علوم الأرض

 

تصنيف المعادن Minerals Classification
عُرفت آلاف المعادن، ويُكتشف كثير منها في كل عام. ومع ذلك فإن المعادن الشائعة التي تدخل في تركيب أغلب صخور القشرة الأرضية عددها قليل نسبيًّا. ويصنف العلماء المعادن المختلفة إلى مجموعاتٍ رئيسةٍ هي: السيليكات، والكربونات، والأكاسيد، والكبريتات، والكبريتيدات، والهاليدات، والفوسفات، والمعادن أحادية العنصر.

السيليكات Silicates
تُشكل مجموعة السيليكات أكثر من % 90 من معادن القشرة الأرضية. وتحتوي المعادن السيليكاتية جميعها على عنصري الأكسجين والسيليكون، بالإضافة إلى احتواء أغلبها على عنصر أو أكثر من العناصر الشائعة الأخرى مثل: الألمنيوم والحديد، وينتج عن ذلك المئات من المعادن السيليكاتية. وتتكون معادن مجموعة السيليكات Silicate من أربع ذرات من الأكسجين مرتبطة بذرة مركزية من السيليكون بروابط تساهمية (^-4 SiO₄) مشكلة شكلا هندسيًّا هرمي يُسمّى سيليكا رباعية الأوجه (هرم السيليكا Silica Tetrahedron) ، أنظر الشكل الآتي: 

سؤال الشكل (19): أحدد: ما عدد ذرات الأكسجين والسيليكون في هرم السيليكا؟

عدد ذرات الأكسجين: 4 ذرات

عدد ذرات السيليكون: 1 ذرة

تقسم المعادن السيليكاتية إلى مجموعات مختلفة؛ بناء على الطريقة التي تترتب فيها السيليكا رباعية الأوجه؛ فقد تتكون هذه المعادن من:

- سيليكا رباعية الأوجه مفردة (أحادية) مثل معدن الأوليفين.

- أو مزدوجة، مثل معدن الإيبيدوت.

- وقد تترابط أكثر من سيليكا رباعية الأوجه معًا على شكل سلسلة منفردة مثل معادن البيروكسين.

- أو قد تترابط على شكل سلسلة مزدوجة مثل معادن الأمفيبول.

- أو قد تترابط أهرام السيليكا على شكل صفائح مثل معادن المايكا.

- وقد تترابط السيليكا رباعية الأوجه على شكل مجسم ثلاثي الأبعاد مثل معدن الكوارتز، أنظر الشكل الآتي: 

ويمثل الجدول الآتي أنواعَ العائلات السيليكاتية، وبعض المعادن التابعة لها. اعتمادًا على ترتيب السيليكا رباعية الأوجه وترابطها.

 

التجربة 3: السيليكا رباعية الأوجه (هرم السيليكا) تتكوّن المعادن السيليكاتية من أربع ذرات من الأكسجين مرتبطة بذرة من السيليكون مشكلة  (-4 SiO4 )، وتتنوع المعادن السيليكاتية؛ اعتمادًا على ترتيب أهرام السيليكا وترابطها، فكيف تترتب وتترابط أهرام السيليكا؟ وما الأشكال التي يمكن أن تتكون؟ المواد والأدوات: قطعة من الكرتون، مقص، أقلام. إرشادات السلامة: - الحذر عند استخدام المقص. خطوات العمل: 1. أرسم على قطعة الكرتون مثلثات متساوية الأضلاع كما في الشكل المرفق؛ بحيث يكون طول الضلع $15 cm$. 2. أقص حول الشكل الخارجي (الخطوط المتصلة والخطوط المتقطعة). 3. أطوي على امتداد الخطوط المتصلة؛ لتشكيل هرم السيليكا، ثم أثني الخطوط المتقطعة (الأطراف)، وألصقها باستخدام اللاصق. 4. أرسم ذرات عنصر الأكسجين على هرم السيليكا في موقع الزاوية المجسمة. 5. أكرر الخطوات ( 1- 4) مشكلا عددًا من أهرام السيليكا. 6. مستعينًا بالجدول (3) في كتاب الطالب؛ أُشكل من أهرام السيليكا أشكالا مختلفة منها السلسلة المنفردة. التحليل والاستنتاج: 1. أحدد موقع عنصر السيليكون في هرم السيليكا. في منتصف الهرم. 2. أستنتج النسبة بين عدد ذرات الأكسجين والسيليكون عند ربط هرمين مع بعضهما ليكونا أهرام السيليكا المزدوجة. الأكسجين (7): السليكا (2) 3. أقارن بين نسبة عدد ذرات الأكسجين والسيليكون في الهرم المفرد والهرم المزدوج. في الهرم المفرد: الأكسجين (4): السليكا (1) في الهرم المزدوج: الأكسجين (7): السليكا (2) 4. أستنتج نسبة عدد ذرات الأكسجين والسيليكون في سلسلة منفردة مكونة من ثلاثة أهرامات من السيليكا. الأكسجين (3): السليكا (1)

