجموعة الذهب هي نفس العناصر المكونة للمجموعة (IB) في الجدول الدوري، وهي النحاس والفضة والذهب، لذا فإن خواصها الكيميائية متشابهة إلى حد ما، وجميعها توجد في الطبيعة في الحالة العنصرية.

وتعطي تركيباً ذرياً واحداً حيث أن الذرات مترابطة بواسطة الرابطة الفلزية الضعيفة لذا فإن هذه المعادن لينة، قابلة للطرق والسحب والقطع والتشكيل.

وهي مواد عالية التوصيل للحرارة والكهرباء وتعطي بريقاً معدنياً وتشققات واضحة كذلك فإن درجة انصهارها نسبياً منخفضة إذا ما قورنت بالعناصر المعدنية الأخرى، وجميع عناصر هذه المجموعة تتبلور في هيئة بلورية ذات سمات تماثل عالية ووزنها النوعي عال.

 

أ- الذهب:

يوجد هذا العنصر في الطبيعة كمعدن حيث يتبلور في فصيلة المكعب وتماثله وعند اكتمال نمو بلوراته يظهر نظام ثماني الأوجه المكعب في أغلب الأحيان.

ومن الممكن أن يوجد على هيئة بلورات شجيرية الشكل، ومن المعتاد أن يوجد على هيئة صفحية غير منتظمة أو على شكل قشور أو كتل عديمة الشكل(شكل 1).

الوزن النوعي للذهب النقي 19.03 وصلادته 2.5 – 3، وعند وجود عناصر أخرى مثل الفضة في المحلول الصلب فإن ذلك يؤدي إلى نقص في الوزن النوعي.

 

إن التركيب الذري للذهب يتكون من ذرات الذهب المتراصة في طريقة مكعبية ومتقاربة ومن الجدير بالذكر أنه يوجد محلول صلب متجانس بين عنصري الذهب والفضة لتساوي الأقطار الذرية لكل منهما (1.44 انجستروم).

لذا فإن معظم خامات الذهب الموجودة في الطبيعة تحوي نسباً متفاوتة من الفضة، فمثلاً يحوي ذهب كاليفورنيا نسباً من الفضة تتراوح من 10 إلى 15% وكذلك توجد نسبة قليلة من الفضة في المحاليل الصلبة.

إن درجة نقاوة الذهب يعبر عنها دائماً بالعيار وهي ترمز إلى نسبة وجود الشوائب (العناصر الأخرى) في كل 1000 جزء من ناحية الوزن، فمثلاً لو احتوى الذهب 10% من العناصر الأخرى، فعندئذٍ تكون درجة نقاونه أو عياره 900.

 

ويعبر تجارياً عن عيار الذهب بنسبة وجود الذهب في 24 جزء من السبيكة. فمثلاً عيار 24 يحوي ذهباً خالصاً بينما عيار 18 يحوي 18 جزءاً من الذهب من مجموع 24.

ويبلغ معدل وجود الذهب في القشرة الأرضية في حدود 0.004 جزء من المليون، لذلك فإنه يعتبر من العناصر النادرة.

وهو ينتشر بكثرة ولكن بكميات قليلة وغالباً ما يوجد في العروق الصخرية المترسبة بكميات قابلة للإستخلاص والتعدين.

 

وفي الترسبات العرقية يوجد الكوارتز مع البيريت ومعادن الكبريتيدات الأخرى مع تركيزات مختلفة من عنصر الذهب، بينما تتكون القرارة التفتتية من الرمل والحصى وبينها توجد حبيبات ناعمة أو أكثر خشونة من شذرات الذهب.

ومثل هذه الترسبات إما أن تكون ذات أصل حديث، وفي هذه الحالة تكون سطحية ومكونة من مواد رسوبية نهرية مفككة، أو ذات أصل قديم وعندما تتكون من وحدات كونجلوميراتية صخرية.

