المعادن - جواهر الأرض
الدرس 1: المعادن - جواهر الأرض
في هذا الدرس
الأهداف
- تحدد الفرق بين المعدن والصخر.
- تصف الخصائص المستخدمة في تحديد المعادن.
الأهمية
المعادن مواد أساسية في الطبيعة يستخدمها الإنسان في أغراض مختلفة.
مراجعة المفردات
الخصائص الفيزيائية: خصائص للمادة يمكن ملاحظتها دون أن يؤدي ذلك إلى إحداث تغيير في ماهيتها.
المفردات الجديدة
- المعدن.
- الصخر.
- البلورات.
- الحجر الكريم.
- الخام.
ما المعدن؟
افترض أنك تخطط للبحث عن المعادن، فأين تبحث عنها؟ هل تبحث عنها داخل كهف؟ أم تخترق أعماق منجم؟ في الواقع يمكنك إيجاد المعادن بسهولة في بيتك؛ داخل علبة الملح، وفي قلم الرصاص. فالأباريق الفخارية والأواني الزجاجية، وألوان الخزف كلها منتجات مصنوعة من المعادن. انظر الشكل 1 الذي يوضح معادن ومنتجات مألوفة مصنوعة منها.
تعريف المعدن
المعدن مادة صلبة غير عضوية موجودة في الطبيعة. ومعنى غير عضوية أنها لم تنشأ عن نبات أو حيوان.
وقد تبين من خلال فحص المعادن بالأشعة السينية أن ذراتها ذات ترتيب منتظم ومتكرر، ويشير المظهر البلوري الجميل في العديد من المعادن إلى هذا الترتيب.
وينفرد كل معدن بتركيبه الكيميائي، وترتيب ذراته. أما الصخر فهو مكون من معدن واحد أو أكثر. ولكل معدن خصائص مميزة تمكنك بواسطتها من تعرفه، وقد جرى حتى الآن التعرف على أكثر من 4000 معدن.
الشكل 1
تستعمل المعادن يوميًا دون أن تنتبه إلى ذلك؛ لأنها تدخل في صناعة الكثير من المواد والأدوات المألوفة.
- المادة داخل قلم الرصاص ليست عنصر الرصاص، وإنما هي من معدن الجرافيت.
- معدن الكوارتز يستخدم في صناعة الزجاج الذي تستخدمه يوميًا.
كيف تتشكل المعادن؟
تتشكل المعادن بعدة طرائق، منها طريقة التبريد البطيء للصهير الصخري الموجود في باطن الأرض والمسمى الصهارة؛ حيث تتحلل البلورات بطريقة منتظمة وتتكون أنواع خاصة من المعادن.
أما إذا وصل الصهير الصخري إلى سطح الأرض فإنه يطلق عليه اسم لابة، ويحدث له تبريد سريع فيتكون نوع آخر من المعادن، وهذه هي الطريقة الثانية لتشكل المعادن.
وهناك طرائق أخرى؛ إذ يمكن للتبخر أن يكون المعادن أيضًا. فبلورات الملح تتشكل عند تبخر ماء البحر، وتتشكل بلورات معادن أخرى ذائبة في الماء عند تبخره، ومنها الجبس.
إضافة إلى ما سبق تتشكل المعادن بفعل عملية الترسيب؛ فالماء يمكنه حمل كميات محددة من المواد الذائبة فيه، وما يفيض عنها يبدأ في الترسب على شكل مادة صلبة.
ومن أمثلة المعادن التي تتشكل بطريقة الترسيب معدن المنجنيز؛ إذ تغطي رواسبه البلورية مساحات شاسعة من قيعان المحيطات متخذة أشكالًا كروية تسمى عقيدات المنجنيز، تصل أقطارها إلى 25 سم.
