يُعنى علم الفلزات mineralogy بدراسة الفلزات minerals الموجودة في القشرة الأرضية والمكوِّنَة لصخورها، من حيث صفاتها وتراكيبها وتصانيفها وبيئات تشكلها واستعمالاتها وأماكن وجودها. وقد وجد أن النيازك أيضاً مؤلفة من فلزات معروفة، كما تشير الدراسات الجيوفيزيائية إلى وجود مواد ذات طبيعة فلزية تحت القشرة الأرضية. وعلى هذا يمكن القول إن الفلزات تشكّل الجزء الصلب من الكون، فمعظم المعادن تُصادف في الطبيعة على هيئة أكاسيد أو هاليدات أو كبريتيدات أو ضروب الكربونات أو أملاح أخرى. وكثير من هذه التوضعات الفلزية الحاوية على المعدن ليس له قيمة تذكر لكون الفلز غير نقي أو أنه يصعب فصل المعدن النقي عن الشوائب. وإن بعض الفلزات، القليلة نسبياً التي يكون استحصال العنصر منها مُجْدٍ اقتصادياً، يطلق عليها اسم الخامات المعدنية ores. مثال ذلك هاليدات المعادن القلوية وهاليدات المعادن القلوية الترابية وأكاسيد الحديد.
ويعدُّ علم الفلزات واحداً من أهم العلوم الحديثة في الجيولوجيا، إلا أن ممارسة الإنسان لهذا العلم بدأت مع وجوده على الأرض ومحاولته تعرف محيطه الخارجي والبحث عن أنواع خاصة من الحجارة مناسبة لاستعمالاته اليومية ولصنع أدواته وسلاحه. فقد استخدم إنسان الكهوف أكاسيد الحديد والمنغنيز في رسومه الجدارية، كما عَرف المصريون القدامى عدداً من الفلزات التي تنوعت استخداماتها لديهم في التلوين والحلي واستحصال المعادن.
ويعود استحصال المعادن من فلزاتها إلى أكثر من 4000 سنة. فقد كتب عنها تيوفراستوس Theophrastus بين (372-287ق.م)، كما وصف الرومان، في القرن الأول الميلادي، عدداً من الفلزات التي تستخدم أصبغةً أو أحجاراً كريمة أو لاستحصال المعادن.
وقد تميّزت دراسات الفلزات علماً قائماً بذاته في كتابات أغريكولا Agricola، المنشورة في منتصف القرن السادس عشر. وبرزت أهمية دراسة الخصائص الهندسية المميزة لبلورات بعض الفلزات في دراسات نيكولاوس ستينو Nicolaus Steno عام 1669. واتخذت دراسة البلورات بعد ستينو أهمية كبيرة في تعرّف الفلزات، وخاصة خصائصها الضوئية، حيث بدأ استخدام المجهر الاستقطابي polarizing microscope عام 1870. وبذلك أصبحت لدى المشتغلين في الفلزات وسيلة قوية من أجل تعرفها وتحديدها.
أما أعظم فتح في تطور علم الفلزات فكان اكتشاف البنية الذرية للبلورات اعتماداً على خاصة انعراج الأشعة السينية X-ray diffraction في البنية البلورية، إذ تمكن العالم فون لاو[ر] Von Laue عام 1912 من تصوير النموذج الانعراجي لبلورة السفاتيريت sphaterite، والتوصل إلى تحديد الأماكن الحقيقية للذرات في هذه البلورة، الأمر الذي أصبح فيما بعد بمنزلة بصمات تدل على الهوية الحقيقية للفلزات.