ومن أكبر التكوينات الصخرية التي تنتج الذهب وحدات صخرية كونجلوميراتية تسمى (توترزراند) تتبع عصر ما قبل الكمبري.

 

وهي موجودة في منطقة ترانزفال في جنوب أفريقيا، وتوجد كذلك تكوينات صخرية كونجلوميراتية مشابهة لها في ولاية أورانج فري في جنوب أفريقيا. وتعتبر جمهورية جنوب أفريقيا من أكبر الدول إنتاجاً للذهب، حيث تنتج ما يقرب من ثلثي إنتاج العالم من الذهب.

ومن المعتقد أن الاتحاد السوفيتي يلي جمهورية جنوب أفريقيا في الترتيب من حيث كمية الإنتاج وأهم الولايات المنتجة للذهب في الولايات المتحدة جنوب داكوتا، نيفادا، يوتا، أريزونا، كولورادو، ومنتانا.

ويستخدم الذهب كدليل لمراقبة العملات النقدية، وفي الحلي والمجوهرات والأجهزة العلمية. وتلبيس الأدوات القيمة والأسنان وغالباً ما تستخدم قطع العملات والسبائك الذهبية للاستثمار.

 

ب- الفضة:

يتبلور عنصر الفضة في فصيلة المكعب وتماثله وليس من الشائع ملاحظة البلورات المتكاملة، لأنها عادة توجد في هيئة ناقصة أو متشعبة أو مجموعات بلورية متشابكة.

وغالباً ما يوجد عنصر الفضة في هيئة كتل عديمة الشكل أو كتل صفائحية، أو على شكل أسلاك رفيعة أو سميكة تتراوح صلادة معدن الفضة بين 2.5-3 ووزنه النوعي في الحالة النقية 10.5 وعند وجود الشوائب في محلوله الصلب الذهب والزئبق والنحاس يتراوح الوزن النوعي بين 10-12.

وتشبه الفضة الذهب، فهي قابلة للطرق والسحب والتشكيل وتعطي بريقاً معدنياً ولوناً أبيض فضياً، وغالباً ما ينطفئ هذا اللون إلى اللون البني أو الأسود الرمادي.

 

ويحوي معدن الفضة عند وجوده في الطبيعة كميات متفاوتة من الذهب والزئبق، وفي بعض الأحيان كميات قليلة من الزرنيخ والانتيمون والبلاتين والنحاس حيث تكون هذه العناصر موجودة في محلوله الصلب.

ينتمي التركيب الذري البلوري لعنصر الفضة إلى المجموعة الفراغية (Fm3m) وهذا يعتمد على بنية النظام المكعبي لذرات الفضة المتراصة بصورة متقاربة لذا فإنه متساو من حيث التركيب الذري البنيوي مع الذهب.

 

يوجد معدن الفضة بكميات قليلة خاصة في مناطق الأكسدة الحاوية للترسبات المعدنية، إلا أن أكبر الترسبات المعدنية المعروفة للفضة نتجت عن المحاليل المائية الحارة، وتلك الترسبات تقسم إلى ثلاثة أنواع:

1- الترسبات الحاوية لمعادن وخامات الفضة والكبريتيدات والزيولايت، والكالسيت، والباريت، والفلوريت والكوارتز. مثال ذلك ترسبات كونجربيرج.

2- الترسبات الحاوية للزرنيخيدات والكبريتيدات لعناصر النيكل والكوبالت ومعادن الفضة الأخرى إضافة إلى الكالسيت والباريت. ومثال على ذلك ترسبات مناجم الفضة في منطقة كوبالت في أونتاريو.

3- الترسبات الحاوية ليورانات النيكل والكوبالت، مثل تلك الموجودة في مناجم خوخيمشال في منطقة بوهيما وبحيرات بير العظمى في الشمال الغربي لكندا.

 

إن الغالبية العظمى للفضة المستخرجة تأتي من خامات كبريتيدات وأملاح الكبريت الفضية، وأهم الدول المنتجة للفضة كندا، بيرو، المكسيك والولايات المتحدة.