الكربونات Carbonates
تعد مجموعة الكربونات ثاني أكثر مجموعات المعادن شيوعًا بعد مجموعة السيليكات. وتحتوي معادن مجموعة الكربونات في تركيبها الكيميائي على أيون الكربونات ( ^-2 CO₃) سالب الشحنة متحدًا مع أيون أو أكثر موجب الشحنة مثل (⁺Ca²⁺، Fe³⁺، Mg²)، يُعد معدن الكالسيت (CaCO₃)  أكثر معادن الكربونات شيوعًا، وهو المكون الرئيس للصخور الجيرية، أنظر الشكل الآتي: 

سؤال الشكل (21): أحدد الأيون السالب في التركيب الكيميائي لمعدن الكالسيت.

الكربونات

 ومن معادن الكربونات الأخرى:

الدولوميت  ₂( CaMg(CO₃ 

الملاكيت Cu₂ CO₃ (OH)₂

الأكاسيد Oxides
تحتوي معادن مجموعة الأكاسيد في تركيبها الكيميائي على الأكسجين وعنصر واحد أو أكثر من العناصر الأخرى، التي تكون أحد الفلزات عادة. ومن أكثر معادن الأكاسيد الشائعة أكاسيد الحديد ومنها معدن الهيماتيت (Fe₂O₃ ) ومعدن الماغنتيت (Fe₃O₄ ) وهما من خامات الحديد، أنظر الشكل الآتي حيث يمثل الشكل (أ) الهيماتيت والشكل (ب)  الماغنتيت:

ومعدن الإلمنيت (FeTiO₃) ومعدن الكورندوم (Al₂O₃).

الهاليدات Halides
تتكون معادن الهاليدات من اتحاد أحد عناصر الهالوجينات كالكلور والفلور والبروم، مع عنصر آخر موجب الشحنة كالصوديوم أو الكالسيوم، ومن معادن الهاليدات الشائعة:
الهاليت (NaCl) والفلوريت (CaF2) ، أنظرُ الشكل الآتي حيث يمثل الشكل (أ) معدن الهاليت والشكل (ب) معدن الفلوريت: 

الكبريتات Sulphates
تحتوي معادن مجموعة الكبريتات في تركيبها الكيميائي على أيون الكبريتات ^-2(SO₄ )، ومن أمثلتها معادن الأنهيدريتِ (CaSO₄) والجبس (CaSO₄.2(H₂O  والباريت BaSO_{4 .}

أنظرُ الشكل الآتي حيث يمثل الشكل (أ) معدن الجبس والشكل (ب) معدن الباريت:

الكبريتيدات Sulfides
تحتوي معادن مجموعة الكبريتيدات في تركيبها الكيميائي على الأيون السالب (^- S ²  ) وعنصر آخر أو أكثر، وتتبلور معادن هذه المجموعة من المحاليل المائية الحارة (الحرمائية)،
وتعد من أهم خامات الحديد والرصاص والنحاس وغيرها. ومن أهم المعادن التي تتبع هذه المجموعة: البيريت (FeS₂ ) والغالينا (PbS) والكالكوبيريت ( CuFeS₂ ). أنظر الشكل الآتي، حيث يمثل الشكل (أ) معدن البيريت والشكل (ب) معدن الغالينا والشكل (ج) معدن الكالكوبيريت.

الفوسفات Phosphate
تحتوي معادن مجموعة الفوسفات على أيون الفوسفات (^3-PO₄₎ ، ومن أشهر المعادن التابعة لهذه المجموعة الأباتيت ( Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH ).أنظر الشكل الآتي: 

المعادن أحادية العنصر Native Elements
المعادن أحادية العنصر معادن تحتوي على عنصر واحد فقط، ومن الأمثلة عليها: الذهب (Au) والفضة (Ag) والنحاس (Cu) والكبريت (S). وتتميز معظم تلك المعادن بسهولة تفاعلها مع الأكسجين؛ ولذلك تتميز بندرة وجودها في الطبيعة، ومن الأمثلة أيضًا معدنا الغرافيت والماس اللذان يتكونان من عنصر الكربون، أنظر الشكل الآتي والذي يمثل معدن الذهب:

أتحقق: أصنف معدن الكالسيت إلى المجموعة المعدنية التي ينتمي إليها.

مجموعة الكربونات

الربط بالعلوم الحياتية يتكون النسيج العظمي في عظام الكائنات الحية من خلايا العظم وبروتين الكولاجين ومعدن الأباتيت، الذي يسمى معدن العظام. ويتكون معدن الأباتيت من هياكل كروية أو هياكل مسطحة تتخلل بروتين الكولاجين داخل العظام. ولمعدن الأباتيت دور كبير في قوة العظام وكثافتها.

الصخور والمعادن Rocks and Minerals
تعد الصخور بأنواعها الثلاثة: النارية والرسوبية والمتحولة وحدة البناء الأساسية للقشرة الأرضية، وتتكون معظم الصخور من معادن، وعلى الرغم من عدد المعادن الكبير في الطبيعة، إلا أن المعادن الأساسية المكونة لمعظم صخور القشرة الأرضية قليلة جدًّا، وهي: الكوارتز، والفلسبار، والمايكا، والبيروكسين، والأمفيبول، والأوليفين، والغارنت، والكالسيت.
قد تتكون الصخور من معدن واحد، مثل الصخر الجيري الذي يتكون من معدن الكالسيت، وصخر الدونيت Dunite الذي يتكون بشكل رئيسٍ من معدن الأوليفين، أنظر الشكل الآتي:

وصخر الكوارتزيت الذي يتكون من معدن الكوارتز. بينما تتكون بعض الصخور من أكثر من معدن مثل صخر الغرانيت الذي يتكون من معادن الفلسبار والكوارتز والمايكا ومعادن أخرى، أنظر الشكل الآتي: 

وصخر البازلت الذي يتكون من معادن: الفلسبار البلاجيوكليزي والبيروكسين، والأوليفين، والبيوتيت والهورنبلند.

سؤال الشكل (29): أحدد ما المعادن المكونة لصخر الغرانيت؟

معادن الفلسبار والكوارتز والمايكا.

أبحث مستعينًا بمصادر المعرفة المختلفة ومنها شبكة الإنترنت أبحث عن صخور مختلفة، وأحدد المعادن المكونة لكل صخر. ثم أكتب تقريرًا وأعرض نتائجه أمامَ معلِّمي/معلِّمتي، وزملائي/ زميلاتي في الصف. الصخر الجيري يتكون من معدن الكالسيت، صخر الدولوميت يتكون من معدن الدولوميت، وصخر  الأنديزيت الذي يتكون من معادن البلاجيوكليز الصودي والأمفيبول والبيوتيت، وصخر الكوماتيت يتكون من معادن الاوليفين والبيروكسين.

 

أفكر ما الصخور التي لا تتكون من معادن؟ لماذا؟ الصخور الرسوبية العضوية، لأنها عبارة عن بقايا كائنات حية نباتية أو حيوانية.

 

الأهمية الاقتصادية للمعادن The Economic Importance of Minerals
للصخور وما تحويه من معادن قيمة اقتصادية كبيرة ؛فمثلا تبلغ قيمة ما يجري تداوله في العالم من الذهب الذي يُقدر بحوالي $165000 tons$ أكثر من 5.6 تريليون دينار أردني. وليس
الذهب المعدن الوحيد ذا القيمة الاقتصادية؛ فهناك كثير من المعادن تعد من السلع المهمة الضرورية المستخدمة في حياتنا في الوقت الحاضر.
تدخل المعادن في جميع مناحي الحياة، وكلما زاد التقدم والتحضر في المجتمعات زادت الحاجة إليها. فالكهرباء التي تضيء بيوتنا وتشغل الأجهزة المختلفة تنتقل عبر أسلاك
نحاسية، ويُستخرج النحاس من معادن مختلفة منها: الملاكيت Cu₂CO₃(OH)₂)، أنظر الشكل الآتي:

 

 

والسيارات التي نستخدمها يدخل في صناعتها الفولاذ المصنوع من الحديد. ويُستخرج الحديد من معادن مختلفة منها: الماغنتيت (Fe₃O₄) ويدخل عنصر الألمنيوم في كثير من الصناعات، منها: صناعة الأثاث والطائرات.
ويُستخرج الألمنيوم من صخر البوكسيت وهو بدوره يتكون من معادن منها الغبسيت ( Al(OH)₃ ) .أمّا الصناعات التكنولوجية الحديثة مثل: رقائق الحاسوب وشاشات الهواتف والتلفاز الحديثة، والألياف الضوئية؛ فيستخدم فيها عنصر السيليكون المستخرج من المعادن السيليكاتية، وبخاصة معدن الكوارتز.
ولأهمية المعادن في حياتنا ولأنها تعد ذات قيمة اقتصادية كبيرة؛ فإن دول العالم ومنها الأردن، تبحث دائمًا عن المعادن في صخور القشرة الأرضية وتستخدم الطرائق الجيولوجية المختلفة في استكشافها.

الربط بالتكنولوجيا يحاول الإنسان تطوير أجهزته الإلكترونية كالهاتف الذكي والحاسوب المحمول والتلفاز، وتقليل حجمها ليتناسب مع احتياجاته المختلفة، وتستخدم الشركات في ذلك كثيرًا من العناصر النادرة مثل النيوديميوم Neodymium والتريبيوم Terbium اللذين يستخرجان من معدن المونازيت Monazite ، وهو أحد المعادن التابعة لمجموعة الفوسفات.

 

أبحث مستعينًا بمصادر المعرفة المختلفة ومنها شبكة الإنترنت؛ أبحث عن أحد المعادن، وأكتب تقريرًا متضمنًا معلومات حول الصخور التي تحويه، والاستخدامات الرئيسة له في حياتنا، ثم أعرض التقرير على معلمي/ معلمتي، وزملائي/ زميلاتي في الصفِّ.

 

نشاط: إنتاج العالم من بعض المعادن يمثل الجدول الآتي كميات بعض المعادن المنتجة في العالم بوحدة مليون طن (Million Tons) خلال المدة الزمنية الواقعة بين (2015 - 2019) م. أدرس الجدول ثم أجيب عن الأسئلة التي تليه: التحليل والاستنتاج: 1. أستنتج لماذا يعد الإنتاج العالمي من معادن الهيماتيت والماغنتيت أكبر ما يمكن بالنسبة إلى باقي المعادن. لتنوع وتعدد استخداماته، وتوفره كخام بكميات كبيرة. 2. أحدد: ما مجموعة المعادن التي ينتمي إليها معدن الأباتيت؟ مجموعة الفوسفات 3. أحسب: إذا علمت أن سعر الطن من الفوسفات في عام 2019 م كان يساوي 62 دينارًا؛ فكم دينارًا ثمن إنتاج العالم في ذلك العام؟ 14012 × 106 دينار. 4. أقارن أنواع المعادن المذكورة أعلاه بأنواع المعادن المكتشفة في الأردن. من المعادن الموجودة في الجدول وتم اكتشافها في الأردن: الأباتيت، الملاكيت، الفلسبار، الذهب، والهيماتيت.

 

المعادن في الأردن Minerals in Jordan
يحتوي الأردن على كثير من المعادن ذات القيمة الاقتصادية الكبيرة، ومن تلك المعادن: الذهب والحديد والكوارتز والأباتيت والسيلفيت الذي يُستخرج منه البوتاس، والأباتيت. أيضًا يعد الأردن ثامن دولة مُصدرة للبوتاس على مستوى العالم، حيث تُقدر كمية ما تصدره شركة البوتاس العربية من البوتاس بـ $2.35 m.ton/y$ تقريبًا. ويمثل الجدول الآتي بعض المعادن الاقتصادية في الأردن، والصخور التي توجد فيها وأهم استخداماتها:

أتحقق: أذكر ثلاثة معادن توجد في الأردن، واستخدامات كل منها.

الكوارتز ويستخدم في السيراميك والصناعات الإلكترونية والموصلات فائقة السرعة وصناعة الزجاج.

الجبس ويستخدم في الديكورات والطب والسيراميك.

الهيماتيت ويستخدم صناعة السيارات وصناعة الصلب.

الإثراء والتوسع: الأحجار الكريمة كان الإنسان ومنذ القدم يهتم بالأحجار الكريمة فيقتنيها، ويستخدمها بصفتها حُلِيًّا، والأحجار الكريمة أنواع من المعادن تتميز عند قصها وصقلها بمظهر جميل لافت للنظر، ويعد المعدن حجرًا كريمًا نفيسًا ( Precious Gemstones ) إذا توافرت فيه شروط محددة وهي: المظهر الجميل، والحجم الكبير للبلورة، وأن يكون ذا تركيب بلَّوري متين، وأن يكون نادر الوجود. وعندما يمتلك المعدن خصيصة واحدة أو اثنتين من تلك الخصائص؛ فإنه يعد شبه نفيس (Semiprecious). قد تتشابه أسماء الأحجار الكريمة مع أسماء المعادن المكونة لها؛ مثل: أحجار الماس الكريمة التي تتكون من معدن الماس Diamond وهناك كثير من أسماء الأحجار الكريمة تختلف عن اسم المعدن المكون لها؛ فمثلا الياقوت الأزرق Sapphire يتكون من معدن الكورندوم Corundum وهو أحد أكاسيد الألمنيوم الذي يحتوي على كمياتٍ قليلةٍ من عنصريِ التيتانيوم والحديد، بينما إذا احتوى معدن الكورندوم على كمياتٍ قليلةٍ من الكروم فإنه يعطي الياقوت الأحمر Rubies . أمّا الزمرد Emerald ذو اللون الأخضر الجميل فهو يتكون من معدن البيرل Beryl وهو أحد المعادن السيليكاتية. الكتابة في الجيولوجيا أبحث في مصادرالمعرفة المتوافرة لدي، ومنها شبكة الإنترنت؛ عن بعض الأحجار الكريمة المعروفة، وأحدد المعادن المكونة لها، ثم أكتب فقرات متنوعة حولها أقدمها على شكل عرض تقديميٍّ مدعمًا بصور متنوعة تمثلها. التوباز: يتكون من معادن السيليكات الزمرد: يتكون من معدن البريل العقيق الأبيض: يتكون من معادن السليكات