البلورات الطبيعية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

البلورات الطبيعية

بلورات طبيعيه

Natural crystals -

البلورات الطبيعية

عبد الرحمن سفرجلاني

محاور التوجيه البلورية

آلية تشكل البلورات

النظم البلورية الرئيسة

يعود أصل كلمة بلورة crystal إلى اللغة اليونانية القديمة، وتعني الجسم المتصلب بالبرودة، وقد أطلقها اليونانيون القدماء على فلز المرو «الكوارتز» لاعتقادهم أن بلورات المرو الشفافة ليست سوى مياه نقية تجمدت؛ تصلبت في درجات حرارة منخفضة جداً وتحولت إلى جسم صلب ثابت في درجات الحرارة العادية.

أغلب الأجسام الصلبة والفلزات تكون على شكل تجمعات بلورية أو بلورات مفردة صغيرة أو متوسطة أو كبيرة الأبعاد، وتعرَّف البلورات الطبيعية natural crystals أنها أجسام صلبة طبيعية التشكل والنشأة، ذات تركيب كيميائي ثابت وترتيب ذري محدد ينجم عنه شكل هندسي منتظم وثابت، وهي تتمتع بخواص فيزيائية متباينة بحسب الاتجاهات anisotropic، في حين أن بعض الأجسام الصلبة الأخرى وكذلك الفلزات تكون غير متبلًورة amorphic كفلز الأوبال SiO2nH2O، وتتمتع بخواص فيزيائية متماثلة في جميع الاتجاهات isotropic.

تحدد البنية البلورية مختلف الصفات الفيزيائية للأجسام الصلبة أو للفلزات كالصلابة واللون والتألق...، كما أن لها أهمية خاصة في تمييز الفلزات بعضها من بعض؛ لأن لكل فلز بنية وشكلاً بلورياً خاصاً به؛ فالأشكال الهندسية المنتظمة (البلورات) المميزة لكل فلز ما هي إلا انعكاس للترتيب الداخلي للعناصر الكيميائية المكونة للفلز (ذرات، إيونات، جزيئات) التي ترتصف في الفراغ (الفضاء) ثلاثي الأبعاد مكونةً ما يسمى الشبكة البلورية، مع الأخذ في الحسبان أن العدد الإجمالي للأجسام الصلبة الفلزية المتبلورة والناجمة عن تجمع الذرات- كفلزي الكبريت والألماس- يكون محدوداً مقارنةً مع عدد الأجسام الصلبة الفلزية المتبلورة والمكوَّنة من الإيونات أو الجزيئات؛ فبلورة فلز الهاليت (ملح الطعام) NaCl تُعد أحد أهم الأجسام الفلزية الصلبة البلورية المكونة من إيونات، وتتميز ببنية بلورية بسيطة. بوجه عام يُنظر إلى النموذج الإيوني للبناء الشبكي البلوري لكل إيون على أنه كرة صلدة لها حجم ثابت ومحدد ومشحونة كهربائياً.

يخضع شكل البناء الشبكي البلوري لقواعد باولين Pauling التالية:

- إن البناء البلوري المستقر متعادل كهربائياً، ويتحقق ذلك من خلال تساوي مجموع الشحنات الكهربائية للإيونات الموجبة مع الشحنات الكهربائية للإيونات السالبة.

- تتراص الإيونات ضمن البناء الشبكي البلوري على نحو محكم، بحيث تكون المسافة بين أي إيون سالب وآخر موجب مساوية لمجموع نصفي قطريهما.