علم الفلزات الكيمياوي
تعتمد الدراسات الكيمياوية للفلزات على مبادئ عامة، مرتبطة بتركيبها الكيميائي وعلاقته ببنيتها الذرية والإيونية[ر: الذرة]، وبقوى الترابط بين الذرات[ر: الرابطة الكيمياوية] وبنصف القطر الإيوني. فعندما تترابط الإيونات لتشكل بنية بلورية، فإن كلاً منها يترتب بوضع متناسق مع ما يجاوره من إيونات متباينة معه بالشحنة الكهربائية، على نحو تتجمع الأنيونات حول كاتيون مركزي وتتوزع في رؤوس موشور هندسي يمثل الشكل البلوري، ويدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell أو يمثل جزءاً هندسياً من بنيتها. ويكون عدد الإيونات الداخلة في تركيب بنية بلورية عادة ثابتاً ومتناسباً على نحو يحقق لها الاعتدال الكهربائي، وهذا ما يسمى مبدأ التناسق coordination principle
نماذج من أطواق التناسق
أ- تناسق ثلاثي ب - تناسق رباعي جـ - تناسق سداسي د - تناسق ثماني هـ - تناسق اثنا عشري
والمبـدأ الأساسي في نظام البنية البلورية هو أن مجموع قوى الشحنات التي تؤثر في أيون ينتظم فيها يجب أن تساوي تكافؤ هذا الإيون. ففي بلورة كلوريد الصوديوم NaCl يكون لكل كاتيون (شاردة موجبة) من الصوديوم شحنة موجبة مفردة التكافؤ تحيط به ستة أنيونات (شوارد سالبة) من الكلور أحادية التكافؤ، ويكون تكافؤ الكهرباء الساكنة للكلور 1/6، وبالمقابل يكون تكافؤ الكهرباء الساكنة للصوديوم 1/6، باعتبار أن شحنة أنيون الكلور موزعة على ستة كاتيونات من الصوديوم. وهنا تكون إيونات الصوديوم والكلور ذات تناسق سداسي الطوق. وبما أن الإيونات متماثلة في التناسق، فإن بلورة كلوريد الصوديوم يجب أن تحتوي عدداً متساوياً من الكلور والصوديوم في صيغتها الكيمياوية. وفي بلورة الفلوريت يكون كل أنيون من الفلور مطوقاً بأربعة كاتيونات من الكلسيوم التي تشغل رؤوس رباعي وجوه نظامي. وبالمقابل يكون كل كاتيون من الكلسيوم مطوقاً بثمانية أنيونات من الفلور. وهذا يتفق مع صيغة الفلوريت الكيمياوية CaF2 وبها تشغل كاتيونات الكلسيوم نصف المواقع الممكنة في البنية البلورية
تحليل الفلزات
يجري تحليل الفلزات المعدنية (أو الخامات المعدنية) بطرائق مختلفة، بغية تحديد هويتها أو تركيبها، أو تعرف بنيتها الذرية[ر. الفلزات (تحليل ـ)].
تصنيف الفلزات
تتطلب الدراسة النظامية للفلزات تصنيفها، بحيث تجمع الفلزات ذات الخصائص المشتركة بعضها مع بعض في مجموعات متمايزة. وفي المراحل المبكرة من تطور علم الفلزات حاول العلماء وضع مخططات تصنيفية، بعضها مبني على الخصائص الفيزيائية للفلزات، وبعضها الآخر مبني على خصائصها الكيمياوية. وقد وضع العالم السويدي برزيليوس Berzelius عام 1815 تصنيفاً للفلزات مبنياً على أساس كيمياوي، لازال مقبولاً ومعتمداً حتى الوقت الحالي. ويجمع هذا التصنيف الفلزات ذات الأنيونات المشتركة في صفوف رئيسة حسب ما يأتي:
1- العناصر الحرة .native elements
2- ضروب الكبريتيد (متضمنة أملاح السلفو) .sulfides
3- الأكاسيد oxides والهدروكسيدات .hydroxides
4- الهاليدات .halides
5- ضروب الكربونات carbonates وضروب النترات nitrates وضروب البورات borates وضروب اليودات iodates.
6- ضروب الكبريتات sulfates وضروب الكرومات chromates وضروب المولبدات molybdates وضروب التنغستات .tungstates
7- ضروب الفوسفات phosphates وضروب الأرسينات (أو الزرنيخات) arsenates وضروب الفانادات vanadates.