تستخدم الفضة في أفلام التصوير وفي طلاء الأواني والأدوات والقطع الكهربائية والالكترونية، ويتم إحلال جزء من الفضة في عناصر النيكل والنحاس في هذه الصناعات. وتستخدم الفضة كذلك كمادة نادرة ثمينة في الأسواق المالية مثل الذهب.

 

ج- النحاس:

يوجد العنصر في الحالة المفردة كمعدن في الطبيعة حيث يتبلور في فصيلة المكعب.

ويوجد النحاس عادة في حالة تبلور غير متكاملة في هيئة متشعبة ومتشابكة على شكل كتل غير محددة الشكل أو هيئة صفحية أو على هيئة أسلاك ملتوية.

تبلغ صلادة خام النحاس العنصري 2.5 – 3 ووزنه النوعي 8.9، وهو قابل للطرق والسحب والشكيل، وله بريق معدني ولون أحمر نحاسي على السطح حديث القطع وينطفئ لون النحاس إلى لون أغمق وعندها يصبح البريق مطفأ نسبياً.

 

يوجد عنصر النحاس في الطبيعة مع قليل من الشوائب لعناصر الفضة، الزرنيخ، البيزموث، الانتيمون، والزئبق، حيث تدخل هذه العناصر في تكوين محلوله الصلب.

وتعتبر صخرو اللافا البازلتية أهم الصخور التي تحوي النحاس ولكنه كذلك يوجد بكثرة في مناطق أكسدة ترسبات كبريتيدات النحاص.

وأكبر ترسبات النحاس المعروفة في العالم تلك الموجودة في منطقة بحيرة سوبيريور على شكل شبه جزيرة كويناو، حيث أن صخور هذه المنطقة تتكون من طبقات متتابعة من اللافا القاعدية والحجر الرملي والكونجلوميرات.

 

حيث يوجد النحاس إما على شكل مادة تحشو الفجوات الصخرية، أو مادة مترسبة بين الحبيبات والحصى في الصخور الرسوبية، وأحياناً تحل مكان هذه الحبيبات الرسوبية.

إن المصدر الأول لخام النحاس هو كبريتيد النحاس أما الخام العنصري الفلزي فهو مصدر ثانوي. يستخدم النحاس في صناعة الأسلاك والأدوات الكهربائية بسبب توصيله العالي للحرارة، ويستخدم كذلك في صناعة سبائك النحاس الأصفر والبرونز.

 

– مجموعة البلاتين:

إن عنصر البلاتين هو أكثر عناصر هذه المجموعة شيوعاً في الطبيعة، مع أن هذا العنصر نادر الوجود في القشرة الأرضية حيث يبلغ معدل تركيزه في حدود 0.01 جزء في المليون.

وأهم الخامات العنصرية لهذه المجموعة هي البلاتين، الباليديوم، البلاتينيريديوم والايرودوزماين.

 

أ- البلاتين: يتكون هذا المعدن أساساً من عنصر البلاتين ويتبلور في فصيلة المكعب وهو نادراً ما يوجد في هيئة بلورية كاملة، ولكنه يوجد غالباً على هيئة حبيبات وقشور وكتل غير منتظمة أو شذرات.

تبلغ صلادته 4.5 ووزنه النوعي في الحالة النقية 21.45 و 19.14 في الحالة الطبيعية عندما يوجد مع عناصر أخرى في المحلول الصلب.

إن هذا العنصر لين وقابل للطرق والسحب والتشكيل، وله لون فولاذي أشيب وبريق لامع.

 

ومعظم خامات البلاتين تحوي نسباً قليلة من عناصر الحديد، اريديوم، اوزميوم، روديوم، النحاس، الذهب والنيكل في محاليل صلبة.

تعتمد البنية الذرية في ترتيبها على نظام المكعب، حيث أن ذرات البلاتين تترتب في تراص شديد التقارب.

