کانی‌ها — علوم تیزهوشان هشتم (استعداد درخشان)

کانی‌ها (علوم تیزهوشان هشتم)

مصالح ساختمان، شیشه، میز و نیمکت فلزی، دارو، خمیر دندان، عینک، قطعات رایانه و گوشی و حتی مغز مداد، همه مستقیم یا غیرمستقیم از مواد سنگ‌کره به دست می‌آیند. شهری بدون سنگ را نمی‌توان تصور کرد؛ اما سنگ‌ها از چه ساخته شده‌اند؟

کانی چیست؟

کانی‌ها همان سنگ‌ها نیستند، بلکه واحد سازندهٔ سنگ‌ها هستند و عناصر در قالب شبکهٔ بلوری مشخص ساختار آنها را می‌سازند. کانی مادهٔ طبیعی، جامد، غیرآلی، با ترکیب شیمیایی مشخص (یا در محدودهٔ معین) و ساختار بلوری منظم است. الماس مصنوعی کانی نیست (طبیعی نیست)، آب مایع کانی نیست ولی یخ طبیعی کانی است، زغال‌سنگ و مروارید آلی‌اند، شیشه ترکیب ثابت و ساختار بلوری ندارد و شیشهٔ آتشفشانی بی‌شکل است. هالیت، الماس طبیعی و طلای طبیعی کانی‌اند، اما فولاد ساخت انسان است. سنگ مخلوطی از یک یا چند کانی است و فرمول ندارد: گرانیت از کوارتز، فلدسپار و میکا و مرمر از کلسیت ساخته شده است. سنگ‌ها آذرین (از سرد شدن ماگما)، رسوبی (از رسوب و فشردگی) یا دگرگونی (تغییر سنگ با گرما و فشار) هستند.

ترکیب سنگ‌کره

طبق کتاب حدود ۳۰۰۰ کانی شناسایی شده است و علت این تنوع، شرایط محیطی متفاوت در طبیعت است؛ با این حال کمتر از یک درصد آنها بیشتر سنگ‌های زمین را می‌سازند. هشت عنصر فراوان پوسته: اکسیژن حدود ۴۷٫۷٪، سیلیسیم حدود ۲۶٫۶٪، آلومینیوم، آهن، کلسیم، سدیم، پتاسیم و منیزیم. اکسیژن و سیلیسیم با هم حدود $47.7+26.6=74.3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد، یعنی سه‌چهارم پوسته‌اند؛ برای همین سیلیکات‌ها فراوان‌ترین کانی‌ها هستند.

کانی‌های سیلیکاتی

حدود ۹۰٪ پوستهٔ زمین از کانی‌های سیلیکاتی است؛ حدود ۲۵٪ کانی‌های شناخته‌شده و حدود ۴۰٪ کانی‌های رایج سیلیکاتی‌اند و بخش اصلی سنگ‌های آذرین را می‌سازند. بنیان آنها چهاروجهی $\text{SiO}_4^{4-}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است: یک اتم سیلیسیم در مرکز و چهار اکسیژن در گوشه‌ها. بار آن $(+4)+4\times(-2)=-4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و کاتیون‌هایی مثل $\text{Na}^+$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{K}^+$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Ca}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Fe}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{Al}^{3+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آن را خنثی می‌کنند؛ مثلاً دو $\text{Mg}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در الیوین $\text{Mg}_2\text{SiO}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. بعضی کانی‌ها فضای خالی‌ای دارند که یون‌های مناسب پر می‌کنند و در برخی، مثل میکاها (مسکویت و بیوتیت)، مولکول‌های آب هم جا می‌گیرند. در کوارتز $\text{SiO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با جرم مولی ۶۰، اکسیژن حدود $53.3\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و سیلیسیم $46.7\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

چگونگی اتصال چهاروجهی‌ها نوع کانی را تعیین می‌کند:

• جزیره‌ای ($\text{SiO}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): چهاروجهی‌های جدا؛ الیوین؛ نسبت $\text{O/Si}=4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• دی‌سیلیکات ($\text{Si}_2\text{O}_7$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): دو چهاروجهی با یک اکسیژن مشترک؛ همی‌مورفیت؛ $3.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• حلقوی ($\text{Si}_x\text{O}_{3x}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): چهاروجهی‌ها در حلقه؛ بریل (زمرد و آکوامارین)؛ $3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• زنجیره‌ای: تک‌زنجیر ($\text{Si}_2\text{O}_6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، پیروکسن، $3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و دوزنجیر ($\text{Si}_4\text{O}_{11}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، آمفیبول، $2.75$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی).
• ورقه‌ای ($\text{Si}_2\text{O}_5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): صفحه‌های نازک؛ بیوتیت (میکا)؛ $2.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• شبکه‌ای ($\text{SiO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): شبکهٔ سه‌بعدی با همهٔ اکسیژن‌های مشترک؛ کوارتز و فلدسپارها؛ $2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