- تتباعد الإيونات متماثلة الشحنة الكهربائية ضمن البناء الشبكي البلوري قدر الإمكان، وينشأ من تباعدها خفض قوى التدافع ضمن البناء البلوري لتحقيق أكبر قدر من التماسك والارتباط. يكون ذلك مرهوناً بنمط الشكل البنائي البلوري الناجم عن كيفية ارتباط عديدات الوجوه البلورية، أضلاعها أو وجوهها أو ذراها؛ فعلى سبيل المثال في الفلزات السليكاتية المفردة يتمركز أيون السليكون ذو الشحنة الموجبة المرتفعة ونصف القطر الأيوني الصغير في مركزها، فيما تتوزع إيونات الأكسجين الأربعة على ذراه (رؤوسه). وكذلك يتبلور فلز الهاليت في نظام التبلور المكعبي متمركز الوجوه، تشغل إيونات الكلور ذراه الثماني، ومراكز وجوهه الستة، على حين تتوزع إيونات الصوديوم على منتصفات أضلاع (حروف) المكعب الاثنتي عشرة وفي مركزه (الشكل 1). تتبادل إيونات الصوديوم وإيونات الكلور الأدوار فيما بينها في البناء البلوري على نحو تناظري، بحيث تكون إيونات الصوديوم محاطة بستة إيونات من الكلور تتوزع على رؤوس ثماني الوجوه، كذلك تكون إيونات الكلور محاطة بستة إيونات من الصوديوم تتوزع على رؤوس ثماني الوجوه المجاور.

الشكل (1) البنية البلورية لفلز الهاليت (ملح الطعام NaCl).

إن الشكل (1) المبسط المبين والمقترح لبنية تبلور فلز الهاليت ليس في الواقع بهذه البساطة، لأنه يمثل فقط شكل انتظام الإيونات وتوزعها في البنية البلورية، كما أنه لا يظهر حجمها الفعلي أو الحقيقي، لأنه في واقع الحال يتم إشغال كامل الحجم البلوري بالإيونات باستثناء الفراغات الواقعة فيما بينها، وتُعد البلورة جزيئاً كبيراً يتألف من مجموعة من الجزيئات ثنائيات الأقطاب المتحرضة، تتكون من إيونين متعاكسين في شحنتهما الكهربائية، إضافة إلى ذلك تنشأ ضمن الجسم البلوري الإيوني نتيجة للتأثير المتبادل بين الإيونات ذاتها ثنائيات أقطاب غير تحريضية (قوى كهرساكنة) تعمل على تشكيل قوى جذب بين الجزيئات، أي إن الطرف السالب من جزيء ما يستطيع أن يجذب إليه الطرف الموجب من جزيء آخر، وتتم هذه الحادثة في الفراغ الثلاثي الأبعاد.

يرتبط الوزن النوعي (كتلة واحدة الحجوم) لأي فلز بتركيبه الكيميائي من جهة، وبشكل ارتصاف عناصره الكيميائية وتوزعها ضمن شبكته البلورية الداخلية من جهة أخرى؛ ففلزات عنصر الرصاص كلها ثقيلة نتيجة الوزن الذري المرتفع للرصاص، كذلك الوزن النوعي لفلز الألماس 3.5 هو أكبر من الوزن النوعي لفلز الغرافيت 2.3 رغم أن كلا الفلزين يتكونان من عنصر الكربون، إلا أن ذرات عنصر الكربون في فلز الألماس تتقارب وتتراصف تراصفاً محكماً ضمن الشبكة البلورية، في حين أنها تتباعد وتشكل فراغات بينية كبيرة فيما بينها في فلز الغرافيت. أيضاً يتباين الوزن النوعي للفلزات نتيجة عمليات الإحلال والاستبدال لبعض العناصر الكيميائية ضمن الشبكة البلورية للفلز، مثل إحلال عنصر الألمنيوم محل عنصر السِليكون وإحلال عنصر الحديد محل عنصر المغنيزيوم؛ لذلك يتباين الوزن النوعي لفلز الأُوليفين ويراوح بين 3.2 للفلز الغني بالمغنيزيوم (فورستريت) و4.4 لذاك الغني بالحديد (فاياليت).

تكون الوجوه البلورية غالباً مستوية، أو في بعض الأحيان الأخرى منحنية، وقد تكون الوجوه البلورية الظاهرة متشابهة أو مختلفة في البلورة الواحدة (الشكل 2) فيمكن أن تكون الوجوه كلها مثلثات أو مربعات أو مخمسات (الشكل 2- أ)، أو مزيج منها (الشكل 2- ب) .

