تتحكم الخصائص المختلفة لمعادن الطين في الأهمية الاقتصادية للمواد الطينية.
– الاستبدال الأيوني:
من أهم خصائص معادن الطين، قابلية المعدن للإبقاء على كاتيونات وانيونات معينة، والتي يمكن أن تستبدل بها بسهولة كاتيونات وأنيونات أخرى.
الكاتيونات الاستبدالية الشائعة في المواد الطينية مثل (H+, Mg2+, Ca2+, Na, K+) والأنينونات مثل (NO3-, PO43-, Cl–, SO42-) وترجع القدرة الاستبدالية لمعادن الطين إلى سببين.
السبب الأول هو وجود روابط مكسورة حول حواف وحدات السيليكا والألومنيا، مما يؤدي إلى وجود شحنات غير مكتملة يتم اتزانها بادمصاص كاتيونات.
والسبب الآخر هو توافق تركيب بعض الأنيونات مع الوحدات الرباعية الأوجه لأيونات الهيدروكسيل، مما يسمح للأنيونات بالإدمصاص أو بالإحلال لأيونات الهيدروكسيل.
وتعتبر خاصية الاستبدال الأيوني والتفاعلات الاستبدالية ذات أهمية قصوى في كل المجالات التي تستخدم فيها المواد الطينية.
ومثال ذلك الإبقاء على البوتاس المضاف في المخصبات في التربة، وذلك بالإعتماد على الاستبدال الأيوني بين أملاح البوتاسيوم ومعدن الطين في التربة.
– نظام طين – ماء:
الخاصية الهامة الأخرى للمواد الطينية هي القابلية للإمساك بالماء. والماء من نوعين، النوع الأول هو الماء ذو درجة الحرارة المنخفضة، والآخر ممثل بالهيدروكسيل التركيبي.
وعند تسخين معادن الطين عند درجة حرارة تتراوح بين 100 و 150°س يتم طرد الماء ذي درجة الحرارة المنخفضة، وهو الماء المحبوس في الفراغات أو على السطح أو حول حواف المعادن المكونة للمادة.
علاوة على ذلك فهو الماء الذي يوجد بين طبقات الوحدات البنائية للمعادن، مثل المونتموريلونيت والماء الذي يحتل الفتحات الأنبوبية بين وحدات التركيب المستطيلة من معادن السيبيوليت والأتابولجيت والباليجورسكيت.
وتشير الأدلة على ادمصاص جزئيات الماء في البداية على أسطح المواد الطينية، ولا يوجد حتى الآن اتفاق على تركيب كيفية إدمصاص الماء والذي تحدد طبيعته والعوامل التي تتحكم فيه، خواص مثل اللدونة وقوى الترابط والتضام أو الدموج (compaction)، وخواص أخرى للمواد الطينية التي بالتالي تتحكم في الاستخدام الاقتصادي للمواد الطينية.
– فقد الماء:
يحدث فقد للماء من المواد الطينية عند تسخينها. تفقد المواد الطينية الماء المدمص بين الطبقات، أو ماء الهيدروكسيل داخل التركيب الذري لمعادن الطين.
يصاحب فقد الماء من المعادن تغير في التركيب، وعند درجات حرارة عالية نسبية تؤدي التغيرات التركيبية إلأى تكون معادن جديدة.
والتعديلات التركيبية ذات أهمية خاصة عندما تحرق المواد الطينية أثناء تصنيع مواد الخزف والصيني والطابوق.
– تفاعل معادن الطين مع المواد العضوية:
من الخواص الأخرى لمعادن الطين القابلية للتفاعل مع المواد العضوية.
ويستخدم الطين ذو القابلية القوي للادمصاص في إزالة لون الزيوت، بينما يستخدم البعض الآخر كعامل مساعد في عملية التكسير (التقطير الهدام) للمواد العضوية.
تعتمد بعض طرق تحليل المواد الطينية على تفاعل معادن الطين مع المواد العضوية.
وعلى سبيل المثال فإنه من السهولة التعرف على معدن المونتموريلونيت، بواسطة الأشعة السينية بعد معالجته بالجليسرول أو الايثيلين جليكول، الذي يستبدل الماء في مواقعه بين الطبقات محدثاً تممداً محسوساً في الشبكة الفراغية للمعدن في اتجاه المحور (جـ)، وتستخدم بعض المواد العضوية للتعرف على معادن الطين وذلك باكتساب صبغة ذات لون مميز.
الخواص البصرية:
يصعب تحديد الخواص البصرية لمعادن الطين نظراً لصغر حجم حبيباتها بحيث لا يمكن دراستها تحت المجهر بسهولة، علاوة على الاختلاف في معادن الطين نفسها.
ويحدث الإحلال في التركيب الذري للمعادن، والاختلاف في كمية الماء بين الطبقي تغيير في الخواص البصرية.
تتكون التراكيب الذرية لمعادن الطين من تضامن وحدتي تركيب أساسيتين.
تتكون إحدى هذه الوحدات من مجموعات سيليكا رباعية الأوجه، بحيث يكون السيلكون على مسافة متساوية من أربع ذرات أكسجين أو ايونات هيدروكسيل مرتبة في شكل رباعي الأوجه والسيليكون في مركز الشكل.
وتترتب مجموعات السيليكا رباعية الأوجه لتكون شبه فراغية سداسية، تتكرر في اتجاهين مكونة شريحة لها تركيب Si4O6 (OH)4. وتشير أطراف الأشكال رباعية الأوجه في اتجاه موحد بينما تترتب قواعد الأشكال في نفس المستوى.
ويمكن النظر للتركيب المجمع لهذه الوحدة على أنه مستوى قاعدي من ذرات الأكسجين، ومستوى من ذرات السيليكون، تكون شبكة فراغية سداسية ومستوى من ذرات الهيدروكسيل.
بحيث يوجد كل هيدروكسيل على قمة الشكل الرباعي الأوجه مباشرة فوق ذرات السيليكون. ويصل سمك وحدة ترابط الأشكال الرباعية هذه 4.93 انجستروم في تراكيب معادن الطين.
