المعادن في الصناعة والتجارة Minerals in industry and trade

يرجع استغلال الثروات المعدنية إلى آلاف من السنين مضت. ومنذ ذلك الزمن البعيد و المعادن تساهم بنصيب وافر في بناء حضارة الإنسان.

العصر الحجري القديم

في العصر الحجري القديم إستغل الإنسان الأول مواد غير فلزية هي الصوان و الكوارتز (المرو) وأحجار صلدة أخرى رخوة، وذلك لعمل أسلحته وأدواته وفي أغراض النقش.

ولقد استعمل الطين إلى درجة كبيرة في أول الأمر في صناعة الفخار ، ثم تلى ذلك استخدامه في صناعة الطوب.

ومما لا شك فيه أن صناعة الطوب تعتبر أو صناعة معدنية قام بها الإنسان القديم، ولقد ظلت هذه الصناعة باقية على نظام واسع حتى وقتنا هذا.

لقد تم اكتشاف أدوات فخارية يرجع تاريخها إلى أكثر من عشرة آلاف سنة وتمتد إلى ثلاثين سنة قبل الميلاد، لقد استعمل البابليون والمصريون القدماء ألواح الطين والطوب بكميات كبيرة في بناء مدنهم، وفي الري ، وفي مواد الكتابة ، وبعد ذلك استخدمت أحجار البناء على نطاق كبير.

ويعتبر بناء الأهرامات (2960 – 2925 ق.م) أكبر شاهد إثبات على هذه الصناعة المعدنية الضخمة التي قامت في تلك الأزمنة السحيقة.

يدل ذلك أن الهرم الأكبر يضم مليونين وثلاثمائة ألف قطعة مكعبة الشكل تقريبا من الحجر الجيري، تزن الواحدة منها 2.5 طن في المتوسط.

ولقد استخدم الإنسان في العصر الحجري القديم في الفترة التي سبقت 7000سنة قبل الميلاد ثلاثة عشر نوعا من المواد المعدنية نذكر منها الكوارتز بأنواعه و البيريت و الكالسيت و الكهرمان و التلك.

وذلك بالإضافة إلى البويات المعدنية والفلزات المختلفة .

العصر الحجري الحديث

أما في العصر الحجري الحديث فقد تعرف الإنسان على الذهب و النحاس و الفيروز وغيرها من المعادن.

ولقد وصلت صناعة الأحجار الكريمة واستخراجها عند قدماء المصرييين والبابليين والأشورييين والهنود درجة عالية.

وترجع الرغبة في اقتناء الأحجار الكريمة إلى الإعجاب بألوانها وروعتها التي تأخذ النفوس وألوانها الجذابة، فاستخدموا الفيروز (ذول اللون الأزرق المشوب بخضرة جميلة) ، الأميشت (ذو اللون البنفسجي) ، و الزمرد (ذو اللون الأخضر) ، و الملاكيت ، و الكارنيليان (الأحمر) و الأجيت و الكالسيدوني و الجارنت.

ولقد كان القدماء يصنعون لهذه الأحجار أوجها مصقولة. أو يشكلونها على هيئة كرات أو أشكال بيضاوية، استخدموها في عقودهم وحليهم، ويبدو أنه كان هناك في تلك الأزمنة الغابرة نوع أو آخر من التبادل التجاري بين الدول، إذ يحتمل أن يكون قدماء المصريين قد حصلوا على اللابيز (والذي لا يوجد في مصر) من أفغانستان التي تبعد – 3700 كيلو مترا عن مصر.

إن أقدم مناجم استغلت في مصر كانت منذ حوالي 2000 ق.م.

حين أرسل الفراعنة البعثان المكونة من المهندين والمستكشفين إلى شبه جزيرة سيناء حيث استغلوا معدن الفيروز ومعادن النحاس حيث يوجد بقايا أقدم فرن لصهر النحاس في العالم.

كانت طريقة صهر النحاس بدائية نسبيا. فقد كانت تخلط قطع الملاكيت (كربونات النحاس المائية) بالأخشاب أو بالفحم النباتي وتوضع في حفرة قليلة العمق، ويحرق هذا الخليط بمساعدة أنابيب نفخ الهواء (البوري).