أدلة تشكل المعدن
في بعض الأحيان يمكنك الحكم على طريقة تكون المعدن من مظهره؛ فوجود بلورات معدنية كبيرة مرتبطة معًا يدل على أن الصخر تكون نتيجة صهارة بردت ببطء.
وللصهارة آثار أخرى؛ إذ تكسب المعدن أنماطًا. لذلك فإن المعدن قد توافر له حيز كافٍ لينمو داخله، كما يحدث عند تكونه في فجوة موجودة داخل الصخور مثلًا.
البلورات الظاهرة في الشكل 2 تشكلت من محلول مشبع بالمعادن الذائبة، ولمعرفة كيف يتشكل معدن ما يجب أن تلاحظ حجم البلورات وكيف تنتظم معًا.
الشكل 2
هذا التجمع من بلورات معدن الفلوريت تكون من محلول مشبع بمعادن ذائبة فيه.
الربط مع الأحياء: تركيب العظام
إن العظام الموجودة في أجسام المخلوقات الحية، ومنها الإنسان والحيوان، تحتوي على بلورات صغيرة من معدن يسمى الأباتيت.
ابحث عن معدن الأباتيت، وأخبر زملاءك بما توصلت إليه.
الشكل 3
معدن البيريت يتكون عادة من بلورات سداسية الأوجه.
فسر: لماذا يسمى هذا المعدن بالذهب الزائف؟
خصائص المعادن
إذا لمحنا عن بعد صديقًا بين حشد من الناس فقد لا نستطيع التأكد من شخصه إلا برؤية وجهه؛ أي من خلال معرفة سمات تميزه من الآخرين، ومنها لون الشعر وشكل العينين والفم.
والشيء نفسه يحدث مع المعادن؛ إذ لكل معدن خصائص تميزه من المعادن الأخرى. ومعظم المعادن الشائعة يمكن تعريفها من خلال مواد موجودة حولك، أو يمكنك حملها في جيبك، مثل قطعة نقد أو إبرة فولاذ. وبالتدريب يمكنك تمييز أشكال المعادن المختلفة.
الشكل البلوري
جميع المعادن تتركب من ذرات مرتبة بشكل منتظم ومتكرر. وتسمى المادة الصلبة التي تحتوي ذراتها بهذا الشكل بلورات.
وتحتوي البلورات أحيانًا سطوحًا ملساء تسمى السطوح البلورية. فمعدن البيريت يتشكل من بلورات سداسية الأوجه.
ماذا قرأت؟
ما الذي يميز البلورات عن الأنواع الأخرى من المواد الصلبة؟
الانفصام والمكسر
يمكن تعرف المعادن من الطريقة التي تنكسر بها. فالمعادن التي تنفصل لدى تكسيرها إلى قطع ذات سطح ناعم ومسطح، وتعاكس الضوء، يقال إن لها خاصية الانفصام.
يظهر الشكل 4 انفصامًا في معدن المايكا؛ حيث ينفصل إلى صفائح رقيقة، أو في ثلاثة اتجاهات متعامدة كما في معدن الهاليت.
ويحدث الانفصام بسبب وجود مناطق ضعف داخل ترتيب الذرات المكونة للمعادن. لا تظهر جميع المعادن خاصية الانفصام؛ فبعضها ينكسر ويتحول إلى قطع ذات سطوح خشنة، كما في معدن الكوارتز، ويقال إن لها مكسرًا.
الشكل 4
بعض المعادن لها انفصام في اتجاه أو أكثر. إذا لم ينكسر المعدن على طول سطح مسطح يكون له مكسر.
- أ: معدن يسمى المايكا له اتجاه انفصام واحد، ويتقشر إلى صفائح.
- ب: معدن الهاليت، الملح الصخري، له ثلاثة اتجاهات انفصام متعامدة.
- ج: المكسر يمكن أن يكون غير منتظم أو منحنيًا مثل الكوارتز.