وفي وحدة التركيب الأخرى توجد شريحتان من ذرات الأكسجين المرتب ترتيباً متقارباً أو من أيونات الهيدروكسيل به ذرات الألومنيوم، حديد أو مغنيسيوم مترابط في شلك ثماني الأوجه.
وفي وجود الألومنيوم، يمتلئ ثلثا المواقع المحتملة بالذرات لتوازن التركيب، وهذا هو تركيب الجبسيت الثماني الأوجه الثنائي والصيغة Al2(OH)6.
وعندما تمتليء كل المواقع في التركيب بوجود المغنسيوم مثلاً، فإنه ينتج عن ذلك تكون تركيب البروسيت الثماني الأوجه الثلاثي Mg3(OH)6. ويصل سمك هذه الشريحة 5.05 انجستروم في تراكيب معادن الطين.
الشكل:
يرتبط الشكل القشري لمعادن الطين بطبيعة الشكل الصفائحي لوحدات البناء.
بعض هذه القشور لها حدود سداسية الشكل، وقد يكون شكل البعض من معادن الطين أنبوبياً أو مستطيلاً أو كلاهما معاً.
وبعض معادن الطين قد يكون إبري الشكل، ويتكون من وحدات تركيبية مختلفة عما ذكر سلفاً. وتتميز معادن السيبيوليت والباليجورسكيت والاتابولجيت بأن لها خصائص تركيبية تتشابه مع الامفيبولات. تتكون وحدة التركيب النبائي الأساسية من سيليكا رباعية الأوجه مرتبة في سلسلة مزدوجة لها التركيب (Si4O11).
وتترابط السلاسل بعضها ببعض بذرات ألومنيوم أو مغنسيوم أو كلتاهما. ويستمر هذا التركيب في اتجاه واحد فقط ويمتد إلى عرض 11.5 انجستروم فقط.
أصبح التحديد الدقيق لشكل وحجم حبيبات معادن الطين العديدة ممكناً الآن بواسطة الميكروسكوب الاليكتروني، الذي يتم بوساطة تكبير الحبيبات مباشرة إلى أكثر من 15 ألف مرة وأكثر من ذلك عند طبع الصور.
خلال الدراسات الأولى لمعادن الطين ارتبط اسم الالوفين (Allopane) مع المكونات غير المتبلورة للطين.
وقد اثبتت الدراسات بالأشعة السينية أن بعض الألوفين متبلور بالرغم من أن معظمه غير متبلور. ولذلك فقد اقترح بأن تسمى مواد معادن الطين غير المتبلورة باسم الألوفين بغض النظر عن التركيب.
مجموعة الكاولينيت:
مجموعة معروفة جيداً ممثلة بثلاث نوعيات من المعادن المميزة، وهي الكاولينيت والناكريت والديكيت.
وكان يعتبر الأنوكسيت (Anauxite) مشابهاً للكاولينيت، ولكن به نسبة جزيئية عالية من السيليكا/ الومنيا.
وكان الاعتقاد السائد أن الأنوكسيت يتكون من تركيب صفائحي ذي طبقتين، ولكن أظهر الدراسة بالأشعة السينية أنه عبارة عن خليط من الكاولين والكوارتز (انظر: كاولينيت).
مجموعة الهالويسيت:
تتشابه معادن هذه المجموعة كيميائياً مع الكولينيت، ولكن لها تركيب ذري مختلف. معدن الهالويسيت يوجد على صورتين: إحداهما لها نفس التركيب الكيميائي مثل الكاولينيت.
والأخرى تحتوي على نسبة ماء أكثر في التركيب حيث يوجد (4H2O) بدلاً من (2H2O).
ولا توجد حتى الآن تسمية مناسبة لمعادن الهالويسيت ويسمى النوع الغني بالماء انديليت (Endelite) أو هالويسيت، بينما النوع الذي يحتوي على نسبة أقل من الماء يسمى ميتاهالويسيت أو هالويسيت كذلك.
وعادة ما يطلق اسم هالويسيت على كل عينات المعدن الموجودة في الطبيعة بدون النظر إلى نسبة الماء بها. وعندما يراد وصف حالة الماء في المعدن تضاف توصيفات أخرى بها.
مجموعة المونتموريليونيت:
تتميز هذه المجوعة بخاصية التمدد، حيث يتم امتصاص نسب متفاوتة من الماء بين وحدات طبقات التركيب الذري.
وتظهر أعضاء هذه المجموعة تغيراً ملحوظاً في نسب السيليكا إلى مجموعة (R2O3) وقد يستبدل بعنصر الألومنيوم الحديد أو المغنيسيوم.
ويعرف المونتموريليمونيت الغني في الحديد باسم النونترونيت، والنوعية الغنية في المغنيسيوم باسم الصابونيت.
فيرميكيوليت:
تتميز كذلك الفيرميكيوليت بخاصية التمدد، ولكن يختلف عن المونتموريليونيت في أن التمدد له حد معين وأن مقاس الحبيبات أكبر.
وقد اعتقد سلفاً الفيرميكيوليت ينتمي إلى مجموعة الميكا، ولكنه يعتبر الآن من مكونات معادن الطين.
الايليت:
لا يشير هذا الاسم إلى معدن طين معين، ولكن يستخدم كمصطلح عام لمعادن الطين التي تتشابه مع الميكا – أي معادن طين من نوع الميكا – طول المحور حـ = 10 انجستروم والتركيب لا يظهر أي خواص تمدد.
يشتمل الايليت على كل من نوعيات الثماني أوجه الثلاثية، والثماني أوجه الثنائية من معادن الطين الميكائية.
مجموعة الكلوريت:
مجموعة من سليكات مائية خضراء اللون، تحتوي على الحديدوز تتميز بنظام منتظم متطبق، يتكون من طبقات منفردة من ميكا (البيوتيت) وطبقات من البروسيت.
