نشأة المعادن
المعادن عبارة عن مواد صلبة لامعة تستخرج من أحشاء الأرض، ويتكون معظمها من اندماج العناصر الطبيعية، تتشكل بشكل طبيعي نتيجة للعمليات الجيولوجية، ولها بنية معدنية وتركيب كيميائي خاص، ولها أيضا خصائص فيزيائية خاصة بها، والتي تعتبر ثابتة لكل معدن.
ولقد ذكر العلماء أكثر من ألفي معدن مختلف، لكن معظم المعادن التي تتكون منها الصخور لا تتجاوز مائتي معدن، وتتفاوت درجة الصلابة والكثافة من معدن إلى آخر، ومن النادر العثور عليها المعادن التي تم استخلاصها في شكلها النقي، مثل الراديوم، حيث يتكون معظمها من عناصر أخرى موصلة كلاهما حرارة وهناك أنواع عديدة من المعادن، كل منها يستخدم لغرض معين، كالذهب والنحاس والفضة وغيرها من المعادن.
مراحل تكوين المعادن
الضغط والحرارة
تتحول المعادن من الحالة الغازية إلى الحالة المنصهرة ثم إلى الحالة الصلبة، ويتم ترسيب بعض المعادن في المراحل الأولى، ويكون المعدن الأقل ذوبانًا هو الذي يترسب أولًا، ويؤثر الضغط على عملية الذوبان عندما يحدث ذوبان المعادن، فكلما زاد الضغط زادت كثافة عملية الذوبان والعكس صحيح.
التبلور من الصهير
هي عبارة عن كتلة سائلة نصف منصهرة تشبع الذوبان من عنصر آخر عندما تبرد بسبب انخفاض درجة حرارتها، حيث يتبلور بعض المعادن مباشرة من الذوبان نتيجة انخفاض درجة الحرارة، مثل الكرومات والماجنيتايت.
التسامي
تتمثل هذه المرحلة في تحول المعادن من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية نتيجة تعرضها لدرجات حرارة عالية، ويحدث هذا عادة في فوهات البراكين.
التقطير
تتم عملية تكوين الزيت في أحشاء الأرض عن طريق التقطير، نتيجة ترسب المواد العضوية التي تتراكم من خلال الرواسب البحرية.
التشبع والتبخر
بعد أن تتبخر بعض المعادن، تزيد تشبعها وبالتالي ترسبها، وتتكون قشور الكبريتات على سطح الأرض في المناطق الجافة مثل النحاس وكبريتات الزنك وغيرها، كما هو الحال في تشيلي.
ترسيب المعدن
تتم هذه العملية عن طريق البكتيريا، ويعد خام الحديد من بين أنواع المعادن التي تترسب بهذه الطريقة.
التعرية
تعتبر هذه من أهم طرق إنتاج المواد الأساسية، حيث تنقسم هذه الطريقة إلى قسمين: التآكل الميكانيكي والتآكل الكيميائي، ونظراً لأهمية التآكل الميكانيكي فإنها لا تؤدي إلى تكوين معادن جديدة مختلفة في الخصائص من خلال خصائصه الكيميائية، على عكس التآكل الكيميائي، فإنه يؤثر على المعادن الموجودة على السطح وفي أحشاء الأرض، وقد تكون هناك تغييرات في خصائصها.
التحول
يؤدي الضغط والحرارة إلى تبلور وتشكيل بعض المواد المعدنية، مما يجعل خصائصها مختلفة تمامًا وتحويلها إلى صخور متحولة، لها بعض المزايا الاقتصادية، بعضها يستخدم في أعمال التلميع وبعضها الآخر يستخدم في صناعة أقلام الرصاص.
كيف تتشكل المعادن
تشكيل المعادن هو العملية التي يتم فيها تشكيل المعدن وتحديده بأحجام معينة وفقا للاستخدام المقصود، سواء كان وظيفيا أو جماليا. تتطلب عملية تشكيل المعادن مهارة ودقة عاليتين جدا لتنفيذ هذه العملية الحرجة، وتتطلب مهارة عالية من الفرد المكلف بتنفيذها. إن تشكيل المعادن هو حرفة تنتقل من جيل إلى جيل، وهي جزء من التراث في بعض مناطق العالم، وتتم باستخدام هذه الطرق
- تُعَدُّ هذه الطريقة من أكثر طُرُق تشكيل المعادن استخدامًا، وتستخدم في صُنع العديد من أجزاء السيارات.
- تهدف الطريقة التي تُسمى التجميع إلى زيادة سمك المعدن عن طريق الثقب.
- تستخدم هذه الطريقة في الأباريق وتعني تمديد الحافة العلوية أو السفلية للخصر.
- تُستخدم هذه الطريقة لإبراز النتوءات المختلفة على مقدمة جسم معدني مجسم، وتسمى التقنية باسم الاستعراض.
- يتم تحويل المعادن إلى أشكال عن طريق الفرد، حيث يتم تطبيق عمليات التصميم على هذه المعادن لإنتاجها بهذه الطريقة.
- يعتبر التشكيل البارد من أهم طرق تشكيل المعادن، وبمجرد اكتمال العملية، يجب تنعيم المعادن وإزالة الحواف المعدنية الحادة.