الشكل (2)

محاور التوجيه البلورية

تعرف محاور التوجيه البلورية على أنها المستقيمات الوهمية التي تخترق البلورة وتتقاطع في مركزها ممتدة إلى مراكز الوجوه البلورية أو رؤوس البلورة المتناظرة، وغالباً ما تنطبق المحاور البلورية على محاور تناظرها وخاصة المحور الشاقولي الذي يختار عادة المحور (c)، وعادة ما يكون لهذا المحور أعلى مرتبة تناظرية في البلورة، وهو يحدد نظام التبلور الذي تنتمي إليه. تستخدم المحاور البلورية عادة في توجيه الشكل البلوري فراغياً، وتمتلك معظم النظم البلورية ثلاثة محاور باستثناء منظومتين بلوريتين هما (السداسي والثلاثي) حيث تمتلكان أربعة محاور.

يختار الجيولوجيون، إضافة إلى المحور الشاقولي (c)، المحور البلوري الأفقي الممتد من الأمام إلى الخلف المحور(a) أو ، ويميز الطرف الأمامي منه بإشارة موجب (+) والطرف الخلفي بإشارة سالب (-)، كما يختار المحور الأفقي الآخر الممتد من اتجاه اليمين حتى اليسار بالمحور(b) أو، ويميز طرفه الأيمن بإشارة موجب (+) وطرفه الأيسر بإشارة سالب (-)، أما المحور الثالث فهو المحور الشاقولي ويمتد من الأعلى إلى الأسفل ويسمى بالمحور(c) أو ، ويميز طرفه العلوي بإشارة موجب (+) وطرفه السفلي بإشارة سالب (-). تتقاطع هذه المحاور الثلاثة عادة في نقطة تنطبق على مركز البلورة وتحصر فيما بينها الزوايا المحورية، يرمز، للزاوية المحصورة بين المحورين (a) و(b) بزاوية غاما ، على حين يرمز للزاوية المحصـورة بيـن المحورييـن (b) و (c) بزاوية ألفا ، والزاوية المحصورة بين المحورين (c) و(a) بالزاوية بتـا (الشكل 3).

الشكل (3) المحاور البلورية والزوايا المحورية المحصورة بينها.

آلية تشكل البلورات

تنشأ البلورات عادة إما من مصاهير وإما من محاليل، وتكون الذرات والإيونات أو الجزيئات قبل عملية التبلور في حالة حركة دائمة ومستمرة، والمسافات فيما بينها كبيرة نسبياً. ومع تغير الشروط الترموديناميكية للمحلول أو المصهور تقترب الذرات والإيونات أو الجزيئات وتتراص على نحو منتظم ومرتب؛ ما ينجم عنه في النهاية الجسم الصلب البلوري.

يُعرَّف المصهور أنه مادة أو مجموعة من المواد تقع في درجة حرارة أعلى من درجة حرارة انصهارها، ومن أفضل الأمثلة على التبلور الطبيعي من مصهور هو تبلور الصهارة السليكاتية الماغما، وتعرف أنها مصاهير طبيعية عالية درجة الحرارة لمواد سليكاتية التركيب إضافة إلى غيرها من المكونات الفلزية الأكسدية و/أو السولفيدية وبعض المواد الطيارة والغازات المنحلة كالكبريت والكلور والفلور والبور وبخار الماء وأول أُكسيد الكربون وثنائي أُكسيد الكربون، لذلك فإن تبلور المركبات الفلزية منها سيخضع لقوانين التبلور ذاتها التي يخضع لها أي محلول كيميائي آخر. تبدأ عملية تبلور الفلزات في أثناء انتقال الصهارة السِليكاتية من جوف الأرض نحو سطحها الخارجي، ومع انخفاض درجة حرارتها تدريجياً وببطء إلى ما دون درجة حرارة أحد مكوناتها الفلزية ينفصل هذا المكون الفلزي عن المصهور السِليكاتي على هيئة بلورات فلزية نامية مكتملة الوجوه. أما في حال اندفاع الصهارة السِليكاتية نحو السطح الخارجي للأرض وتدفقها على السطح فإن درجة حرارتها تنخفض انخفاضاً مباشراً وبسرعة فائقة متجاوزةً مرحلة تبلور الفلزات ولا يُتاح لمكوناتها أن تنتظم ضمن أي بناء بلوري وتتصلب مباشرةً على هيئة زجاج بركاني عديم الشكل.