وتشكل الكلوريت مكونات هامة للمواد الطينية، ويصعب التعرف عليه عندما يوجد مصاحباً للكاولينيت في نفس المادة الطينية.
أنواع التراكيب السلاسلية:
تتميز معادن الاتابولجيت والسيبيوليت والباليجورسكيت بأن لها تركيباً مثل السلسلة يتشابه مع معدن الهورنبلند.
وهذه المعادن غير مفهومة جيداً حتى الآن، ونظراً لعدم إمكانية التعرف عليها بسهولة بواسطة الوسائل المتاحة حالياً، فهناك شعور عام بأن لهذه المعادن انتشاراً أكثر مما يعتقد.
تجمعات تضامن طبقي مختلط:
تتكون معظم المواد الطينية من أكثر من معدن طين.
وعادة ما تتكون معادن الطين من خليط من وحدات – لا يوجد لها توجه فراغي هندسي مميز. وفي نوع مختلط آخر يوجد تطبق متداخل بين معادن الطين ذات النوعية الطبقية.
ويوجد نوعان مختلفان لتراكيب التطبق المختلط. في أحد الأنواع يوجد تكرار منتظم للطبقات المتراصة على طول المحور (جـ) والنوع الآخر من تركيب عشوائي وتطبق غير نتظم للطبقات دون تكرار موحد للطبقات.
وعادة توجد طبقات مختلطة من الاليت والمونتموريلونيت والكلوريت والفيرميكيوليت في المواد الطينية، ويمكن التعرف عليها بواسطة التحليل بحيود الأشعة السينية.
تشكل معادن الطين المكونات الرئيسية للمواد الطينية، توجد على شكل حبيبات متبلورة متناهية في الصغر.
وهذه المعادن محدودة العدد وتتكون من سيليكات الألومنيوم المائية. كما توجد القلويات والقلويات الأرضية بصفة رئيسية في بعضها.
بينما قد يستبدل بالألمنيوم المغنسيوم أو الحديد جزئياً أو كلياً في التركيب الذري في البعض الآخر. وتختلف المكونات الكيميائية في النسب وفي طريقة الترابط ووجودها في معادن طين متنوعة.
ويعود البحث عن المواد الطينية إلى العصور القديمة جداً نظراً لأهميتها في الصناعة والزراعة والجيولوجيا.
وقد وضعت مفاهيم كثيرة لتحديد المكونات الضرورية للمواد الطينية وأسباب الاختلاف البين في خصائصها.
وتهتم معظم هذه المفاهيم بالطريقة التي توجد بها المكونات الكيميائية بعضها مع بعض في الطين – أي صورة وحدات البناء الأساسية للمواد الطينية.
وقبل وجود طرق التحليل المتبعة وطرق دراسة الحبيبات المتناهية في الصغر كالطين لم يكن هناك اتفاق عام على طبيعة وحدات البناء الأساسية، وانحصرت الفكرة القديمة في أن كل المواد الطينية تتكون من كاولينيت يحتوي عادة على مواد أخرى كانت تعتبر من الشوائب.
ويفضل علماء التربة فرضية أخرى، وهي أن المكونات الضرورية عبارة عن معقدات غروية غير متبلورة، عضوية أو غير عضوية.
واعتقد بعض الباحثين بأنها عبارة عن خليط مفكك من أكاسيد السيليكون والألومنيوم والحديد، أو من خليط ملحي تابع للأحماض الحديدة الألومنيومية السيليكاتية الضعيفة.
واعتبرت فرضية أخرى أن للطين مكونين ضرورين يسمى أحدهما كلاييت (clayite)، والآخر بيلينيت (pelinite) وأن الكلاييت في الواقع عبارة عن الكاولين وأنه مادة غير متبلورة لها نفس التركيب الكيميائي مثل المعدن.
بينما يشكل البيلينيت المادة الطينية الضرورية في بعض المواد الطينية، وأنها مادة غير متبلورة تحتوي على كمية سيليكا أعلى وقلويات أرضية، أو كلتاهما بنسبة أكثر من الكلاييت.
وافترض بعض الباحثين لفترة طويلة أن الطين يتكون من حبيبات دقيقة جداً من عدد محدود من معادن متبلورة، وهو تعرف معدن الطين المقبول حالياً.
وهذه الفرضية ليس جديدة، ولم يكن في المقدور إثبات الطبيعة المتبلورة لمعادن الطين المتناهية في الصغر، إلا باستخدام الأشعة السينية في دراسة معادن الطين.
وأظهرت الدراسات الحديثة أن بعض المواد الطينية تحتوي على مكونات غير متبلورة أو ضعيفة التبلور، ولا توجد هذه المكونات في معادن الطين أو حتى في معظمها، ولذلك لا يمكن أن تعتبر مسئولة عن خصائص الطين.
التقسيم:
لم يقدم حتى الآن تقسيم مقنع تماماً لمعادن الطين لصعوبة دراسة الطين الذي عادة ما يتكون من خليط معقد من معادن الطين ضعيفة التبلور، إلى حد لا يمكن معه تمييزها بوضوح.
علاوة على التدرج المستمر بين أنواع معادن الطين. وقد أثبت التقسيم التالي بإمكانية استخدامه مع تقسيماته الفرعية إلى مجموعات متبلورة وغير متبلورة. وتعتبر المجموعات الأخيرة نادرة نسبياً وذات أهمية محدودة.
1- غير متبلور:
مجموعة الأولوفين (Allopene)
2- متبلور
أ- نوع ذو طبقتين (تركيب شرائحي يتكون من طبقة واحدة من السيليكا رباعية الأوجه وطبقة من الالومنيا الثمانية الأوجه).
* متساوية الأبعاد:
= مجموعة الكاولينيت: كاولينيت وناكريت وديكيت وغيرهما.
* مستطيلة:
= مجموعة الهالويسيت
ب- أنواع ذات ثلاث طبقات (تتكون من تراكيب شرائحية من طبقتين من السيليكا الرباعية الأوجه وطبقة متمركزة من ثمانية أوجه ثنائية، أو ثمانية أوجه ثلاثية.