ولقد كانت الآلات النحاسية التي صنعت من هذا النحاس الفضل في تطور آلات استخراج المعادن وفي دقة صناعة الأواني الحجرية.

ذهب القدماء أيضا إلى الصحراء الشرقية حيث حفروا الأرض بمئات الثقوب والأنفاق بحثا عن الزمرد.

ويقال أن هذه الانشائات المنجمية وصلت إلى عمق يقرب من 300 مترا، وبلغت من الاتساع بحيث تسمع لأربعمائة رجل بالعمل فيها دفعة واحدة.

ويعتقد أن الذهب استعمل قبل النحاس.

ولقد استخدم قدماء المصريين رحى يدوية مصنوعة من صخ رالديوريت الصلد لطحن صخور الكوارتز الحاوية على الذهب.

ثم إستخلصوا الذهب بغسل الطحين في أواني مليئة بالماء فيرسب فتات الذهب (لثقله) إلى القاع وتبقى المواد الترابية عالقة في الماء بعض الوقت.

إزدادت معرفة الإنسان بالمعادن و الصخور واستخدامه لها على مر السنين، وأمكن إستخلاص الفلزات منها. وإنتقل الإنسان من عصر النحاس و البرونز إلى عصر الحديد و الفحم و البترول وحاليا عصر اليورانيوم (الانشطار النووي) ثم عصر السليكون (أمثال المواصلات وصناعة الآلات الحاسبة.)

وقديما كانت المعادن الثمينة والأحجار الكريمة تحتل مكان الصدارة، ولكن منذ اختراع الإنسان للآلات، انتقلت أهمية المعادن إلى معادن الحديد و النحاس و الرصاص و الزنك والماس (النوع المستخدم في الصناعة ) و اليورانيوم و السليكون.

ولقد بلغ من اعتماد مدنية الإنسان على المعادن ما تشير به الإحصائيات من تضاعف إنتاج المعادن في النصف الأول من القرن الحالي (العشرين) عن كل ما أنتج من معادن قبل ذلك ثم تضاعف الإنتاج مرة أخرى في السنوات الخمس وعشرين الأخيرة (الربع الثالث من القرن العشرين).

ومن هذا نرى الأهمية القصوى للمعادن في بناء مدنية الإنسان ودعم اقتصادياته. اننا نلاحظ أن جميع المواد غير العضوية التي تتداول في التجارة إما أن تكون معادن أو موادا أصلها معادن.

تعريف المعادن

المعدِن (يسمى في بعض الدول العربية بالفلز) مركب صلب، يتكون طبيعياً من خلال عمليات جيولوجية. ولا تعود الكلمة على المركب الكيميائي فقط، ولكن على البناء المعدني أيضاً. تتغاير المعادن في التركيب من عناصر نقية وأملاح بسيطة، إلى سليكات غاية في التعقيد بآلاف التكوينات المعروفة. والعلم الذي يدرس المعادن يسمي علم المعادن، وقد صنف كارولوس لينيوس (1707–1778) المعادن على أنها مملكة في العالم الطبيعي بالإضافة إلى الحيوانات، النباتات. معدن أو عدة معادن تبني سويةً الصخر.

والمعادن مواد صلبة متجانسة غير عضوية، تحدث طبيعياً، ولها بناء بلوري محدد وتركيب كيميائي معين. وفي عام 1995 وضعت منظمة المعادن العالمية تعريفاً آخر يقول أن “المعدن هو عبارة عن عنصر أو مركب كيميائي كريستالي بطبيعته متكون كناتج عمليات جيولوجية”.

طالمعادن لها خواصها الفيزيائية المحددة التي تعد ثابتة لكل معدن.

وتعرف المعادن ايضا هي مواد تتكون في الطبيعة نتيجة بعض العمليات الجيولوجية، وتمتلكُ بناءً بلورياً وتركيباً كيميائياً خاصاً، وتُعتبر مواداً صلبة متجانسة غير عضوية، وتصنف المعادن حسب التركيب الكيميائي إلى معادن عنصرية، وكبريتيدات، وأكاسيد، وهاليدات، وفوسفات، وكربونات، وكبريتات، وسيلكات.