تًعرَّف المحاليل بأنها خلائط متجانسة لمادة أو مجموعة مواد صلبة منحلة في مادة حالة سائلة ضمن شروط ثابتة من الضغط ودرجة الحرارة. تنتشر البلورات المتكونة ابتداء من محاليل في الطبيعة انتشاراً واسعاً، وتكون المياه عادةً الأوساط المناسبة لحل المواد أو المركبات المنحلة، وتبعاً لكمية المواد المنحلة في المياه، أي تراكيزها، يُميز بين محاليل غير مشبعة ومشبعة وأخرى فوق مشبعة، ويتم الحصول على محاليل فوق مشبعة عادةً إما بخفض درجة حرارة المحاليل المشبعة وإما بتبخير المادة الحالة من المحلول المشبع، كما يتم تشكل البلورات الفلزية ونموها من المحاليل فوق المشبعة على حساب الكمية الفائضة من المواد أو المركبات المنحلة من المحلول. وتتشكل وتنمو البلورات الفلزية من المحاليل المائية الحارة التي تمثل بقايا المحاليل المتخلفة عن تبلور الماغما، وتكون عادة غنية في محتواها بالعديد من المركبات الكيميائية الأُكسِدية والسولفيدية والسولفاتية والكربوناتية...، وبانخفاض درجتي الحرارة والضغط لهذه المحاليل تبدأ عملية التبلور للعديد من الفلزات، خاصة تلك التي تتكون منها الخامات المعدنية الاقتصادية.

تقسم المحاليل المائية الحارة تبعاً لدرجة حرارتها إلى ثلاثة أنواع، هي:

- المحاليل العالية درجة الحرارة (500-300ºس) ويتشكل منها على سبيل المثال بلورات فلزات: الولفراميت، الموليبدينيت، الكاسيتريت، الغارنت، التوباز، الأباتيت.

- المحاليل المتوسطة درجة الحرارة (200-300ºس) ويتشكل منها على سبيل المثال بلورات فلزات: الكالكوبيريت، السفاليريت، الغالينا، الأرسينوبيريت، التِتراهيدريت، الباريت، الكالسيت.

- المحاليل المنخفضة درجة الحرارة (200-50ºس) ويتشكل منها على سبيل المثال بلورات فلزات: السينابار، الستبنيت، الماركازيت، الفلوريت.

يتحكم في تحديد الشكل البلوري ومظهره (habit) لفلز ما عدة عوامل، أهمها طبيعة المصاهير والمحاليل التي تنشأ منها البلورات وتنمو فيها، درجة نقاوتها، معدل التبريد المتدرج في أثناء عملية التبلور، طبيعة المكان الذي تتشكل فيه البلورات.

تكون الأشكال الهندسية للبلورات بسيطة مثل المكعب ذي الوجوه الثمانية، والمكعب ذي الاثني عشر وجهاً، أو ذات أشكال هندسية معقدة، وذلك نتيجة اقتران شكلين هندسيين بسيطين بعضهما ببعض، مثلاً مكعب مع ثماني الوجوه أو مكعب مع خماسي الوجوه (الشكل 4)، ويجب التأكيد أنه مهما تغير الشكل الخارجي أو حجم البلورة فإن الزوايا المتشكلة والمحصورة بين الأضلاع أو المحاور البلورية تبقى ثابتة، وهذا ما يعرف بقانون ثبات الزوايا، أو قانون استينو Steno’s law.

الشكل (4) تكون الأشكال الهندسية البلورية المعقدة باقتران الأشكال الهندسية البلورية البسيطة بعضها ببعض في فلز البيريت.

بوجه عام يمكن القول إن بلورات الفلز الواحد تنمو في حدود النظام البلوري المميز له، فمثلاً بلورة فلز الفلوريت تنتمي إلى النظام المكعبي، ومع ذلك فإنها تأخذ مظاهر بلورية متباينة ضمن النظام البلوري المنتمية إليه؛ فبلورات الفلوريت المتكونة عند درجات حرارة منخفضة تأخذ مظهر سداسي الوجوه (مكعبي الشكل) (الشكل 5- أ)، على حين تأخذ بلورات الفلوريت المتكونة في درجات حرارة عالية مظهر ثماني الوجوه (الشكل 5- ب).