1- تركيب الأبعاد:
* متساوية الأبعاد:
= مجموعة مونتموريلونيت: مونتموريلونيت، سادكونيت وغيرهما غير الميكيوليت.
*مستطيلة:
= مجموعة مونتموريلونيت: نونترونيت وسابونيت وهيكتوريت.
2- تركيب غير متمدد
= مجموعة الإيليت
جـ- أنواع طبقة مخلوطة منتظمة (ترتيب منتظم لأنواع تركيبية تبادلية)
= مجموعة الكلوريت
د- أنواع تراكيب سلاسلية (تتشابه مع سلاسل الهورنبلند – حيث تترابط سلاسل من السيليكا رباعية الأوجه ببعضها، ومع مجموعات ثمانية الأوجه من الأكسجين والهيدروكسيل، تحتوي على ذرات الومنيوم ومغنسيوم.
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.
يقصد بالمعادن العنصرية تلك العناصر التي توجد في الطبيبعة غير مرتبطة مع غيرها من العناصر – إضافة إلى الغازات الجوية، فإنه يوجد حوالي 20 عنصراً توجد في صورة معادن في حالة عنصرية (معادن عنصرية).
وتصنف المعادن العنصرية في ثلاث مجموعات هي:
1- الفلزات:
وتشمل المعادن الفلزية مثل الذهب والفضة والنحاس والبلاتين والحديد والقصدير والرصاص والزئبق..
ويعتبر الذهب والفضة والنحاس والبلاتين من أهم العناصر الفلزية نظراً لوجودها بكميات كبيرة في كثير من المناطق في العالم تسمح بتعدينها.
2- المعادن العنصرية شبه الفلزية:
وتشمل مجموعتين هما مجموعة الزرنيخ وهذه تتضمن الزرنيخ والانتيمون والبزموث ومجموعة التيلوريوم، وهذه تتضمن تيلوريوم وسيلينيوم.
وتتبلور مجموعة الزرنيخ في فصيلة السداسي نظام المثلثات الوجهية، أما مجموعة التيلوريوم فتتبلور في فصيلة السداسي نظام شبه المنحرف الثلاثي، ولا توجد المعادن العنصرية شبه الفلزية بكميات وفيرة تسمح بتعدينها.
3- المعادن العنصرية اللافلزية:
وهذه تشمل: الكبريت والكربون (بنوعية الماس والجرافيت) ويعتبر الكبريت العنصري هو المصدر الأساسي للكبريت المستخدم في الصناعة.
تكون المعادن السيليكاتية ما يقرب من 90% من صخور القشرة الأرضية وتتكون الوحدة الأساسية التي تشارك في بناء جميع المعادن السيليكاتية من أربعة أيونات من الأكسجين تحيط بأيون السيليكون رباعي التكافؤ وتتناسق معه، مكونة شكل رباعي الأوجه (tetrahedron).
وترتبط كل مجموعين متجاورتين من رباعي الأوجه. بعضهما مع بعض بواسطة أيون واحد أو أكثر من الأكسجين يشترك بينهما، ويتكون نتيجة لذلك مركبات سيليكاتية ذات بنيات مختلفة.
وتشتمل هذه المركبات السيليكاتية على رباعيات أوجه منفصلة ورباعيات أوجه مضاعفة منفصلة، وسلسلة مفردة (single chain)، وسلسلة مزدوجة وصفائح وهياكل متشابكة في أبعاد ثلاثة.
وتصنف المعادن السيليكاتية على أساس بنائها الذري ونسبة السيليكون إلى الأكسجين في هذا البناء، إذ تتوقف الخواص الفيزيائية للمعادن واستقرارها الكيميائي إلى حد كبير على هذه النسبة.
وقبل اكتشاف التحليل النبائي للسيليكات بواسطة الأشعة السينية في عام 1912 كان تحليل السيليكات يفسر عادة بالنسبة إلى أحماض افتراضية للسيليكون، فمثلاً الأوليفين كان يسمى أرثوسيليكات، وكان يعتبر ملحاً لحامض الارثوسيليسيك (H4SiO4).
أما الانستاتيت فكان يسمى ميتاسيليكات وكان يعتبر ملحاً لحامض الميتاسيليسيك (HSiO3).
يلعب الألومنيوم دوراً هاماً في البنية البلورية والكيمياء البلورية للسيليكات، لأن النسبة نصف القطرية بين أيون الألومنيوم وأيون الأكسجين يمكن مقارنتها بعدد التناسق الرباعي (Four–coordination) وعدد التناسق السداسي (Six–coorination).
وعلى هذا فالالومنيوم له القدرة على القيام بدورين مختلفين في بناء المعادن السيليكاتية. وعندما يحل أيون الألومينوم ثلاثي التكافؤ (Al3+) محل أيون السيليكون رباعي التكافؤ (Si 4+) في التناسق الرباعي تنقص شحنة من الهيكل البنائي المتعادل، الأمر الذي يحتم دخول أيون أحادي الشحنة الموجبة.
وعادة ما يحدث استبدال بين كاتيون ثنائي التكافؤ (مثل الكالسيوم) وكاتيون أحادي التكافؤ (مثل الصوديوم)، وقليلاً ما يكون الاستبدال بين كاتيون ثلاثي التكافؤ وآخر رباعي التكافؤ، وذلك حتى ينتج بناء متعادل الشحنات الكهربائية.
وقد يحدث استبدال مزدوج لبعض الأيونات في البناء البلوري. وفي بعض السليكات مثل شبكة السيليكون – أكسجين المكونة لمعادن السيليكا متعددة الشكل، يعادل إحلال الألومنيوم محل السيليكون بدخول كاتيون مثل الصوديوم في الفراغات البينية للتركيب البنائي في البلورة.
ويمكن التعبير عن التركيب الكيميائي للسيليكات في هيئة قانون عام هو: (XYZOW) وذلك على أساس العلاقات الاستبدالية بن العناصر الشائعة.