از جزیره‌ای به شبکه‌ای، اکسیژن‌های مشترک بیشتر و نسبت $\text{O/Si}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کمتر می‌شود. ساختار، ویژگی را تعیین می‌کند: ورقه‌ای‌ها (میکا، تالک، رس) آسان ورقه‌ورقه می‌شوند و نرم‌اند، چون پیوند میان صفحه‌ها ضعیف است؛ زنجیره‌ای‌ها در راستای رشته‌ها می‌شکنند و رشته‌ای‌اند (آزبست)؛ شبکه‌ای‌ها مثل کوارتز با سختی ۷ سخت‌اند و رخ ندارند؛ و جزیره‌ای‌ها (الیوین و گارنت) سخت و چگال‌اند.

کانی‌های غیرسیلیکاتی

گروه‌بندی بر پایهٔ آنیون است: عنصرهای طبیعی (طلا، نقره، مس، گرافیت، الماس، گوگرد)، اکسیدها (هماتیت $\text{Fe}_2\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، مگنتیت $\text{Fe}_3\text{O}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، بوکسیت؛ سنگ آهن و آلومینیوم)، سولفیدها (پیریت $\text{FeS}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، گالن $\text{PbS}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، کالکوپیریت؛ سنگ معدن مس، سرب و روی)، سولفات‌ها (ژیپس $\text{CaSO}_4\cdot2\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و باریت؛ گچ و سیمان)، کربنات‌ها (کلسیت $\text{CaCO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، دولومیت، مالاکیت؛ سیمان، آهک و مرمر)، هالیدها (هالیت $\text{NaCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و فلوئوریت $\text{CaF}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و فسفات‌ها (آپاتیت؛ کود و استخوان). سیلیکات‌ها ۹۰٪ پوسته را می‌سازند و بیشتر در سنگ‌های آذرین و دگرگونی‌اند و در مصالح، شیشه و سرامیک به کار می‌روند؛ غیرسیلیکات‌ها حدود ۱۰٪ پوسته ولی بیشتر انواع کانی‌اند، در سنگ‌های رسوبی و سنگ معدن یافت می‌شوند و منبع فلزها، مواد شیمیایی و کودند. درصد آهن در هماتیت $\frac{112}{160}\times100=70\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و در مگنتیت $\frac{168}{232}\times100\approx72.4\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و مگنتیت مغناطیسی هم هست.

شناسایی کانی‌ها

• رنگ قابل‌اعتماد نیست، چون ناخالصی آن را عوض می‌کند؛ کوارتز می‌تواند بی‌رنگ، بنفش یا دودی باشد.
• خط‌مایه رنگ پودر کانی روی سفال بی‌لعاب است و ثابت‌تر است؛ هماتیت همیشه خط‌مایهٔ قرمز-قهوه‌ای دارد.
• جلا شیوهٔ بازتاب نور است: فلزی (پیریت)، شیشه‌ای (کوارتز)، مرواریدی، ابریشمی یا مات.
• سختی مقاومت در برابر خراش است و با مقیاس موس سنجیده می‌شود: ۱ تالک، ۲ ژیپس، ۳ کلسیت، ۴ فلوئوریت، ۵ آپاتیت، ۶ ارتوکلاز، ۷ کوارتز، ۸ توپاز، ۹ کوروندوم و ۱۰ الماس. کانی سخت‌تر نرم‌تر را می‌خراشد؛ ناخن حدود ۲٫۵، سکهٔ مسی ۳، میخ آهنی ۴ تا ۴٫۵، شیشه یا تیغهٔ چاقو حدود ۵٫۵ و سوهان فولادی ۶٫۵ است.
• رخ شکستن در صفحه‌های صاف (میکا در یک جهت، هالیت مکعبی) و شکست شکستن ناهموار است (کوارتز صدفی).
• چگالی، مغناطیس (مگنتیت)، واکنش با اسید (جوشش کلسیت با اسید کلریدریک رقیق)، طعم و لمس (هالیت شور و تالک صابونی) و شکل بلور هم کمک می‌کنند.