8- ضروب السيليكات .silicates
علم البلورات
تُبْنَى المادة الصلبة المبلورة[ر: البلورات (علم ـ)] بتكرار أجزاء دقيقة جداً، تتراصف بترتيب هندسي منتظم في اتجاهات الفراغ الثلاثة. ويتألف كل جزء دقيق من ترابط أقل عدد من الأيونات التي تؤلف التركيب الكيمياوي للبلورة، ويكون هذا الترابط في اتجاهات الفراغ الثلاثة ومشابهاً تماماً لشكل البلورة، وهو ما يدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell. أما شبكة التراصف الفراغية فتسمى الشبكة البلورية crystal lattice، وهي تختلف في الشكل ومقاييس الأضلاع بحسب المادة البلورية. وقد ميز العالم برافيه Bravais عام 1848 أربعة عشر شكلاً هندسياً للشبكات البلورية سميت شبكات بر
التناظر البلوري crystal symmetry: تبدي بلورات الفلزات حين تنمو حرة، نظاماً هندسياً في شكلها الخارجي وأوجهها الجانبية. ويلاحظ فيها تناظر في الرؤوس والأضلاع والزوايا والأوجه. وقد تمكن العلماء من تصنيف الأشكال البلورية في أنظمة موشورية سبعة، هي:
(1) النظام المكعبي cubic system
(2) النظام الرباعي tetragonal system
(3) النظام السداسي hexagonal system
(4) النظام المعيني المستقيم orthorhombic system
(5) النظام أحادي الميل orthoclinic system
(6) النظام المعيني rhombohedric system
(7) النظام ثلاثي الميل triclinic system
وتعرف ملاحظة التناظر لدى تحريك أو تدوير البلورات باسم عمليات التناظر symmetry operations، وهي تشمل التدوير حول المحور وانعكاس جزء من البلورة على سطحٍ مستوٍ مثل صورته في المرآة وتقابل تناظري بالنسبة إلى مركز البلورة.
أما محاور التبلور فهي خطوط مستقيمة وهمية تتقاطع في مركز البلورة وتكون بموازاة الأوجه المتقاطعة، ويرمز لها بالأحرف a وb وc باستثناء النظام السداسي الذي تكون له المحاور a1 وa2 وa3 وc. وتُدْرَس جميع البلورات وتُحدَّد أوجهها بحسب تقاطعها مع هذه المحاور أو موازاتها لها.
البنية البلورية :crystal structure يعدُّ اكتشاف انعراج الأشعة السينية في البلورات وتطبيقاته أهم حدث في تاريخ علم البلورات[ر: البلورات بالتصوير الشعاعي (دراسة)]. وقد مَكَّنَت من قياس المسافات بين المستويات الرئيسية داخل البلورات، كما مكنت من تحديد مواضع الذرات المترابطة فيها وتحديد أبعاد خلية الوحدة البلورية، ومن ثمَّ تحديد هوية كل فلز، وذلك بالاعتماد على قانون براغ Bragg law وهو nλ = 2d sin θ
باعتبار λ طول موجة الأشعة السينية، وd المسافة بين مستويين ذريين رئيسيين في البلورة، والمستوي الرئيسي في البلورة هو المستوي الذي يتضمن أكبر عدد من الدقائق المادية في البلورة سواء كانت أيونات، سالبة أم موجبة، ذرات أم جزيئات، وθ زاوية ورود الأشعة السينية، وn عدد صحيح يدل على رتبة الانعراج.
علم الفلزات الفيزيائي physical mineralogy
ترتبط الخصائص الفيزيائية للفلزات ارتباطاً وثيقاً بخصائصها الكيمياوية وببنيتها البلورية. وللخصائص الفيزيائية أهمية كبيرة في تعرف الفلزات وتحديدها، وفي الحالات التطبيقية وخاصة الصناعة، مثل الاستفادة من قساوة الماس والكورَندوم في الشحذ والصقل والقطع، والتطبيقات الإلكترونية الواسعة باستخدام المواد الفلزية المبلورة وأنصاف النواقل وشرائح الكوارتز واستقطاب الضوء وتوليد الليزر، واستخدام الخصائص المغنطيسية في فصل وتركيز خامات الحديد وغيرها. وفيما يأتي أهم هذه الخصائص:
1- الانفصام (التقسم أو الانفلاق) cleavage: تتصف بعض الفلزات بقابلية بلوراتها للانفصام بشكل صفائح وفق سطوح مستوية ملساء. ويعود ذلك إلى وجود سطوح بلورية ضعيفة داخل البنية البلورية، أو وجود فراغات في الشبكة البلورية.