حيث X تمثل الأيونات كبيرة الحجم ومنخفضة الشحنة وعدد تناسقها (8) أو أكثر من الأكسجين، Y تمثل الأيونات متوسطة الحجم وثنائية أو ثلاثية أو رباعية التكافؤ وعدد تناسقها (6)، Z تمثل الأيونات الصغيرة عالية الشحنة وعدد تناسقها (4)، O تمثل الأكسجين، W تمثل مجموعات أيونية إضافية مثل (OH).
تعتمد الصفات البلورية والفيزيائية للمعادن السيليكاتية المختلفة على نوع شبكة السيليكات ، التي تنتمي إليها هذه المعادن.
فتتميز مجموعة الفيللوسيليكات (phyllosilicates) ببلورات في هيئة ألواح رقيقة ذات انفصام مواز لمستوى تطبق النبية السيليكاتية.
كما تتميز أيضاً مجموعة الاينوسيليكات (Inosilicates) ببلورات منشورية يوازي انفصامها – إن وجد – اتجاه استطالة البنية بينما تتميز مجموعة التكتونيز وسيليكات (Tectosilicates) ببلورات حبيبية متساوية.
تقسيم السيليكات:
المعادن النيزوسيليكاتية: Nesosilicates
تضم هذه المعادن جميع البنيات الرباعية الأوجه المنفصل، وترتبط رباعيات الأوجه بعضها ببعض فقط عن طريق البنية.
ونسبة السليكون إلى الاكسجين فيها 1: 4، من أمثلة هذا الأوليفين والجارنت والسليمنيت والاندلوسيت والكياتيت.
المعادن السور وسيليكاتية: Sorosilicates
تتميز هذه المعادن بمجموعات مزدوجة من رباعي الأوجه، يرتبط كل زوج منها بذرة أكسجين وتصبح نسبة السيلكون إلى الاكسجين 2: 7، وتعتبر مجموعة معادن الأبيدوت من أهم المعادن التي تنتمي إلى هذه المجموعة.
يوجد نوعان من الكاتيونات في التركيب الكيميائي لمعادن الابيدوت. يرمز للنوع الأول منها بالرمز (X) مثل الكالسيوم (Ca) والصوديوم (Na). أما النوع الثاني من الكاتيونات فهو ممثل بالرمز (Y) مثل الألومنيوم والحديديك.
المعادن السيكلوسيليكاتية: Cyclosilicates
تتكون هذه المعادن من حلقات متصلة من رباعي الأوجه، تكون فيها نسبة السليكون إلى الأكسجين 1: 3
وتوجد ثلاثة أنواع من الحلقات المقفلة هي الحلقة الثلاثية Si3O9 (بنتونيت Bentonite) والحلقة الرباعية Si4O12(اكسينيت Axinite) والحلقة السداسية Si6O18 (بيريل Beryl وتورمالين Tourmaline).
المعادن الاينوسيليكاتية: Insoilicates
تتكون هذه المعادن من مجموعات من رباعي الأوجه يرتبط بعضها عن طريق اشتراك كل ذرتين من ذرات الأكسجين الأربعة في رباعي الأوجه بين مجموعتين من رباعي الأوجه المتجاورتين.
وينتج عن هذا الارتباط بناء في شكل سلسلة بسيطة تكون فيها نسبة السليكون إلى الاكسجين: 1: 3 مثل البيروكسين.
وقد ترتبط السلاسل البسيطة بعضها ببعض لتكون سلاسل مزدوجة في اتجاه المحور البلوري (جـ) وتكون نسبة السليكون إلى الأكسجين في هذه الحالة 4: 11 مثل الأمفيبول.
المعادن الفيللوسيليكاتية: Phyllosilicates
يتكون البناء الذري لهذه المعادن من صفائح من السيليكون والأكسجين، حيث تشترك ثلاث ذرات أكسجين من الأربع الموجودة عند أركان رباعي الأوجه مع رباعيات الأوجه الأخرى، وبذلك تكون نسبة السيليكون إلى الأكسجين 2: 5.
وتحتوي معادن هذه المجموعة على أيون الهيدروكسيل (OH)، وتعزي الخواص المختلفة لهذه المعادن إلى الموقع الذي يحتل هذا الأيون في البناء السيليكاتي للمعادن. ومن أمثلة هذه المعادن الميكا والتلك ومعادن الطين.
المعادن التكتوسيليكاتية: Tectosilicates
يتكون بناء هذه المعادن من هيك شبكي له أبعاد ثلاثة، حيث تشترك ذرات الأكسجين في أركان رباعي الأوجه بين مجموعتين من رباعي الأوجه المجاورة، وينتج بناء مستقر قوى الارتباط تكون فيه نسبة السيليكا إلى الأكسجين: 1: 2 مثل التركيب الخاص بثاني أكسيد السليكون.
ويشتق من السيليكا أنواع من السيليكات وذلك باستبدال الألومنيوم ببعض ذرات السيليكون ومعادلة الشحنة الناتجة بأيونات موجبة كما هو الحال في الفلسبارات والفلسباثويد.
يوجد ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) في الطبيعة على هيئة تسعة معادن أساسية متعددة الأشكال وتشتمل هذه المعادن على تريديمييت (Tridymite) (عال ومتوسط ومنخفض) – أي المتكون عند درجات حرارة عالية ومتوسطة ومنخفضة على التوالي – وكريستوباليت (Cristobalite) عال ومنخفض وكوسيت (Coesite) وستيشوفيت (Stishovite) بالإضافة إلى كوارتز (Quartz) عال (الفا- ) وكوارتز منخفض (بيتا – B).
وتختلف هذه المعادن بعضها عن بعض في أنظمتها البلورية وصفاتها البصرية والفيزيائية، كما تختلف كذلك في مجالات استقرارها عند درجات الحرارة والضغط المختلفة، وفي وجودها.