كيف تتكوّن المعادن النشاط الناري: تتمّ عملية التبلور فيه من خلال السائل الانصهاري، حيثُ تبدأ المعادن بالتشكل بعد تبريد هذا السائل، أو من خلال التبلور من المحاليل الحارّة.

عمليات الترسيب: يتمّ التبلور فيها من خلال ترسيب المركبات الملحية لمياه البحار والمحيطات، ويتمّ هذا الترسيب نتيجة تبخرِ الماء، وقد تكون على شكل خامات معدنية رسوبية.

عمليات التحوّل: قد تتكون المعادن نتيجة تعرضها لتأثير عوامل مختلفة وهي الحرارة والضغط وبخار الماء والتفاعلات الكيماوية للمحاليل، ومن الأمثلة على المعادن التي تتكوّن نتيجة عوامل التحويل الجرافيت الذي يتكوّن من الفحم.

الخصائص العامّة للمعدن تتكوّن في الطبيعة تلقائياً، من دونِ أيِّ تدخّلٍ من الإنسان.

الصلابة أو القساوة وهي تعبّر عن قدرة المعدن على خدش معدن أخر أم لا.

مواد نقية لها مكونات كيميائية محددة ولها شكل بلوري حيث إنَّ ذراتهُ مرتبة في الأبعاد الثلاثية بشكلٍ هندسيٍ منتظم ومتكرّر.

تتمّيز بعض المعادن بامتلاكها ألواناً مميزة.

الخصائص الفيزيائية للمعادن مظهر البلورة:

هو شكل البلورة الخارجي والذي بدورهِ يقوم بعكسِ الترتيب الداخلي للذرات المكوّنة لها.

اللون: يمكن تمييز عدد محدّد من المعادن التي تمتلك ألوان مميزة مثل الأخضر أو الأصفر، ونراه بالعين المجردة على السطح الخارجي للمعدن.

الحكاكة: بعد القيام بحكّ المعدن بواسطة لوح الحكاكة ينتج مسحوق معين بلون معين، وتُعبر الحكاكة عن لون مسحوق المعدن بعد عملية الحك، ويستخدم لتمييز المعادن المتشابهة في اللون.

القساوة: وهي خاصيّة تُعبر عن مقاومة المعدن للخدش ويمكن تحديدها من خلال استخدام معدن معلوم القساوة وخدشه به.

اللمعان: ويعبر عن مدى لمعان سطح المعدن من خلال شدة الضوء المنعكس من سطحه، ويكون إمّا لمعان فلزي، أو لمعان شبه فلزي، أو لمعان لا فلزي. الشفافية: وتعبر عن قدرة المعدن على تمرير الضوء من خلاله، وتقسم المعادن بناءً على ذلك إلى معدن مُعتم ومعدن شبه شفاف ومعدن شفاف.

الوزن النوعي: ويعبر هذا المصلح عن كثافة المعدن بالنسبة لكثافة الماء.

الانفصام: هو قابلية المعدن للتشقق، ويحدث هذا التشقق على الأسطح ذات الروابط الكيميائية الضعيفة، وغالباً ما تتم عملية الانفصام للمعادن في عدد من مستويات الانفصام.

الخواص الطبيعية للمعادن

خواص بصرية

اللون: ثابتة اللون – متغيرة اللون. فعالية المعدن لعكس أو امتصاص الضوء الأبيض. تعد هذه الخاصية من أضعف المعايير المستخدمة لتحديد المعدن بسبب تأثر اللون بالملوثات، إزعاجات في بريق البلورة أو سماكة العينة حيث تكون العينة الرقيقة أفتح. على سبيل المثال يمكن للمرو والكالسيت أن يأتيا بالألوان أخضر، أصفر، أحمر، بني، أزرق، أبيض وصافٍ. الكبريت يأتي دائماً بلون أصفر والبيريت يأتي بلون النحاس الأصفر.
الخدش: لون مسحوق المعدن
الشفافية: شبه شفافة، أو معتمة
بريق: قدرة المعدن على عكس الأشعة الضوئية الساقطة عليه.
- بريق فلزي: الذهب
- بريق لافلزي: ماسي، زجاجي (الكوارتز)، صمغي (كبريت)، لؤلؤي (التلك)، حريري (الأسبستوس، الجبس)، ترابي (بوكسيت).