استنتج
إذا لم يكن لنا مظهر حبيبات الملح الصخري، ما شكل مكعبات صغيرة؟
اللون
يشير اللون الذهبي المحمر في بعض قطع النقد الجديدة إلى احتوائها على النحاس. ويسمى المعدن الذي يعطي لون الذهب الأصفر اللامع الذهب.
أحيانًا يمكن أن تتعرف المعدن من لونه، ولكن قد يكون اللون خادعًا أيضًا. فمثلًا معدن البيريت له لون أصفر لامع مثل الذهب الحقيقي، مما يخدع المنقبين عن الذهب؛ لذلك يسمى ذهب المغفلين.
وأحيانًا يكون هناك معادن مختلفة لها اللون نفسه، وقد يظهر المعدن نفسه بألوان مختلفة، كما في معدن الكالسيت. انظر الشكل 5.
قال تعالى:
{وَمِنَ الْجِبَالِ جُدَدٌ بِيضٌ وَحُمْرٌ مُخْتَلِفٌ أَلْوَانُهَا وَغَرَابِيبُ سُودٌ}
سورة فاطر: 27
الشكل 5
يتشكل معدن الكالسيت بألوان مختلفة بسبب الشوائب.
المخدش واللمعان
المخدش هو الفتات الناعم الملون الذي ينتج عن حك المعدن بلوح الخدش، وهو قطعة خزف بيضاء سطحها خشن.
ومن العجيب أن لون المخدش ليس بالضرورة هو لون المعدن. والاعتماد على لون المخدش في تمييز المعادن أفضل من الاعتماد على لون المعدن نفسه.
هذه الخاصية مهمة جدًا للمنقبين عن الذهب؛ فلون مخدش معدن البيريت أخضر مسود أو بني مسود، بينما لون مخدش الذهب أصفر.
أما اللمعان فيصف كيفية انعكاس الضوء عن سطح المعدن. فإذا كان سطح المعدن يلمع كالفلزات قيل إن له لمعانًا فلزيًا، ويوصف اللمعان غير الفلزي بأنه لؤلؤي، أو زجاجي، أو باهت، أو ترابي.
الشكل
المخدش هو لون مسحوق المعدن. سجل المسميات له مخدش بني محمر.
وضح: كيف تحصل على مخدش معدن؟
القساوة
تتميز بعض المعادن، ومنها التلك، بأنها طرية يمكن خدشها بالظفر. ويُعد مقياس موهس للقساوة مقياسًا معياريًا مكونًا من عشرة معادن، طوره عام 1822م الجيولوجي السويسري موهس لتصنيف المعادن حسب قساوتها.
ويمكنك معرفة قساوة أي معدن بخدشه بمعدن آخر لمعرفة أيهما أقسى. فمعدن الفلوريت، وقساوته 4، سوف يخدش معدن الكالسيت، وقساوته 3. كما أن الأباتيت، وقساوته 5، يخدش الفلوريت، وقساوته 4.
ويُستخدم الكالسيت ومواد معروفة، منها قطعة نقد أو الزجاج، لتحديد القساوة. حاول معرفة ما يحدث عند خدش معدن الفلوريت بقطعة نقدية وقطعة زجاجية.
جدول 1: مقياس موهس
| المعدن | القساوة |
| -------- | -------------- |
| التلك | 1، الأقل قساوة |
| الجبس | 2 |
| الكالسيت | 3 |
| الفلوريت | 4 |
| الأباتيت | 5 |
| الفلسبار | 6 |
| الكوارتز | 7 |
| التوباز | 8 |
| الكورندم | 9 |
| الألماس | 10، الأقصى |
| المادة | القساوة |
| ----------- | ------- |
| الظفر | 2.5 |
| قطعة نقد | 3 |
| مسمار حديد | 4.5 |
| زجاج | 5.5 |
| مبرد فولاذي | 6.5 |
| لوح الخدش | 7 |
المعادن الشائعة
على الرغم من وجود أكثر من 4000 معدن في الطبيعة، فإن المعادن التي تتكون منها الصخور قليلة جدًا، وتسمى المعادن المكونة للصخور. والمعادن الأخرى نادرة، يستخدم بعضها باعتباره أحجارًا كريمة، وبعضها الآخر كخامات لفلزات ثمينة.