ويوجد نوعان من التحولات بين الأشكال المختلفة للمعادن: النوع الأول يعرف بتحولات الإزاحة (displacive transformations) مثل التحولات التي تحدث بين الكوارتز العالي والكوارتز المنخفض، والتي تنتج من إزاحة أو تغير اتجاه الروابط بين السيليكون وذرات الأكسجين ودون الإخلال بها.
وتحدث هذه التحولات بسرعة وفي اتجاهين أي أنها تحولات عكسية. أما النوع الثاني فيعرف بتحولات إعادة البناء (reconstructive transformations) وتسبب هذه التحولات تكسير الروابط الموجودة، وتكوين روابط جديدة مثل تحول التريديمييت إلى كوارتز وبالعكس وتحول الكوارتز إلى ستيشوفيت وبالعكس.
أما من حيث البنية البلورية فإن معادن السيليكا تتبع المجموعة التكتوسيليكاتية، التي تتميز بترابط المجموعات الرباعية (SiO4) بعضها ببعض لتكون الهيكل الشبكي ذي الأبعاد الثلاثة.
وفي جميع البنيات البلورية لمعادن السيليكا باستثناء ستيشوفيت تحاط ذرات السيلكون بأربع ذرات أكسجين مكونة تناسقاً رباعياً.
وترتبط كل ذرة أكسجين بذرتين من السليكون لينتج بناء متعادلاً. أما في الاستيشوفيت فتحاط ذرات السيلكون بست ذرات أكسجين في تناسق ثماني.
تتكون بنية التريديمييت العالي النموذجي من صفائح متوازية من رباعيات الأوجه، عمودية على المحور البلوري (جـ) بينما تشير رباعيات الأوجه المجاورة إلى اتجاهات عكسية (شكل 1 ).
ويرتبط الأكسجين في الأركان الأربعة لرباعي الأوجه بالسيليكون في الصفائح السيليكاتية المجاورة، ليكون بناء شبكياً متصلاً من التماثل السداسي.
وتختلف بنية التريديمييت العالي الموجود في النيازك عن بنية التريديمييت النموذجي، ويتميز الأول بتماثل المعيني القائم،(شكل 2).
والتريديمييت المنخفض له بنية ممماثلة إلا أن تحولات الإزاحة تغير من أشكال الصفائح وينتج تماثلاً منخفضاً.
ويحتوي التريديمييت الموجود في الصخور البركانية على ثلاثة أنواع من السيليكات المكون للنيازك فيتبع تماثل أحادي الميل.
وذلك لتشوه الحلقات السداسية. ولا يعرف سوى القليل عن بنية التريديمييت المتوسط ومن المعتقد أنها سداسية التماثل.
وتتكون بنية كريستوباليت العالي مثل التريديمييت من صفائح متوازية من رباعيات الأوجه. وينشأ مكعبي من طبقات رباعيات الأوجه الموازنة لـ [111] وذلك نتيجة لتشوه الحلقات السداسية ودوران الصفائح المجاورة بزاوية 60° بالنسبة لبعضها بعضاً.
ويتحول هذا التماثل إلى تماثل رباعي إذا ما تأثرت الصفائح السيليكاتية بتشوه آخر عند درجات حرارة منخفضة (شكل 3) .
يحتوي الكوسيت أيضاً على ذرات سيليكون متناسقة مع ذرات الأكسجين في أشكال رباعية (شكل 4) وتتصل أركان الأشكال متعددة الأوجه ببعضها لتكون سلاسل من حلقات رباعية.
وينتج من الروابط بين السلاسل هيك شبكي من تماثل أحادي الميل ترتبط فيه كل ذرة أكسجين بذرتين من السيليكون.
يتناسق السيليكون مع الأكسجين في الاستيشوفيت في شكل ثماني الأوجه. وتتصل أحرف وأركان الأشكال المتناسقة متعددة الأوجه لتكون سلاسل سيليكاتية ثمانية الأوجه موازية للمحور البلوري (جـ)، وتنشأ رباعية شبيهة ببنية الروتيل (Rutile).
يتميز الكوارتز المنخفض بتماثل ثلاثي وبنية تختلف عن بنية الكوارتز العالي في عدم انتظام رباعيات الأوجه ودورانها عن وضعها الأصلي، ويتبع ذلك تكسير لروابط السيليكون – أكسجين أو تغير في البناء الذري.
الصفات:
تختلف الصفات الطبيعية والبصرية والكيميائية لمعادن السيليكا باختلاف بنيتها البلورية، فالاستيشوفيت ذو النظام الشبكي المغلق (dense packing) له وزن نوعي عال = 4.35
في حين أن التريديمييت والكريستوباليت اللذين يتميزان ببنية متوحة لها وزن نوعي منخفض (2.26 للتريديمييت و 2.32 للكريستوباليت)، وبصفة عامة فالأشكال المعدنية عالية الحرارة لها نظام شبكي مفتوح ووزن نوعي منخفض عن نظائرها من الأشكال منخفضة الحرارة.
وتعتمد معاملات انكسار معادن السيليكا أيضاً على البنيات البلورية ويتناسب متوسط معامل الانكسار طردياً مع الوزن النوعي ويتراوح بين 1.47 للتريديمييت و 1.18 للاستيشوفيت ويوح جدول (1) الصفات البصرية والفيزيائية المميزة لمعادن السيليكا.
وتعتبر التوأمية صفة شائعة في معظم هذه المعادن وكما في حالة الكوارتز تتكون التوأمية في المعتاد نتيجة لتغير الأشكال عالية الحرارة والتماثل إلى أشكال منخفضة الحرارة والتماثل.
تتكون معادن السيليكا كيميائياً من ثاني أكسيد السيليكون النقي، ولكن قد يكتنف الكوارتز ببعض الشوائب وقد توجد بعض العناصر الغريبة أيضاً في التريديمييت والكريستوباليت.
وذلك نتيجة إحلال أيوني مزدوج بين الألومنيوم أو الحديد ثلاثي التكافؤ والسيلكون رباعي التكافؤ، ومعادلة الشحنة الناتجة بكاتيونات أحادية أو ثنائية التكافؤ والتي تمثل الفراغات البينية في النظام المفتوح للمعدنين.