الشكل (5) أشكال تبلور فلز الفلوريت في الطبيعة بالعلاقة مع تباين درجات حرارة تشكل الفلز.

إضافة إلى عامل درجة الحرارة يُؤثر في مظهر البلورة الفلزية المتكونة عوامل أخرى، مثل الضغط والتركيب الكيميائي للمحاليل ونسبة الشوائب ونوعيتها؛ فمثلاً تتشكل بلورات ملح الطعام من محاليلها النقية على شكل مكعبات، في حين أنها تتبلور على شكل ثمانيات وجوه في حال احتواء المحاليل على نسبة 10% من اليوريا، ويختلف شكلها إذا تبلورت في قعر الإناء المحتوي على محاليلها، أو إذا تنامت وهي معلقة في خيط داخل الإناء ذاته، ففي الحالة الأولى تتبلور في اتجاهين وتكون غير نامية بالاتجاه الثالث (قعر الإناء) حيث لا يتوفر المحلول الكافي لنموها في هذا الاتجاه، أما في الحالة الثانية فتكون البلورة متساوية الأبعاد في الاتجاهات الثلاثة؛ لذلك فإن الأشكال والمظاهر المختلفة للبلورات الفلزية تعتمد اعتماداً رئيسياً على النمو النسبي للوجوه البلورية مع التأكيد مرة أخرى أن الزوايا بين الوجوه البلورية تبقى ثابتة، لذلك قد يكون أحياناً للفلز الواحد أشكال هندسية ومظاهر مختلفة ناجمة على الأغلب من الاختلافات المحيطة والعوامل المؤثرة فيه أثناء عملية تبلوره.

النظم البلورية الرئيسة

تُصَّنف النظم البلورية في سبعة نظم رئيسة (الشكل 6)، لكل منها محاور بلورية ذات أطوال ثابتة وزوايا محورية ثابتة القيم مهما اختلفت أشكالها الخارجية، واعتمد التصنيف على نوعية المحاور البلورية وأبعادها وطبيعة الزوايا المحصورة بينها، وهذه النظم هي:

1- نظام بلوري مكعبي cubic:

الشكل (6) نظم التبلور الرئيسة مع مثال فلزي ممثل لكل منها.

يتبلور عدد كبير من الفلزات في النظام المكعبي، منها: الهاليت ، الفلوريت، الغالينا ، الماغنيتيت ، البيريت ، السفاليريت ، الأرجينيت ، السيلفين ، السبينيل ، الكوبريت ، اليورانيتيت ، الكروميت ، اللوسيت ، الصوداليت ، الذهب ، النحاس ، والألماس. تكون بلورات النظام المكعبي بسيطة أو مركبة، وتأخذ مجموعة من الأشكال أهمها وأكثرها انتشاراً ثماني الوجوه، رباعي سداسي الوجوه، سداسي ثماني الوجوه، ثلاثي ثماني الوجوه، رباعي الوجوه، سداسي رباعي الوجوه، وثلاثي رباعي الوجوه. الصيغة التناظرية البلورية للنظام هي (الشكل 7).

الشكل (7) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري المكعبي.

2- نظام بلوري رباعي tetragonal:

تتكون الصيغة التناظرية في النظام الرباعي من ، ومن أهم فلزاته: الزركون ، الروتيل ، الكاسيتريت، الشيلليت ، البولبانيت ، الولفينيت، الكالكوبيريت ، والأبوفيلليت (الشكل 8).

الشكل (8) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري الرباعي.

3- نظام بلوري سداسي hexagonal:

يتبلـور فـي النظام السداسي عدد كبيـر من الفلزات منها: البيريل ، الموليبدينيت ، الأباتيت ، الفورتزيت ، الكوفيلليت ، الغرافيـت ، البيروتيت ، الأكواماريـن ، الفانادينيـت . والصيغة التناظرية لها (الشكل 9).