 

وينتمي إلى المجموعة الفراغية (Fm3m). يوجد البلاتين في معظم الحالات في الحالة العنصرية في الصخور النارية فوق القاعدية مثل صخور البيرودوتيت والبيروكسينيت والدونيت، ويوجد أحياناً في صخور القرارة التفتتية، والتي غالباً ما تكون قريبة من الصخور النارية الحاملة للبلاتين.

أكبر الدول المصدرة للبلاتين هي جنوب أفريقيا ودول الاتحاد السوفيتي السابق، وكندا.

 

ويتم  انتاج البلاتين في جنوب أفريقيا من حواجز ميرينسكي في الصخور فوق القاعدية في مجموعة بشفيلد، وينتج كذلك كخام ثانوي في مناجم الذهب من صخور ويتوترز راند الكونجلوميراتية، بينما يتم إنتاج البلاتين في كندا من معدن ارزينيد البلاتين سبيريلايت (PtAS₂)، الذي يوجد في خام النحاص والنيكل في منطقة صديري أونتاريو.

ونظراً لخواص البلاتين المميزة حيث أن درجة انصهاره عالية إذ تبلغ 1755°س ومقاوم للتفاعلات الكيماوية، وصلادته عالية لذا فإنه يستخدم في الصناعات الكيميائية والكهربائية والمولدات ذاتية الحركة، وصناعة الأسنان والمجوهرات والمعدات والآلات الجراحية.

 

– مجموعة الحديد:

تشتمل مجموعة الحديد على عنصر الحديد () ونوعان من محلول النيكل – الحديد الصلب وهما كاماسايت وتينايت.

ويوجد عنصر الحديد في الطبيعة بصورة عشوائية أما معدنا كاماسايت وتينايت فلا يوجدان إلا في أحجار النيازك.

وتتبلور الأنواع الثلاثة من خامات الحديد العنصرية في فصيلة المكعب حيث ينتمي الحديد العنصري () والكاماسيت إلى المجموعة الفراغية (Im3m) والتينايت إلى مجموعة (Fm3m).

 

يتراوح التركيب الكيميائي للكاماسايت بين عنصر الحديد النقي إلى الحديد الذي يحوي بحد أقصى 5.5% نيكل، بينما التركيب الكيماوي للتينايت يتراوح بين الحديد الذي يحوي 27% نيكل إلى الحديد الذي يحوي 65% نيكل في المحلول الصلب.

ويتبلور الحديد في فصيلة المكعب وتماثلة  ) وبلوراته نادرة ويتواجد غالباً على هيئة كتل متماسكة غير محددة الشكل وتبلغ صلادته على مقياس موهس 4، ويتراوح وزنه النوعي بين 7.3 – 7.9 وغالباً ما يحوي عنصر الحديد بعض النيكل وكميات قليلة من الكوبالت والنحاس، والمنجنيز.

ويعتمد التركيب الذري للحديد ( ) ومعدن الكاماسايت على ترتيب الذرات المكعبيب حسب مجموعة (Im3m)، بينما معدن تينايت يتبع في ترتيبه الذري نظام آخر يقع في مجموعة (Fm3m)، أن تواجد الحديد النقي في الطبيعة نادراً جداً غير أن معدني كاماسايت وتينايت شائعان في النيازك.

 

وأهم مصدر على الأرض لمعدن الحديد النقي هو جزيرة ديسكو في جريتلانو حيث يوجد الحديد بين الصخور البازلتية.

بينما نجد الحديد في صخور النيازك في صورة نمو متشابك ومنظم من معدني كاماسايات وتينايت بحيث يعطي نمطا مميزا يعرف بنمط ودمانستيتين، أما في النيازك الحجرية فنجد أن الحديد (كاماسايت تينايت) يتواجد مع المواد السيلكاتية وترويلايت.

ومن الجدير بالذكر أن معظم انتاج العالم للحديث يأتي من مصدر أكسيد وهيدرو أكاسيد الحديد مثل هيماتيت ماجنيتيت، وجيوثيت.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]