إن معظم المعادن المكونة للصخور هي معادن تتكون من عنصري السيليكون والأكسجين. فمعدن الكوارتز هو سيليكا نقية SiO₂، وأكثر من نصف المعادن في قشرة الأرض من نوع المعادن السيليكاتية.
ومن المجموعات الأخرى المهمة معادن الكربونات المكونة من الكربون والأكسجين، وهي تدخل في تركيب الحجر الجيري المستخدم في البناء.
وهناك معادن أخرى معروفة وتشكل ثلثي الأملاح المعدنية المتبخرة، ومن ذلك الجبس المتوافر بكثرة في مناطق عديدة، والملح الصخري المكون من معدن الهاليت.
ماذا قرأت؟
ما أهمية معدن الفلسبار السيليكاتي؟
العلوم عبر المواقع الإلكترونية: تحديد مواقع الأحجار الكريمة
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للبحث عن معلومات حول التوزيع الجغرافي لمناجم الأحجار الكريمة.
نشاط
اختر قارة، ولون خريطتها، ثم أعط ثلاثة أمثلة على أحجار كريمة تتوافر فيها، وحدد مواقع التعدين على الخريطة، واعرضها على زملائك.
إثراء
يمكنك الرجوع إلى المتصفح الوطني الافتراضي للاطلاع على: الثروة المعدنية.
تطبيق العلوم: ما مدى قساوة هذه المعادن؟
بعض المعادن، ومنها الألماس، قاسية، بينما بعض المعادن الأخرى، ومنها التلك، طرية. كيف يمكن تحديد قساوة المعادن؟
تحديد المشكلة
يبين الجدول التالي نتائج قياس القساوة لخمسة معادن، تم خدشها بكل من: الظفر، وقطعة نقد، وسكين، ومبرد فولاذي.
تدل العلامة ✓ على أن المعدن خدش باستخدام الأداة المذكورة، والعلامة × أنه لم يُخدش.
اختبار القساوة
| المعدن | ظفر | قطعة نقد | سكين | فولاذ |
| ------ | --- | -------- | ---- | ----- |
| زركون | × | × | ✓ | ✓ |
| تالك | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| ياقوت | × | × | × | × |
| جرافيت | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| زمرد | × | × | × | ✓ |
حل المشكلة
- هل يمكن ترتيب المعادن الخمسة، من الأكثر قساوة إلى الأقل قساوة، باستخدام البيانات المعطاة في الجدول؟ فسر إجابتك.
- أي الطرائق يمكنك استخدامها لتحديد المعدن الأكثر قساوة: الياقوت أم الزمرد؟
الأحجار الكريمة
يُعد الألماس المستخدم في صناعة الحلي الثمينة من أنفس الأحجار الكريمة. والحجر الكريم معدن نادر قابل للقص والصقل، له مظهر جميل يجعله جذابًا.
وحتى يُصنف من الأحجار الكريمة العالية الجودة يجب أن يكون المعدن نقيًا، خاليًا من الشقوق والعيوب، جميل اللمعان واللون. ولأن القليل من المعادن تحقق هذه الشروط فهي نادرة وثمينة.
الشكل 7
تزداد جمال الأحجار الكريمة بقصها وتلميعها. بلورة الياقوت في الشكل عينة معدنية، لكنها ما زالت تحتاج إلى القص والصقل حتى تصبح حجرًا كريمًا ثمينًا.
تكون الأحجار الكريمة
من أسباب ندرة الأحجار الكريمة أنها تتكون في ظروف خاصة. فالألماس مثلًا يتكون حين يتعرض عنصر الكربون إلى ضغوط مرتفعة أكبر من الضغوط الموجودة في قشرة الأرض.