الشكل (9) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري السداسي.

4- نظام بلوري ثلاثي معيني rhombohedral:

من أهم فلزاته الكالسيت الدولوميت ، الماغنيزيت السيديريت الهيماتيت ، الرودوكروزيت ، السيمثونيت ، الأوتافيت البروسيت ، الكورندوم، الإيلمينيت، السينابر، الميلليريت، الأغات الأميتيست ، الكوارتز، والكالسيدوني. الصيغة التناظرية الأعظمية (الشكل 10).

الشكل (10) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري الثلاثي.

5- نظام بلوري معيني قائم orthorhombic system:

ينتمي إليه مجموعة كبيرة من الفلزات منها: الباريت ، الأوليفين ، الأراغونيت ، الماركاسيت ، السيروسيت ، الستوروليت ، والكبريت . ويتميز بصيغة تناظر بلورية (الشكل 11).

الشكل (11) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري المعيني المستقيم.

6- نظام بلوري أحادي الميل monoclinic system:

يضم النظام مجموعة كبيرة جداً من الفلزات منها: الجبس CaSO4.2H2O، الأورثوكلاز KAISi3o8، التيتينات CaTiSiO5، الريالغار AsS، الولفراميت (Fe,Mn)WO4، السربنتين Mg3Si2O5(OH)4، التـــــالك Mg3Si4O10(OH)2، الأوربيمينيـت AsS3، الكاولينيت Al2Si2O5(OH)2، الموسكوفيت KAl3Si3O10(OH)2، البيــوتـــيت
(MG,FE)3AlSI3O10K(OH)2، الأزوريت Cu3((OH)2.(CO3)2)،
الأوجـــيت(Ca,Mg,Fe)2(Al,Si)2O6 ، الديوبسيد CaMgSi2O6، الهــــورنبنلند Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2، الإيبيــــدوت Ca2(Al,Fe)3Si3O12(OH)، المـالاكيـت CuCO3.Cu(OH)2. والصيغة التناظرية الأعظمية له (L2,P.C) (الشكل 12).

الشكل (12) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري أحادي الميل.

7- نظام بلوري ثلاثي الميل triclinic system:

من أهم الفلزات التي تنتمي إليه الألبيت الأنورتيت ، الميكروكلين ، الولستونيت الكيانيت ، الرودونيت ، الأمازونيت ، الشالكانيت . والصيغة التناظرية للنظام تتألف فقط من مركز تناظر (الشكل 13).

الشكل (13) نماذج بلورات تنتمي إلى النظام البلوري ثلاثي الميل.

يزيد عدد العناصر أو المركبات الكيميائية المتبلورة في الطبيعة على الـعشرين ألف مركب كيميائي، منها نحو 2500 فلز، ويعد الكثير من هذه الفلزات نادر الوجود، وتنتمي وفق نمط تبلورها إلى أنظمة التبلور سابقة الذكر وفق النسب المئوية الآتية: 10% من الفلزات تتبلور في أنظمة التبلور المكعبية، السداسية، الرباعية والثلاثية، و25% منها تتبلور في أنظمة التبلور المعينية المستقيمة (القائمة)؛ في حين أن 50 % منها تتبلور في أنظمة التبلور أحادية الميل، و15 % تتبلور في أنظمة التبلور ثلاثية الميل.

مراجع للاستزادة:

- محمد غالب سيدا، علم البلورات، منشورات جامعة دمشق، 1984.

- تميم شقرا، علم البلورات، منشورات جامعة دمشق، 2005.

- C. Hammond, The Basics of Crystallography and Diffraction (International Union of Crystallography Texts on Crystallography), Oxford University Press 2015.

- W. Kleber, Einfuerung in die Kristallographie, VEB Verlag Technik Berlin, Germany, 2009.

- G. Markel, Minerale und Gesteine, Eigenschaften-Bildung-Untersuchung, Spektrum Akademischer Verlag, Germany, 2004.

- T. L. Walker, Crystallography: An Outline of the Geometrical Properties of Crystals, Forgotten Books 2018.