- تجميع المعادن هو المرحلة التي يقوم فيها الحرفي بتجميع الأجزاء المعدنية معًا لتشكيل الشكل النهائي المطلوب. يتم ذلك بواسطة اللحام أو الدهان أو الطلاء أو بعض العمليات الأخرى.
التركيب الكيميائي للمعادن
تصنف المعادن بناءً على تركيبها الكيميائي إلى معادن عنصرية، وهي التي تتكون من عنصر كيميائي واحد مثل الذهب والفضة والكبريت والجرافيت وغيرها، وكذلك معادن السيليكات.
الخصائص العامة للمعادن
تعتمد الخواص الطبيعية للمعادن على ترتيب ذرات المعدن، حيث يحمل كل عنصر خصائصه الفريدة والثابتة الخاصة به
- تعتمد الخواص البصرية على الضوء، مثل اللون، ويمكن تثبيتها في بعض المعادن وتغييرها في المعادن الأخرى بسبب وجود الشوائب واللمعان والشفافية.
- تعتمد خواص التماسك للمعادن على درجة الالتصاق بين ذراتها، ويمكن أن تتضمن مقاومة المعدن للخدوش والتشقق والانقسام والكسر، وغيرها من الخصائص.
- نسبة وزن المعدن إلى وزن الماء تعبر عن الثقل النوعي.
- يشير الوضوح إلى قدرة المعدن على نقل الضوء من خلاله.
- الخصائص الحسية، الذوق والرائحة والملمس.
- تعبر الخصائص الحرارية والانصهارية عن قدرة المعدن على الذوبان.
- الخصائص المغناطيسية تُعبر عن قدرة المعدن على التعرض للمجال المغناطيسي.
- يعبر النشاط الإشعاعي عن قدرة المعدن على إطلاق الإشعاع.
الخصائص الفيزيائية للمعادن
تتميز المعادن بمجموعة من الخصائص الفيزيائية منها:
- اللمعان.
- الموصلية الجيدة للحرارة والكهرباء.
- كثافته عالية.
- نقطة انصهارها عالية.
- مرن وقابل للسحب.
- صلبة عند درجة حرارة الغرفة، باستثناء الزئبق.
- تصدر صوتا.
الخصائص الكيميائية للمعادن
تمتلك المعادن العديد من الخصائص الكيميائية، بما في ذلك:
- تفقد بسهولة إلكتروناتها المدارية الأخيرة.
- يمكنها التعرض للتآكل.
- الأكاسيد في أشكالها الأساسية.
- لديه كهرسلبية منخفضة.
- عوامل اختزال جيدة.
أنواع المعادن
تختلف أنواع المعادن في خصائصها والصفات المميزة لكل نوع، وتتضمن الأنواع التالية:
- المعادن الحديدية هي مزيج من الحديد والكربون وتم تصنيفها تحت هذا الاسم بسبب احتوائها على معادن مختلفة. تستخدم في مجالات متعددة، ويتميز هذا النوع بقوته العالية وقدرته على التشكيل بأشكال مختلفة. إنه موصل جيد للحرارة والكهرباء، ويتحمل الأوزان الثقيلة والظروف القاسية. لذلك، يستخدم في صناعة المعدات والآلات الثقيلة. ومع ذلك، فإنه يتآكل ويذوب عند تعرضه لدرجات حرارة عالية مع مرور الوقت، مثل الحديد والفولاذ “الصل.
- المعادن الثمينة ؛ وهي أقل المعادن تفاعلاً، مثل العناصر النبيلة، وتتميز بأنها لا تصدأ وتتآكل عند ملامستها للهواء، كما أنها لينة وسهلة التصنيع بأشكال عديدة، كما أنها موصلة جيدة من الحرارة والكهرباء، وتستخدم في المجوهرات والعملات وغيرها، وهي باهظة الثمن، مثل الذهب والفضة والبلاتين.
- المعادن الثقيلة هي معادن ذات وزن وكثافة ذرية عالية، لكنها أقل قوة من الحديد والمعادن الأخرى، وهي غير متوفرة بكثرة في الطبيعة. كما أنها تؤثر سلبا على صحة الجسم، لأنها سامة مثل الكادميوم والرصاص وغيرها.
- تعتبر السبائك المعدنية مزيجًا من المعادن بغرض الحصول على خصائص معينة، مثل زيادة القوة أو مقاومة التآكل أو المتانة.
استخدامات المعادن
تشكل المعادن حوالي 80٪ من العناصر الكيميائية المعروفة، ومن أمثلة استخدامها:
- يستخدم الحديد في صناعة المسامير الحديدية والألواح الحديدية وغيرها.
- يتم استخدام النحاس في تصنيع الأسلاك والمقابس الكهربائية وغيرها.
- يستخدم الألمنيوم في صناعة تجهيزات المطابخ وأجزاء الطائرات المقاومة للتآكل بسبب وزنه الخفيف.
- يستخدم الزنك لصنع الخلايا الجافة وطلاء الصفائح المعدنية لمنع الصدأ.
- الفضة، تستخدم لعمل العملات الفضية.