ويعتقد العلماء أن الألماس يتكون في منطقة الستار، ثم يخرج إلى السطح بثوران بركاني؛ وهذا الثوران يرمي قطع الصهارة على الصعود من الستار إلى السطح بسرعة، حاملة معها قطع الألماس.
الخامات
يسمى المعدن خامًا إذا كان يحتوي ما يكفي من مادة مفيدة يمكن بيعها وتحقيق أرباح منها. ومعظم الفلزات التي يستخدمها الإنسان مصدرها الخامات.
فالحديد المستخدم في صناعة الفولاذ مثلًا هو من معدن الهيماتيت، والرصاص المستخدم في البطاريات من معدن الجالينا، والماغنسيوم المستخدم في الفيتامينات من معدن الدولوميت.
ويتم استخراج هذه الفلزات من الأرض بطريقة تسمى التعدين.
تجربة: تصنيف المعادن
الخطوات
- قرب مغناطيسًا من عينات من الكوارتز، والكالسيت، والهورنبلند، والمغنيتيت، وسجل أيها ينجذب إلى المغناطيس.
- ضع القليل من حمض الهيدروكلوريك المخفف على كل عينة باستخدام قطارة.
- اغسل العينات بالماء.
التحليل
- صف الطريقة التي يتفاعل بها كل معدن في الخطوتين 1 و2.
- سجل في جدول الخصائص الطبيعية الأخرى للمعادن الأربعة.
معالجة الخامات
بعد استخراج الخام يجب معالجته للحصول على المعدن أو العنصر المطلوب. فللحصول على النحاس مثلًا يُصهر الخام، ثم تتم تنقيته للتخلص من المعادن غير المرغوب فيها.
ويستخدم النحاس في صناعة أشياء كثيرة، من أهمها الألواح والتوصيلات الكهربائية في المنازل والسيارات، والكثير من الأجهزة الكهربائية والإلكترونية.
رؤية من 2030
التعدين: القيمة المتحققة من قطاع التعدين والاستفادة منها.
مراجعة الدرس
الخلاصة
ما المعدن؟
- العديد من المنتجات التي تصادفها كل يوم في حياتنا اليومية مصنوعة من معادن.
- تتشكل المعادن بطرائق مختلفة، منها تبلور الصهارة أو من المحاليل الغنية بالمواد الذائبة.
خصائص المعادن
- تعرف المعادن من خلال خواصها الفيزيائية.
- تظهر بعض المعادن خواص فيزيائية غير عادية، منها التفاعل مع الأحماض، والمغناطيسية، وغيرها.
المعادن الشائعة
- تشكل معادن قليلة من أكثر من 4000 معدن معروف النسبة العظمى من الصخور.
- الأحجار الكريمة معادن ثمينة تستخدم بوصفها قطعًا ثمينة في المجوهرات، وفي أشياء أخرى متنوعة.
اختبر نفسك
- وضح الفرق بين المعدن والصخر، واذكر أسماء خمسة معادن تدخل في تكوين الصخور.
- اكتب قائمة تتضمن خمس خواص تستخدم في تعرف المعادن.
- صف الظاهرة التي تدفع الألماس إلى سطح الأرض. أين يتكون الألماس في الأرض؟
- قارن: ما الفرق بين لون المعدن ومخدشه؟ اذكر مثالًا على ذلك.
- التفكير الناقد: هل توافق على السكن بالقرب من منجم ذهب يجري العمل فيه؟ فسر إجابتك.
تطبيق الرياضيات: استخدام النسب المئوية
أنتج بلد ما حوالي 3,240,000 طن من النحاس المكرر في عام 1996م، وفي عام 1997م أنتج 2,240,000 طن منه.
ما النسبة المئوية للزيادة في الإنتاج؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.