2- التقسم (الفصل) parting: تميل بعض بلورات الفلزات إلى الانشطار وفق اتجاهات معينة.
3- المَكْسِر (الكَسْر أو الشدخ) fracture: وهو كسر في الفلز في غير مستوى الانفصام، وهو الشكل الخارجي لمكسر بعض الفلزات التي تخلو من خاصتي الانفصام والانشطار، ويمكن أن يوصف بأنه عظمي أو زجاجي أو محاري أو ليفي.
4- القساوة (الصلادة) hardness: تتمثل قساوة الفلزات في درجة مقاومتها للخدش، ويرمز لها بالحرف H، ولها علاقة وثيقة بالبنية الذرية للفلزات. فكلما كانت قوة ترابط ذراتها متينة كانت قساوتها أشد. ويبين الشكل (4) تمثيلاً جزيئياً للبنية الذرية للماس والبنية الذرية للغرافيت، ويتألف كلاهما من الكربون. فقساوة الغرافيت بين 1و2 بينما قساوة الماس 40. وتحدد قساوة الفلزات بمحاولة خدشها بفلزات ذات قساوات محددة. وقد اختير منها عشـرة فلزات مرتبة بحسب تزايد قساوتها لتكون سلماً للقساوة، ويعرف بسلم موس (مقياس موس) Mohs scale، وهي مرتبة بحسب الآتي:
1- التلك talc
2- الجص gypsum
3- الكلسيت calcite
4-الفلوريت fluorite
5- الأباتيت apatite
6- الأورتوكلاز orthoclase
7- الكوارتز quartz
8- التوباز topaz
9- الكورَندوم coraudum
10- الماس(الألماس[ر]) diamond
يمثل التلك أدنى درجات القساوة، وله بنية بلورية دقيقة صفائحية ضعيفة الترابط لدرجة أنه يترك أثراً في اليد، بينما يمثل الماس ذروة القساوة، ويتميز ببنية ذرية متينة الترابط، وهو يخدش جميع الأجسام.
ويفيد استخدام بعض الوسائل البسيطة في تعرف قساوة الفلزات. فقساوة ظفر اليد أعلى بقليل من الدرجة 2، وقساوة قطعة نقود من النحاس نحو 3، وقساوة طرف سكين أو موساً أعلى بقليل من الدرجة 5. كما أن قساوة زجاج النوافذ 5.5، وقساوة مبرد فولاذي نحو 6.5.
إن تدّرج سلم موس تدرج نسبي لا يتزايد نظامياً. وقد بينت الدراسات التفصيلية لقساوة الفلزات أن الفروق بين القساوة المطلقة لفلزات هذا السلم ليست متساوية، وأن الفرق بين قساوة الكورَندوم والماس أكبر بكثير من الفرق بين قساوة التوباز والكورَندوم
وبالمقارنة مع التدرج النسبي يكون للكورَندوم الدرجة 9 وللماس الدرجة 40 أو أعلى قليلاً.
- التماسك (تحمل المتانة) tenacity: وهو شدة مقاومة الفلز للتكسر أو السحق أو الانحناء أو اللي. ويمكن أن يوصف الفلز بأنه كَسُور brittle أو هش fragile أو مُطاوِع.
6- الكثافة density: أو الكتلة الحجمية للفلز، وتقاس بالغرام على السنتمتر المكعب. ويمكن أن يذكر في هذا المجال الوزن النوعي specific weight وهو نسبة وزن حجم من الفلز على وزن حجم مساو له من الماء.
7- البريق (الرمش اللمعاني أو البرقشة أو اللألأة) luster: ويُميز نوعان من البريق في الفلزات: بريق معدني metallic luster وبريق لا معدني non-metallic luster. إلا أن الوصف التفصيلي يتطرق إلى بريق تحت معدني submetallic luster وبريق ماساتي أو أدَمَنتي adamantine luster وبريق زجاجي vitrous luster وبريق دهني greasy luster.