وقد يتسبب الإحلال الأيوني في أن تصل نسبة ثاني أكسيد السيليكون في التريديمييت أو الكريستوباليت إلى 95% فقط.
ويوضح شكل (6) مجالات استقرار معادن السيليكا عند درجة الحرارة والضغط المختلفة. تحت ضغط جوي = 1 يتبلور الكوارتز المنخفض عند درجة أقل من 573°س، بينما يتبلور الكوارتز العالي عند درجة أعلى من هذه الدرجة وحتى 870°س.
ويستقر التريديمييت بين 870 و 1470°س والكريستوباليت بين 1470 و 1720°س. ولا يصل الكوسيت أو ستيشوفيت إلى الاستقرار إلا عند ضغط مرتفع.
ويحدث التغير بين التريديمييت العالي والتريديمييت المنخفض وبين الكريستوباليت العالي والكريستوباليت المنخفض عند درجات حرارة تتفاوت بين 117 و 163°س وبين 200 و 275°س على التوالي.
وعموماً تختلف درجات حرارة التحول باختلاف التركيب البنائي. ومن الجدير بالذكر أنه أثناء عملية التحول من نوع إلى آخر، يعاود النظام الرباعي المرتبط بعضه مع بعض والمكون للشكل الشبكي ترتيب مجموعاته بما يتناسب مع درجة الحرارة الجديدة.
الوجود:
معدن الكوارتز من المعادن شائعة الوجود في الطبيعة، فهو يكون أساساً للصخور النارية الحمضية وكذلك يكون الكوارتز معظم حبيبات الصخور الرسوبية الرملية.
كما يوجد المعدن في كثير من الصخور المتحولة. ويترسب الكوارتز من المحاليل المائية الحرارية ليكون الغث (gangue minerals) الغالب في معظم العروق.
يوجد التريديمييت والكريستوباليت في أرضية الصخور البركانية السيليكاتية مثل الريوليت والتراكيب والانديزيت أو في الفجوات التي بها. ونادراً ما يوجد في صخور البازلت.
كما يوجد المعدنان أيضاً في الصخور الرسوبية الرملية، مثل الحجر الرملي والاركوز التي تأثرت بدرجة حرارة عالية نتيجة تحولها بالتماس وفي النيازك وفي بعض صخور القمر.
ويتكون الكريستوباليت والتريديمييت أحياناً نتيجة تحول السيليكا العضوية غير المتبلورة (أوبال opal) في الرسوبيات البحرية إلى كوارتز أثناء عملية تغيرات ما بعد النشأة وذلك على النحو التالي:
يوجد الكوسيت والستيشوفيت حول الفوهات العميقة والتي تشبه فوهات البراكين، والتي نتجت من ارتطام الشهب والنيازك بسطح الأرض، ويوجد الكوسيت أيضاً في نيازك التكتيت وفي الأماكن التي تأثرت بانفجارات نووية عنيفة.
كما يوجد كمعدن دخيل في الماس المكون لصخور الكمبرليت (Kimberlite) التي تتبلور على أعماق سحيقة من سطح الأرض وتحت ضغط مرتفع جداً. وبصفة عامة تشير وجود الكوسيت والستيشوفيت إلى بيئة جيولوجية تأثرت بضغط مرتفع جداً.
هي تلك المعادن التي تبلغ كثافتها أعلى من 2.9جم/ سم3، وهي مقدار كثافة البروموفورم السائل المستخدم في فصل المعادن الثقيلة عن المعادن الخفيفة.
توجد المعادن الثقيلة في جميع الصخور النارية والمتحولة والرسوبية.
والأمثلة لهذه المعادن: الماجنيتيت، الالمينيت، الأوليفين، سفين، انستاتيت، أوجيت، جارنت، هورنبلد، إبيدوت، كيانيت، شتوروليت، زركون، تورمالين وغيرها.
ودراسة المعادن الثقيلة هامة جداً خاصة في التعرف على طبيعة تكوين الصخور الرسوبية، مثل الحجر الرملي حيث أنها تعطي دلائل ومعلومات قيمة عن تركيب الصخر الأصلي الذي اشتقت منه الصخور الرسوبية.
فعلى سبيل المثال وليس الحصر لو وجدت مجموعة معادن الأمفيبول والإبيدوت، في الصخور الرسوبية، فهذا دليل قاطع على أن الصخر الأساسي هو صخر ناري أو متحول تحت درجة تحول عالية، بينما لو وجدت مجموعة معادن البيروكسين فإنها تدل أن الصخر بركاني. ومجموعة معادن الزيركون والتورمالين تدل أن الصخر الأساسي رسوبي.
ومن الممكن تمييز الرسوبيات بواسطة التعرف على المعادن الثقيلة الملازمة لها، حيث أن دراسة توزيع المعادن الثقيلة في أحواض الترسيب تسهل من عملية تتبع توزيع المواد الرسوبية الواردة من مصادر مختلفة، من حيث زمان ومكان الترسيب، ومن ثم المساعدة في الكشف عن تاريخ عوامل التعرية للمناطق الأصلية التي زودت مواد الترسيب.
ومن الجدير بالذكر أنه في بعض الأحيان يكون توزيع المعادن الثقيلة في الرسوبيات معقداً إلى حد ما، خاصة عندما يحدث اختلاط هذه المعادن القادمة من مصادر مختلفة لذلك تم تطوير طرق تحليل حسابية ورياضية متطورة لإيجاد حل وتوضيح لعلاقة المعادن الثقيلة بالرسوبيات.
لذا فدراسة المعادن الثقيلة ما زالت عاملاً مساعداً للتعرف على تاريخ الترسيب وجغرافية أحواض الترسيب القديمة، وفي بعض الأحيان لمقارنة تعاقب الطبقات في مناطق مختلفة.