خواص تماسكية

البناء الكريستالي:

يتبلور المعدن بحسب نظام بنائي خاص. عندما يمتلك المعدن القدرة على أن يُبنى ببطء شديد يمكن لبُنيته أن تُرى بالعين المجردة. هناك سبعة أنظمة بلورية: نظام بلوري ثلاثي الميل، نظام بلوري أحادي الميل، نظام بلوري معيني قائم، نظام بلوري سداسي، نظام بلوري ثلاثي، نظام بلوري رباعي ونظام بلوري مكعب، معدودة بتزايد التناظر.

قابلية الشطر:

وهي نزعة المعدن للقطع على طول سطح أو زوايا خاصة بسبب الضعف في البناء الكريستالي. يمكن أن تكون رؤية شطر عند بعض عينات المعادن صعبة جداً، على الرغم من أنه ينبغي على المعدن أن يظهره. وبالتالي يمكن استخدام قابلية الشطر عند العينة من أجل استثناء المعادن التي تفتقد قابلية الشطر. من السهل خلط مفهومي قابلية الشطر مع البناء الكريستالي. تمتلك بعض المعادن الخاصيتين، مثل الهاليت، الكالسيت والفلوريت. هناك معادن تمتلك فقط خاصية قابلية الشطر مثل الميكا، ومعادن أخرى تمتلك فقط خاصية البناء البلوري مثل المرو. تُقطع المعادن بخاصية قابلية الشطر دائماً بنفس الزوايا، أما المعادن ذات البناء البلوري تقطع باتجاهات غير منتظمة.

الصلادة: هي المقاومة التي يبديها المعدن للخدش، وتتبع مقياس موهو للصلابة: تالك، جص، كالسيت، فلوريت، أباتيت، فلدسبار، كوارتز، توباز، كوروند، ألماس.
الانخلاع (التشقق): قابلية المعدن للانخلاع عند مستويات منتظمة (مستويات الانخلاع) ومتوازية عند طرقها طرقا خفيفا، وتقسم إلى انخلاع واضح- في اتجاه أو أكثر- وانخلاع غير واضح.
الانفصال: تفتت أو تكسر المعدن نتيجة عوامل خارجية
سطح الكسر: شكل سطح المعدن عند كسره صناعيا في اتجاهات غير تلك التي ينفصم عندها. يمكن لسطح الكسر أن يستخدم من أجل تحديد المعادن التي تفتقد أو تمتلك قابلية شطر ضعيفة. سطح الكسر يمكن أن يكون بشكل بلح البحر (سطح كسر منحنٍ دائماً)، بشكل تحطّم، بشكل خيطي أو بشكل أملس.
الطروقية وقابلية السحب: إمكانية تشكيل المعدن.
الوزن النوعي.
الخواص الحسية: الرائحة، المذاق، الملمس.

خواص أخرى

الإشعاع الذري
المغناطيسية
الكهربائية
درجة حرارة الانصهار

التصنيف الكيميائي للمعادن

السيليكات: العائلات السيليكاتية: مايكا: مسكوفيت، بيوتيت، فلسبارات: ارثوكليز، بلاجيوكيز، امفيبول، بايروكسين، اوليفين، كوارتز.
الكربونات: كالسيت، دولوميت، ملاكيت.
فوسفات: اباتيت.
الاكاسيد: هيماتيت، ماغنيتيت.
الكبريتيدات: غالينا، بيريت.
الكبريتات: الجبس والباريت وانهيدريت.
الهاليدات: هاليت، فلوريت.
المعادن الاحادية: ذهب، فضه، كبريت، غرافيت، ماس.