8- اللون colour: تأخذ البلورات ألوانها من امتصاصها موجات معينة من الطيف الضوئي، وتصبح سوداء عندما تمتص جميع ألوان الطيف. وتعود الألوان في الفلزات إلى تراكيبها الكيمياوية، إلا أنها تُنْسَب أحياناً إلى وجود مواد ملونة بكميات ضئيلة فيها أو إلى تعرضها للإشعاع الطبيعي.
9- المَخْدِش: وهو لون مسحوق الفلز حين يخدش أو يطحن. وهو مختلف أحياناً عن لون الفلز، إلا أنه صفة ثابتة يعتمد عليها. مثال ذلك المخدش الأحمر لفلز الهيماتيت hematite. ويمكن ملاحظة لون المخدش عندما يحك الفلز أو يسحج على سطح جسم أكثر قساوة منه، وقد تستعمل لهذه الغاية صفيحة بيضاء من البورسلان الذي تبلغ قساوته نحو 7.
10- تلاعب الألوان play of colours: ويظهر على شكل تتابع سريع لألوان الطيف على السطوح الخارجية لبعض الفلزات حين يتغير وضعها تحت الضوء.
11- التقزّح أو التألق[ر] luminescence: وينجم عن الفلورة fluorescence التي تحصل في بعض الفلزات بعد تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، أو من الفسفرة phosphorescence وهي انبعاث الضوء من الفلز بعد تعرضه للإشعاع أو الضوء.
12- الأوبالية (التلألؤ أو البريق) opalescence: وهي انعكاسات زجاجية حليبية تحصل على مستويات تحت السطح الخارجي لبعض الفلزات.
13- الريائية أو الطَرْنَشة أو التكدر tarnish: وتتصف بها بعض الفلزات التي يتلّون سطحها الخارجي بلون يختلف عن لونها الحقيقي، كأن يتغير لونه بفعل التأكسد.
14- النجمية asterism: وهي انعكاسات ضوئية نجمية الشكل، تظهر في بعض الفلزات ذات التبلور السداسي عندما يُنْظَر إليها بموازاة محورها الشاقولي.
15- الانعكاس reflection والانكسار refraction: وهما خاصتا انعكاس الضوء على السطح الخارجي للفلز واختراقه عندما يكون الفلز منفذاً للضوء، وفي هذه الحالة تتغير سرعته وينكسر. وقرينة الانكسار في الفلزات المنفذة للضوء سمة مميزة لها. ومن المعروف أن للضوء اهتزازات موجية في جميع الاتجاهات العمودية على مساره، إلا أن هذه الاهتزازات الموجية يمكن أن تصبح في الأجسام البلورية في مستوٍ واحد، فيصبح الضوء مستقطباً polarized light. وتوجد حالات ثلاث يستقطب فيها الضوء في الفلزات، وهي:
(1) الانكسار المضاعف و(2) الامتصاص على السطح (الادمصاص) adsorption و(3) الانعكاس reflection. وقد استفيد من استقطاب الضوء في تصميم المجهر الاستقطابي ودراسة الفلزات وتحديدها تحت المجهر.
16- الانكسار المضاعف[ر] double refraction: يحصل الانكسار المضاعف في جميع الفلزات التي تسمح بلوراتها بمرور الضوء، باستثناء الفلزات متساوية الخواص والتي تتبلور بالنظام المكعبي. فالشعاع الذي يمر منها ينكسر إلى شعاعين بحسب قرينتي انكسار ويكونان متباعدين أحدهما عن الآخر. إلا أن زاوية التباعد تكون في معظم الفلزات صغيرة جداً لا يمكن ملاحظتها أو قياسها إلا باستخدام أجهزة ضوئية خاصة. وتتميز منها بلورات الكلسيت بانكسار مضاعف يظهر واضحاً في البلورات النقية الشفافة يتمثل بخيال مزدوج للأجسام التي ترى من خلالها
- المغنطيسية magnetism: وهي خاصية انجذاب بعض الفلزات بالمغنطيس، وتتميز بـها فلـزات الحـديد، وأهمها الهيماتيـت hematite والماغنيتيت magnetite، والأخير يمكن أن تكون له قوة جذب مغنطيسي طبيعية.
