أنواع المعادن
تُعرف المعادن (بالإنجليزية: Minerals) بأنها مواد غير عضوية تتكون بصورة طبيعية في قشرة الأرض، والغلاف الجوي، وداخل الصخور التي تتعرض لمجموعة من العمليات الجيولوجية بفعل المياه الجوفية والسطحية. عادةً ما توجد المعادن في الطبيعة على هيئة خامات، وغالبًا ما تكون مرتبطة ببعضها البعض ومع عناصر أخرى.
من الناحية الكيميائية، تُعرّف المعادن بأنها مواد تتمتع بعدد من الخصائص، مثل الموصلية للكهرباء واللمعان. يمكن تحديد المعادن بسهولة من خلال موقعها في الجدول الدوري (بالإنجليزية: Periodic Table)، حيث تصنّف إلى معادن فلزية وغير فلزية بناءً على خصائصها.
المعادن الفلزية
تشمل المعادن الفلزية (بالإنجليزية: Metals) جميع العناصر التي تستطيع تكوين أيونات موجبة بفقدان الإلكترونات خلال التفاعلات الكيميائية، باستثناء عنصر الهيدروجين. تمتاز المعادن الفلزية بشحنة كهربائية موجبة وطاقة تأيين ضعيفة نسبيًا. توجد معظم المعادن الفلزية في حالة صلبة في الظروف الطبيعية العادية، باستثناء الزئبق الذي يكون في حالة سائلة. من أبرز خصائصها: البريق اللامع، والقوام الصلب، وإمكانية الرنين الصوتي، والموصلية العالية للحرارة والكهرباء. شيوع المعادن الفلزية في قشرة الأرض والمياه والغلاف الجوي، ومن أبرزها الألومنيوم، والحديد، والكالسيوم، والصوديوم، والمغنيسيوم، والمنغنيز.
المعادن غير الفلزية
تشير المعادن غير الفلزية أو اللافلزية (بالإنجليزية: Non-metals) إلى العناصر التي تكتسب الإلكترونات لتكوين أيونات سالبة أثناء التفاعلات الكيميائية. تمتاز هذه المعادن بشحنة كهربائية سالبة وطاقة تأين عالية. يمكن أن توجد في الطبيعة على هيئة غازات أو سوائل أو صلب. من خصائصها أنها تعتبر موصلات غير لامعة وقوامها هش، كما أن موصليتها للحرارة والكهرباء ضعيفة نسبيًا، باستثناء الجرافيت. تتواجد في الطبيعة، وجسم الإنسان، والنباتات، ومن الأمثلة عليها الكربون، والكبريت، والأكسجين، والنيتروجين.
يمكن القول بأن المعادن تتشكل بصورة طبيعية على هيئة خامات غير عضوية، وتُقسم إلى فلزات ولافلزات وفقًا لاختلاف خصائصها من حيث الموصلية الكهربائية، والحرارية، وشدة اللمعان، والصلابة، وغيرها.
خصائص المعادن
تُقسم خصائص المعادن إلى خصائص فيزيائية وكيميائية، كما يلي:
الخصائص الفيزيائية للمعادن
تتميز المعادن الفلزية بالعديد من الخصائص الفيزيائية (بالإنجليزية: Physical Properties)، ومنها:
- الحالة الفيزيائية: (بالإنجليزية: Physical State) تشير هذه الخاصية إلى الحالة التي تتواجد فيها المعادن عند درجة حرارة الغرفة، وغالبًا ما تكون الفلزات في حالة صلبة باستثناء الزئبق الذي يكون سائلاً باستمرار. بينما تتواجد بعض المعادن اللافلزية في حالة غازية كالأكسجين، أو في حالة صلبة مثل الكربون، باستثناء البروم الذي يتواجد في الحالة السائلة.
- اللمعان: (بالإنجليزية: Luster) تمتاز المعادن الفلزية بقدرتها على عكس الضوء بشكل جيد، وقابلية صقلها بسهولة، كما هو الحال في الذهب، والفضة، والنحاس، بينما تكون اللافلزات غير لامعة وغير قادرة على عكس الضوء.
- القابلية على التطويع: (بالإنجليزية: Malleability) تشير إلى قدرة المعادن على تحمل عمليات الطرق والسحق لتحويلها إلى صفائح رقيقة. على سبيل المثال، يمكن لقطعة صغيرة من الذهب أن تتحمل السحق لتصبح طبقة رقيقة تغطي مساحة كبيرة، بينما تعتبر المعادن اللافلزية غير قابلة لعمليات الطرق والسحب نظرًا لكونها هشة.
- الليونة: (بالإنجليزية: Ductility) تشير إلى قدرة المعادن على الإمساك بها وسحبها وتحويلها إلى أسلاك رفيعة. يمكن على سبيل المثال سحب 100 غرام من الفضة إلى سلك بطول يصل إلى 200 متر.
- الصلابة: (بالإنجليزية: Hardness) جميع أنواع المعادن قوية وذات صلابة باستثناء الصوديوم والبوتاسيوم، حيث يمكن تقطيعهما بسهولة نظرًا لكونهما معادن ناعمة.
- التوصيل: (بالإنجليزية: Conduction) تُعتبر المعادن الفلزية موصلات جيدة للحرارة والكهرباء بفضل وجود الإلكترونات الحرة. على سبيل المثال، النحاس والفضة يعدان من أفضل الموصلات بينما الرصاص، والزئبق، والحديد يعتبرون من الأسوأ. بينما تكون موصلية الحرارة والكهرباء في اللافلزات ضعيفة جداً.