نشأة المعادن

تتكون المعادن في الطبيعة نتيجة للعمليات التالية:

النشاط الناري
التبلور من السائل الصهاري
التبلور من المحاليل الحارة
عمليات الترسيب
التبلور من المركبات الملحية لمياه البحار والمحيطات
تكون بعض المعادن في صورة خامات معدنية رسوبية لمنشأة
عمليات التحول
تكون معادن جديدة بتأثير عوامل التحول مثل الجرافيت(من الفحم)
التكون بتركيز الغازات قرب فوهات البراكين

علم المعادن
علم موادة طبيعية صلبة وغير عضوية، لها مكونات كيميائية معينة، وبناء بلوري محدد و
علم المعادن هو موضوع الجيولوجيا المتخصصة في الدراسة العلمية للتركيب الكيميائى والتركيب البلوري والخصائص الفيزيائية (بما في ذلك البصرية) للمعادن والتحف المعدنية. تشمل دراسات محددة في علم المعادن عمليات منشأ المعادن وتشكيلها وتصنيفها، وتوزيعها الجغرافي، وكذلك استخدامها.

العلم يعنى بموادة طبيعية صلبة وغير عضوية، لها مكونات كيميائية معينة، وبناء بلوري محدد، وغالبا ما يمثل البناء الداخلي المنتظم شكل البلورة نفسها. للمعدن مثل:

الصلابة
الوزن النوعي أو الكثافة
الانفصال
اللون
لون المخدش
البريق
الشفافية

وتوجد المادة الكيميائية على صورة بلورة أو أكثر، يختلف كل منها تمام الاختلاف عن الآخر؛ فمثلاً يوجد الكربون في الطبيعة على صورة بلّورات الألماس وهو أصلب البلّورات المعروفة كما يوجد على صورة بلّورة الجرافيت وهو أقل البلّورات صلابة. وقد تمكن العلماء حتى الآن من وصف أكثر من ألفي معدن مختلف إلا أن جميع المعادن الشائعة التي تدخل في تركيب الصخور وكذلك المعادن الاقتصادية لا تتجاوز مئتي معدن فقط.

التصنيف الكيميائي للمعادن

يوجد المعدن على شكل مركب فيزيائي يمكن بواسطة التحليل الكيميائي تعيين العناصر المكونة له. كما يمكن أيضا معرفة صيغته الكيميائية وتوجد عدة طرق لتصنيف المعادن، بيد أن التصنيف الكيميائي يعد من أبسط وأشمل الطرق لتقسيم المعادن وأهمها، وهو التصنيف المتبع في معظم الجامعات ومتاحف الجيلوجيا وصناعات التعدين في الوقت الحاضر.

وتقسم المعادن من حيث تركيبها الكيميائي إلى عدة مجموعات كما يلي:

مجموعة المعادن العنصرية: مثل الذهب والماس والكبريت.
مجموعة الكبريتيدات: وهي الأملاح المعدنية التي يتحد فيها الكبريت مع العناصر الأخرى، مثل الجاليناوالبايرايت
مجموعة الأكاسيد: وهي الأملاح المعدنية الناتجة عن اتحاد الأكسجين بالعناصر الأخرى، مثل الكوارتز والهيماتايت والليمونايت.
مجموعة الهاليدات: وهي الأملاح المعدنية التي تتحد عناصرها مع عناصر الهالوجين فلور، كلور، بروم، يود) مثل معدن الهالايت والفلورايت.
مجموعة الفوسفات: وهي الأملاح المعدنية التي تتحد عناصرها مع مجموعة الفوسفات مثل معدن الأباتايت.
مجموعة الكربونات: وهي الأملاح المعدنية التي تتحد عناصرها مع مجموعة الكربونات مثل الكالسايت والدولومايت.
مجموعة الكبريتات: وهي الأملاح المعدنية التي تتحد عناصرها مع مجموعة الكبريتات مثل الانهيدرايت والجبس.
مجموعة السيليكات: وهي الأملاح المعدنية التي تتكون نتيجة اتحاد مجموعة السيليكا مع عنصر أو أكثر. وتعد السيليكات من أكبر مجموعات الأملاح المعدنية.