تحدث هناك تغييرات للمعادن الثقيلة قبل ترسيبها وبعده فمثلاً تؤدي عوامل التعرية الجوية إلى التحلل الاختياري لبعض المعادن غير قابلة التحمل مثل معدني الأوجيت والأوليفين.
ويحدث ذلك في المناطق الرطبة والحارة، إضافة إلى ذلك هناك تكسير ميكانيكي لبعض المعادن الهشة أثناء نقلها بواسطة عوامل الماء والهواء.
وأثناء هذا الانتقال يحدث اختيار وتنويع في المعادن الثقيلة، لذا كثيراً ما نجد أن الحبيبات الخشنة ترسبت في مكان، والحبيبات الناعمة في مكان آخر.
وإذا كانت بعض المعادن الثقيلة توجد في حجم حبيبي معين، لذا فقد يحدث تغيير في نوعية وتركيب المواد المعدنية المترسبة.
فعلى سبيل المثال نجد في منطقة دلتا لهون أن الحبيبات الرسوبية الناعمة المترسبة بعيداً عن الشاطئ تشمل معادن إبيدوت وأمفيبول.
وهذه المعادن تم الحصول عليها من نفس المصدر التي جاءت منه رمال ذات حبيبات خشنة، تحوي معدن الأوجيت في منطقة الدلتا عند المصب.
إضافة إلى ذلك هناك عامل مهم وهو الذوبان الاختياري لبعض المعادن بعد عملية الدفن والترسيب، حيث أن هذا العامل هام جداً في التحكم بتركيب المعادن الثقيلة الموجودة.
يتم تركيز نسبة المعادن الثقيلة خاصة عند الشواطئ ومصبات الجداول والأنهار، وعندئذٍ يمكن استخراج هذه المعادن بصورة اقتصادية، ويصبح لها قيمة كثروة معدنية.
ونجد في ذلك أمثلة كثيرة مثل رمال المونازيت (التي تحوي الثوريوم والعناصر النادرة) في الهند والبرازيل ورمال القصدير في جزر بانجكا وبيلنون وفي اندونيسيا ورمال رشيد عند دلتا النيل في مصر وغيرها من البلدان.
وفي العصور الجليدية عندما كان مستوى البحر منخفضاً في كثير من المناطق تم ترسيب المعادن الثقيلة التي تحملها الجداول والأنهار والبحار بكثرة خاصة في منطق الرفوف القارية العالمية. وبعض هذه المناطق معروفة باحتوائها على معادن ثقيلة قيمة بصورة مركز.
فمثلاً الرمال الحاملة للماس في شواطئ جنوب أفريقيا ورواسب الذهب في ألاسكا والرمال البحرية الحاملة للحديد في نيوزيلندا وغيرها من الأماكن.
وتجري حالياً استكشافات مكثفة عند شواطئ ألاسكا واستراليا وأماكن أخرى في قاع المحيطات وذلك للتنقيب عن المعادن الثقيلة القيمة.
تظهر البورات وبعض مركبات البورون الأخرى في الطبيعة تحت ظروف تدل على تنوع طرق الأصل والتكوين.
فالبوروسيليكات المعقدة والتي لا تذوب مثل التورمالين والداتوليت، توجد متناثرة في الصخور النارية والمتحولة وقواطع البيجماتيت والعروف السرخية (Fissurenein) – ولكنها ليست ذات قيمة اقتصادية فيما عدا التورمالين، والذي يستخدم أحياناً كحجر كريم.
وحمض البوريك وبورات الكالسيوم والمغنسيوم تظهر في فورات البراكين والتي من أشهرها «سوفيوني في توسكاني بايطاليا» وقد تم استخراج كميات كبيرة من حمض البوريك منها والبورات تترسب بالتبخر من الينابيع الحارة على شكل بلورات من البوراكس.
أما الرواسب البحرية من البورات فتنحصر في طبقات البوتاسيوم الملحية كما هو الحال في وسط ألمانيا. ولكن البورات لوحظت أيضاً في كلوريد الصوديوم، والأنهيدريت والجبس.
أما رواسب البورات في المستنقعات الشاطئية، فلا شك أنها قد غسلت من الطبقات القديمة في طبقات بحيرات العصر الثلاثي وكمثال عليها ما شوهد في لوس أنجلوس (كاليفورنيا) الولايات المتحدة الأمريكية.
وعليه فإن مركبات البورون التجارية تتكون في الطبيعة إما على شكل طبقات من رواسب بورات الصوديوم والكالسيوم والمغنسيوم أو على شكل حمض البوريك المصاحب للنشاطات البركانية أو في البحيرات المالحة.
والرايسوريت (Raisorite) هو اسم تجاري مرادف للكيرنيت (Kernite) وهو يغطي جزءاً كبيراً من الطلب العالمي للبورات، وقد كان يستعمل خلال الحرب العالمية الثانية لصناعة حمض البوريك.
وتستخدم سبائك الخليط من البورون والكروم والألومينيوم كأغلفة للأقطاب ذات الأوجه الصلبة. وتجارياً يستخدم الكالسيوم بواريد كناقض للأكسدة كما هو الحال في النحاس والسبائك غير الحديدية.
كما يستعمل البورون لقتل الحشرات وكمادة حافظة، وغسل الفاكهة، وفي المواد المقاومة للحريق.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
ووزنها النوعي عال..jpg)
وعند اكتمال نمو بلوراته يظهر نظام ثماني الأوجه المكعب في أغلب الأحيان..jpg)
.jpg)
وليس من الشائع ملاحظة البلورات المتكاملة، لأنها عادة توجد في هيئة ناقصة أو متشعبة أو مجموعات بلورية متشابكة..jpg)
.jpg)
) ونوعان من محلول النيكل – الحديد الصلب وهما كاماسايت وتينايت..jpg)
) والكاماسيت إلى المجموعة الفراغية (.jpg)
) 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..jpg)
) ومعدن الكاماسايت على ترتيب الذرات المكعبيب حسب مجموعة (.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
) وكوارتز منخفض (بيتا – .jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)