- الكثافة: (بالإنجليزية: Density) جميع المعادن تتمتع بكثافة عالية وتكون ثقيلة جدًا. الإيريديوم والأوزميوم يعدان من أعلى المعادن كثافة بينما الليثيوم يعتبر من أقلها.
- نقاط الانصهار والغليان: (بالإنجليزية: Melting and Boiling Points) تمتاز المعادن الفلزية بارتفاع نقاط انصهارها وغليانها. يُعرف التنجستن بأنه يمتلك أعلى نقطة انصهار وغليان بين المعادن، بينما الزئبق له أدنى نقطة. نقاط انصهار وغليان المعادن اللافلزية عادة ما تكون منخفضة مقارنة بالمعادن الفلزية.
الخصائص الكيميائية للمعادن
تمتاز المعادن الفلزية بعدد من الخصائص الكيميائية (Chemical properties)، ومنها:
- التفاعل مع الماء: (بالإنجليزية: Reaction with water) تمتاز المعادن شديدة التفاعل بقدرتها على التفاعل مع الماء وإنتاج حرارة. على سبيل المثال، يُعتبر تفاعل الصوديوم مع الماء بوجود الأكسجين من التفاعلات القوية التي تنتج حرارة كبيرة، لذا يُخزن الصوديوم عادة في الكيروسين للحماية من الرطوبة.
- التفاعل مع الأحماض: (بالإنجليزية: Reaction with acids) ينتج عن تفاعل المعادن مع الأحماض مواد جديدة بالإضافة إلى غاز الهيدروجين؛ كالتفاعل بين الزنك وحمض الهيدروكلوريك الذي ينتج كلوريد الزنك وغاز الهيدروجين.
- التفاعل مع القواعد: (Reaction with bases) بعض المعادن تتفاعل مع القواعد لتشكيل أملاح معدنية وغاز الهيدروجين. على سبيل المثال، يُنتج التفاعل القوي بين الزنك وهيدروكسيد الصوديوم ملح زنك الصوديوم بالإضافة إلى غاز الهيدروجين.
- التفاعل مع الأكسجين: (بالإنجليزية: Reaction with oxygen) يتكون من احتراق المعادن الفلزية بوجود الأكسجين أكاسيد تُعرف بأكاسيد المعادن، وهي عناصر أساسية. على سبيل المثال، ينتج عن حرق شريط المغنيسيوم في وجود الأكسجين مركب أكسيد المغنيسيوم، الذي إذا ذاب في الماء ينتج هيدروكسيد المغنيسيوم.
- التفاعل مع المحاليل الملحية: (بالإنجليزية: Reaction with salt solution) يحدث تفاعل المعادن مع المحاليل الملحية عند وضع معدن شديد التفاعل مع معدن آخر أقل تفاعلاً في محلول ملحي، وينتج هذا عن إزاحة المعدن الأشد تفاعلاً. على سبيل المثال، يتفاعل الزنك مع محلول كبريتات النحاس وينتج محلول كبريتات الزنك والنحاس الصلب.
- الكهروسلبية: (بالإنجليزية: Electropositive) المعادن الفلزية تميل لفقد الإلكترونات خلال التفاعلات الكيميائية، بينما المعادن اللافلزية تسعى لاكتساب أو مشاركة الإلكترونات; عند تفاعلها مع الفلزات تكتسب الإلكترونات لتكوين أيونات.
- الروابط الأيونية: (بالإنجليزية: ionic bonds) ترتبط المعادن فيما بينها وبين اللافلزات عبر الروابط الأيونية، التي تُعد أحد أقوى الروابط الكيميائية، مما يجعل فصل ذرات المعادن صعبًا بسبب الترابط الداخلي القوي.
أبرز استخدامات المعادن
تُستخدم المعادن في مجالات متنوعة، من أبرزها:
- صناعة البناء: (بالإنجليزية: construction industry) تُستخدم سبائك المعادن الصلبة في البناء بفضل قوتها ومرونتها، ويستخدم النحاس نظرًا لقدرتهم على التحمل والليونة في التصميمات المعمارية مثل الأسطح والمزاريب.
- صناعة الإلكترونيات: (بالإنجليزية: electronics industry) تدخل المعادن في تصنيع الإلكترونيات نظرًا لأنها موصلات جيدة للحرارة والكهرباء، فمثلاً يُستخدم النحاس في صنع الأسلاك الكهربائية، ويدخل الذهب في تصنيع تقنيات الكمبيوتر.
- صناعة وسائل النقل: (بالإنجليزية: automobile industry) يُستخدم الألمنيوم في تصنيع الطائرات والسيارات والسفن والقطارات نظرًا لمقاومته العالية وخفة وزنه.
- صناعة المواد الغذائية: (food and drink industry) يتم استخدام الفولاذ في حفظ الأغذية لكونه مقاومًا للصدأ، كما أنه معدن خامد يتحمل عمليات التسخين والتجميد ومقاوم للأحماض في الأطعمة.
تعكس أنواع المعادن العديد من الخصائص الفيزيائية، بما في ذلك نقاط الانصهار، والغليان، والكثافة العالية، والموصلية الممتازة للحرارة والكهرباء وغيرها، كما تتمتع أيضًا بخصائص كيميائية مكنتها من التفاعل مع الأكسجين، والأحماض، والقواعد، والمحاليل الملحية. إن استخدامات المعادن تتواجد في جميع جوانب الحياة، وخصوصًا في القطاع الصناعي حيث تشمل صناعة المواد البنائية، والأجهزة الإلكترونية، ووسائل النقل، وأدوات حفظ وتخزين الأطعمة.