18- الكهربائية: تتميز بعض الفلزات بتولد شحنات كهربائية في بلوراتها حين يُضغط عليها بموازاة أحد محاورها البلورية. تسمى هذه بالخاصة الكهرإجهادية piezoelectric، وتتميز بها، خاصة، بلورات الكوارتز التي استخدمت في تطبيقات إلكترونية متعددة وواسعة. وفي الوقت الحاضر تصنع شرائح بلورية مماثلة للكوارتز تستخدم خاصة في صناعة الحواسيب وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة. وما يجدر ذكره هو أن بعض بلورات الفلزات تتميز بتولد شحنات كهربائية نتيجة تسخينها إلى درجات حرارة معينة، وتدعى الفلزات الكهرحرارية pyroelectric.
19- النشاط الإشعاعي radioactivity: ويرتبط بوجود مركبات غير مشعة مثل اليورانيوم والثوريوم في بعض الفلزات. ويمكن أيضاً أن يكون بوجود البوتاسيوم والربيديوم.
تحديد الفلزات
يتم تحديد الفلزات بملاحظة خصائصها الفيزيائية والكيمياوية ودراستها. وقد تكون عملية التحديد سهلة بسيطة بحسب خبرة الملاحِظ ودقته ومهارته. وقد يحتاج الأمر في كثير من الأحيان إلى عناية خاصة وإجراء اختبارات بسيطة في الحقل أو المختبر، أو قد يتطلب الأمر إجراء دراسات مجهرية وتحاليل كيمياوية أو فلزية أكثر تعقيداً. وقد وضع المشتغلون في هذا المضمار خططاً متعددة تتضمن جداول يستعان بها في عمليات التحديد. ومهما كانت طبيعة هذه الخطط وفائدة أسلوبها، فإن الخبرة والمهارة تساعدان كثيراً على اختصار الخطوات اللازمة للتحديد. وهنا لابد من الإشارة إلى أهمية ملاحظة الخصائص الفيزيائية والكيمياوية واختبارها في تعرف الفلزات وتحديدها. ويعدُّ المجهر الاستقطابي أهم وسيلة تقنية في تحديد الخصائص الضوئية النوعية للفلزات، وبوساطته يمكن الحصول على معلومات دقيقة ومتعددة عنها.
ويمكن أن تطبق اختبارات كيمياوية بسيطة في الحقل أو المختبر للكشف الكيفي عن وجود عنصر أو أكثر في تركيب الفلز. وهي تشمل اختبارات الانصهار وتلون اللهب والإرجاع على مكعب الفحم والأنبوب المفتوح والأنبوب المغلق وتلوين لؤلؤة البوراكس والانحلال بحمض كلور الماء. وتتطلب الدراسات الفلزية التفصيلية، وخاصة معرفة التركيب الكيمياوي والخصائص الصناعية، إجراء تحاليل كيمياوية تقليدية تهدف إلى تحديد النسب الكمية للعناصر أو الأكاسيد الداخلة في تركيب الفلزات، أو إجراء تحاليل طيفية spectroscopic analysis المبنية على مبدأ تألق العناصر بحرارة اللهب أو القوس الكهربائي وإصدار ذراتها أمواجاً ضوئية، يمكن أن تُلاحَظ مباشرة أو تسجَّل على صفائح تصوير.
وهناك التحليل التفاضلي الحراري differential thermal analysis الذي يُستخدم فيه جزء قليل من مادة الفلز، ويسخَّن تدريجياً؛ ليُلاحظ ما يحدث فيه من تفاعلات ناشرة للحرارة أو ماصة لها في درجات حرارة معينة لكل نوع فلزي. وفي هذا المجال يأتي التحليل بانعراج الأشعة السينية X-ray diffraction analysis وهو أهم تقانة تحليلية تستخدم في الدراسات الفلزية، وبها يمكن تحديد هوية أي مركب فلزي مبلور عبر تحديد المسافات بين السطوح البلورية في بنيته الذرية وتحديد شكل خلية الوحدة البلورية ومقاييسها ووضعية الذرات فيها
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث