(3) الخصائص الفيزيائية للمعادن

الخصائص الفيزيائية للمعادن، هي من النواتج المباشرة للتركيبة الكيماوية للمعادن وبناء بلوراتها. وتستخدم هذه الخصائص في تعرُّف المعادن المختلفة، سواء في الحقل أو في المختبر. ومظهر البلورة Crystal Habit، والانفصام Cleavage، والانفصال Parting، والمكسر Fracture، والصلابة Hardness، والتماسكية Tenactiy، والكثافة النوعية Specific Gravity، واللون Color، والمخدش Streak، والبريق Luster، والشفافية Diaphaneity، والطعم Taste، والرائحة Odour، والملمس Touch، والمغناطيسية Magnetism، والكهربية Electricity والإشعاعية Radioactivity، والانصهارية Fusibility، والذوبان Salubility ـ كل أولئك من أهم الخصائص الفيزئائية للمعادن، التي يسهل تمييزها، من دون أجهزة معقدة.

أ. مظهر البلورة Crystal Habit

مظهر البلورة، هو شكلها الخارجي، الذي يعكس الترتيب الداخلي للذرات المكونة لها. وعندما يتاح لبلورة المعدن أن تنمو، من دون مضايقة في المكان، فإنها ستتكون بلورة، لها أسطح، تعكس تركيبها الداخلي، وتميز المعدن من بقية المعادن. ولكن الفراغ يكون، في أغلب الأوقات، محدوداً جداً؛ ما يقاطع نمو البلورة، فلا يكون لها مظهر مميز.

ب. اللون Color

اللون الواحد من أوضح الخصائص الفيزيائية للمعدن؛ إلا أنه لا يعول عليه كثيراً في تَعَرُّفه؛ لأن أي شائبة، تعتري تركيبته، تعطيه أنواعاً متعددة من الألوان. فالمرو Quartz العديم اللون، مثلاً، يكون بنفسجياً (أماثيست Amethyst)، إذا احتوى على آثار من عنصر التايتانيوم Ti؛ ويكون أحمر (جاسبر Jasper)، إذا احتوى على شيء من عنصر الحديد. ويسمى اللون المستجد باللون الدخيل Exotic. أما اللون المتأصل Inherent، فهو الذي يعتمد على التركيبة العامة للمعدن؛ كاللون الأصفر للذهب، واللون الأحمر للنحاس. وهناك العديد من الظواهر المتعلقة باللون، أهمها:

1- تلاعب الألوان Play of Colors

المعني بتلاعب الألوان، هو تغيّر لون المعدن، تبعاً لتغيّر زاوية سقوط الضوء على البلورة، أو نتيجة للانعكاس الانتقائي للضوء، أو لكليهما معاً، كما هو الحال في معدن الألماس.

2- التضوئة Luminescence

وتنتج هذه الظاهرة من تعرُّض بلورة المعدن، وخاصة في الظلام، لطاقة خارجية، مثل الكهرباء، أو الاحتكاك، أو الأشعة البنفسجية؛ إذ تصدر بلورة المعدن ضوءاً وهاجاً، ذا لون، هو غير لونها الأصيل؛ مثل بلورة الكالسايت Calcite، التي تصدر ضوءاً أحمر متوهجاً، إذا تعرضت للأشعة فوق البنفسجية.

ج. المخدش Streak

المخدش هو لون برادة المعدن أو مسحوقه. وهو لا يتغير، كما يتغير لون المعدن؛ ما يجعله خاصية، يعتمد عليها في تعرُّف المعادن. يتأتّى المخدش من حك المعادن، التي تقلّ صلادتها عن 6، بمقياس موس Mohs على سطح غير مصقول لقطعة خزف، تعرف باسم لوح المخدش.

د. البريق Luster

وهو الأشعة المنعكسة من سطح المعدن. ويصنف على أساس كمية الضوء المنعكس، كما يلي:

1- بريق باهر Splendent

يحْدثه انعكاس جميع الأشعة، الساقطة على سطح المعدن، في النطاق المرئي، فيبدو كالمرآة.

2- بريق ساطع Shining

وفي هذا النوع من البريق، يكون الانعكاس أقلّ منه في البريق الباهر.

3- بريق لامع Glimmering

وهو البريق الأقل من الباهر، وينجم عنه انخفاض نسبة الأشعة المنعكسة.

وتنقسم المعادن، على أساس البريق، إلى قسمَين:

1- معادن فلزية البريق Metallic Luster: وتمثلها الذهب والنحاس والجالينا.

2- معادن لا فلزية البريق Non-Metallic Luster

وتشمل سبعة أنواع من البريق، وهي:

أ- البريق الألماسي: مثل بريق معادن الألماس والكورندم والكبريت.

ب- البريق الزجاجي Vitreons Luster ويشبه البريق الناتج من الزجاج المكسور؛ كما هو الحال في معدنَي المرو والتوباز.

ج- البريق الصمغي Resinous Luster ويشبه بريق الصمغ؛ ومن أمثلته بريق معدنَي الكبريت والسفاليرايت Sphalerite.

د- البريق اللؤلئي Pearly Luster: ومن أمثلته بريق معدنَي التلك Talc والجبس.

هـ- البريق الحريري Silky Luster: مثل بريق معدن الأسبستوس Asbestos.

و- البريق الترابي Dull Luster: مثل بريق معدن الماجنيزايت Magnesite.

ز- البريق الزفتي Pitchy Luster: مثل بريق معدن البتشبلند Pitchblende.

هـ. الصلادة Hardness

يقصد بالصلادة مدى مقاومة سطح المعدن الناعم للخدش. وتُعَد من أهم الخصائص الفيزيائية، لتعرُّف على المعادن، في الحقل. وتُحدد بملاحظة مدى السهولة، التي يخدش بها معدن بمعدن آخر، أو بالظفر أو نصل سكين. وتُقاس الصلادة، عادة، بمقياس موس Mohs، الذي يقسم صلادة المعدن إلى عشر درجات ثابتة (1ـ10) تمثل كل درجة صلادة معدن معين (انظر جدول مقياس موس لصلادة المعادن). غير أن مقدار التدرج في هذا المقياس غير ثابت، أي أن الفارق بين معدن، صلادته 1، ومعدن آخر صلادته 2 ـ لا تساوي الفارق بين معدنَين، صلادة أحدهما 9، والآخر 10 على مقياس موس؛ فالفارق، مثلاً، بين معدنَي الكورندوم والألماس، اللذَين تبلغ صلادة كلٍّ منهما على التوالي 9 و10 على ذلك المقياس، يفوق كثيراً الفارق بين معدنَي التلك والجبس، اللذين يمكن خدشهما بظفر، ويمثلان الرقمَين 1 و2، على التوالي، في المقياس نفسه.

وتُحدَّد صلادة المعدن كما يلي:

1- يحدَّد المدى التقريبي لصلادة معدن، بمحاولة خدشه بظفر؛ وهو يستطيع أن يخدش صلادة 2.5. فإن لم يخدشه، تجرب قطعة نقود نحاسية؛ وهي تخدش صلادة 3.5. ثم قطعة زجاج، وهي تخدش صلادة 5.5، ثم نصل سكين، وهو يخدش صلادة 6.5.

2- إذا خُدش المعدن المجهول بأي من الأدوات السابقة، فإن صلادته تكون أقلّ من صلادتها. ويمكن، إذاً، تحديد صلادة المعدن المجهول تحديداً أدق بمعادن، تقلّ صلادتها عن صلادة الآلة، المستخدمة في فحصه.

والتغير في تركيبة المعدن، وعمليات التجوية المختلفة، يسببان تغير صلادة المعدن، عن الدرجة المعروفة له على مقياس موس. لذلك، يشترط إجراء فحص الصلادة على الأسطح الحديثة، التي لم تتعرض للتجوية. كما يجب تأكيد لون المخدش (لون المسحوق)، لمعرفة أي من المعدنَين هو المخدوش؛ إذ قد يكون المعدن المستخدم في الخدش، هو الذي انخدش، وليس العكس.

و. الانفصام Cleavage

الانفصام هو قابلية المعدن للتشقق، على طول الأسطح ذات الروابط الكيماوية الضعيفة، والتي تسمى بمستويات الانفصام Cleavage Planes. وغالباً ما تنفصم المعادن في عدد من مستويات الانفصام (انظر جدول أمثلة من المعادن ذات الأعداد المختلفة لمستويات الانفصام).

ز. الانفصال Parting

الانفصال هو تكسر المعدن أجزاء صغيرة، على طول مستويات الضعف في بلورته، وليس لمستويات الضعف هذه علاقة بالبناء البلوري الداخلي للمعدن. ويرجع وجودها، عادة، إلى عوامل خارجية، لاحقة لعملية التبلور، مثل الضعف والإجهاد.

ح. المكسر Fracture

المكسر هو شكل سطح المعدن، عندما يكسر في اتجاه مخالف لاتجاه مستويات الانفصام. ويأخذ شكل المكسر أشكالاً عدة، أهمها:

1- المكسر المحاري Conchoidal Fracture

يظهر سطح المعدن المكسور، على شكل خطوط مقوسة، كالأصداف. ويسود هذا النوع من المكسر في المعادن، التي تكون قوة الروابط الداخلية فيها متساوية، في جميع الاتجاهات؛ مثل معدنَي المرو (الكوارتز) والصوان.

2- المكسر المشرشر Hachy Fracture

يشبه هذا النوع من المكسر مكسر الخشب. وينتج الكسر بروزات غير منتظمة، وأسناناً حادة؛ مثل معدن النحاس.

3- المكسر المستوي Even Fracture

ويكون المكسر، في هذا النوع، على شكل سطح مستوٍ؛ مثل معدن الجالينا Galena.

4- المكسر غير المستوي Uneven Fracture

هذا النوع من المكسر، هو أكثر الأنواع شيوعاً في المعادن. ويكون سطح المكسر خشناً غير مستوٍ، ينتشر فيه بعض النتوءات.

ط. التماسكية Tenacity

التماسكية هي درجة مقاومة المعدن للكسر، أو الثني، أو التفتيت، أو السحب، أو الطرق. وتصنف المعادن، حسب تماسكيتها، كما يلي:

1- قابل للسحب Ductile

يكون المعدن قابلاً للسحب، إذا أمكن تشكيله، بالطرق، ألواحاً رقيقة؛ مثل معدنَي الذهب والنحاس.

2- لين Sectile

يكون المعدن ليناً، إذا كان من السهل تقشيره، أو تقطيعه شرائح بالسكين؛ مثل معدنَي الجبس والجرافايت.

3- قابل للطرق Malleabile

ويوصف المعدن بهذه الصفة، إذا استجاب للطرق، من دون تكسر أو تفتت؛ مثل معدن الفضة.

4- مرن Elastic

وتطلق هذه الصفة على المعادن القابلة للطي أو الثني، والتي تعود إلى حالتها الأولى، عند زوال القوة، التي أدت الطي أو الثني؛ مثل معدنَي المسكوفايت Muscovite والبايوتايت Biotite.

5- متشكل Flexibile

وتطلق هذه الصفة على المعادن، التي تنثني، من دون أن تنكسر؛ وتبقى على هذه الحالة، من دون الرجوع إلى حالتها الأولى، حتى بعد زوال القوة، التي أدت الانثناء؛ مثل معدن التلك Talc.

6- هش Brittle

ويوصف المعدن بأنه هش، إذا كان ينكسر بيسر وسهولة، بالطرق الخفيف؛ مثل معدنَي الكبريت Sulphur والكالينايت Kaolinite.

ي. الثقل النوعي Specific Gravity

الثقل النوعي للمعدن هو النسبة بين كتلته وكتلة حجم مساوٍ له من الماء، عند حرارة 4 درجات مئوية. لذا، يكون وزن المعدن، الذي كثافته النوعية 2؛ ضعف وزن كمية من الماء، مساوية له في الحجم. ويتوقف الثقل النوعي للمعدن على تركيبته الكيماوية، وبنائه البلوري، أو طريقة رص الذرات في البلورة؛ فالثقل النوعي للذهب 19.3، بينما للنحاس 8.9. أما تأثير البناء البلوري للمعدن في كثافته النوعية، فيتجلى في الفارق بين الكثافة النوعية لمعدنَي الألماس والجرافايت، المتماثلَين في تركيبتهما الكيماوية (كربون)؛ ولكنهما مختلفا البناء البلوري؛ فهو للألماس مكعبي (انظر شكل بناء معدن الألماس)، وللجرافايت سداسي (انظر شكل بناء معدن الجرافايت)، وكثافة الأول النوعية تبلغ 3.5، بينما هي في الثاني 2.3. كذلك معادن المرو Quartz والكريستوباليت Cristobalite والتريديمايت Tridymite، متشابهة في التركيبة الكيماوية  (SiO₄). إلا أن البناء البلوري للمرو ثلاثي Trigonal، وللكريستوباليت مكعبي Cubic، وللتريديمايت معين قائم Orthorhombic؛ وكذلك كثافتها النوعية مختلفة، فهي للأول 2,65، وللثاني 2.32، والثالث 2.26.

وتصنف المعادن، التي كثافتها النوعية أقلّ من 2.3، على أنها معادن خفيفة Light؛ وتلك التي تراوح كثافتها النوعية بين 2.3 و4.5 متوسطة؛ أما التي تفوق كثافتها 4,5، فهي ثقيلة. ويوضح (جدول بعض الخصائص الفيزيائية للمعادن الشائعة) الكثافة النوعية، والخصائص الفيزيائية الأخرى، للعديد من المعادن المهمة، والشائعة.