کانی‌ای که با ناخن خراش نمی‌خورد ولی سکهٔ مسی آن را می‌خراشد، سختی حدود ۳ دارد و احتمالاً کلسیت است؛ جوشش با اسید آن را تأیید می‌کند. کانی ۵۴ گرمی که ۲۰ میلی‌لیتر آب جابه‌جا کند چگالی $2.7\,\text{g/cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد که به کلسیت یا کوارتز نزدیک است و سختی و اسید میانشان تفاوت می‌گذارد. واکنش کلسیت: $\text{CaCO}_3+2\text{HCl}\rightarrow\text{CaCl}_2+\text{H}_2\text{O}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ ۱۰ گرم کلسیت $4.4\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کربن دی‌اکسید آزاد می‌کند.

سیستم‌های تبلور

بلور جامدی است که اتم‌ها یا یون‌ها در آن الگوی سه‌بعدی تکرارشونده دارند و کوچک‌ترین بخش تکرارشونده سلول واحد است. هفت سیستم بلوری: مکعبی با سه محور مساوی و زاویه‌های قائم (هالیت، پیریت، گارنت، الماس، فلوئوریت)، چهارگوش (زیرکن)، راست‌گوش با سه محور نامساوی و زاویه‌های قائم (توپاز، باریت، الیوین)، شش‌گوش (بریل و آپاتیت)، سه‌گوش (کوارتز، کلسیت، تورمالین)، تک‌شیب با یک زاویهٔ غیرقائم (ژیپس، مسکویت، ارتوکلاز) و سه‌شیب بدون زاویهٔ قائم (پلاژیوکلاز و فیروزهٔ نیشابور). طبق قانون ثبات زوایا، زاویهٔ میان وجوه متناظر یک کانی همیشه ثابت است، چه بلور بزرگ باشد چه کوچک.

تشکیل کانی‌ها

کانی‌ها در سطح یا اعماق زمین در شرایط گوناگون شکل می‌گیرند و شناختن این شرایط به اکتشاف و استخراج کمک می‌کند:

• سرد شدن ماگما یا گدازه: سرد شدن آهسته بلورهای درشت و سرد شدن سریع بلورهای ریز یا شیشه می‌دهد (گرانیت با بلورهای درشت در عمق و آهسته سرد شده و بازالت با بلورهای ریز نزدیک سطح و سریع).
• تبخیر آب دریاچه یا دریای کم‌عمق و رسوب نمک‌ها (هالیت و ژیپس). در تبخیر آب دریا به ترتیب انحلال‌پذیری ابتدا کلسیت، سپس ژیپس، بعد هالیت و در پایان نمک‌های پتاسیم و منیزیم رسوب می‌کنند؛ لایه‌های نمک کویر و گنبدهای نمکی ایران نمونه‌اند.
• رسوب شیمیایی و زیستی از آب اشباع (کلسیت و دولومیت).
• محلول‌های داغ که در شکاف‌ها رسوب می‌کنند (رگه‌های طلا، مس، کوارتز و فلوئوریت).
• دگرگونی با گرما و فشار در حالت جامد (گارنت، تالک، میکا)، هوازدگی (رس‌ها و بوکسیت) و تصعید از بخار آتشفشان (گوگرد). آتشفشان‌های دریایی هم محیط تشکیل کانی‌اند.

میکروسکوپ پلاریزان و XRD

میکروسکوپ پلاریزان میکروسکوپ نوری با دو صافی قطبنده است: پلاریزور زیر نمونه که فقط نور با ارتعاش در یک صفحه را می‌گذراند و آنالیزور بالای نمونه در راستای عمود. نمونه مقطع نازکی حدود ۳۰ میکرومتر از سنگ است. در نور موازی رنگ، شکل و رخ کانی دیده می‌شود و در نور متقاطع کانی‌های ناهمسانگرد رنگ‌های تداخلی نشان می‌دهند و کانی‌های همسانگرد تاریک‌اند؛ با چرخاندن میز، رنگ تغییر می‌کند. در تصویر کتاب الیوین در نور متقاطع رنگ‌های تداخلی درخشان دارد و گارنت (مکعبی) گرد و تاریک است. از این میکروسکوپ برای شناسایی کانی، نوع سنگ، بافت و ترتیب تشکیل استفاده می‌شود. در پراش پرتو ایکس (XRD) هر کانی الگوی پراش ویژه‌ای مثل اثر انگشت دارد؛ این روش برای کانی‌های رسی کوچک‌تر از دو میکرون که با میکروسکوپ نوری دیده نمی‌شوند بهترین است و در صنعت، کشاورزی و داروسازی کاربرد دارد.

کانی و گوهر

هر مادهٔ بلوری طبیعی با ترکیب مشخص کانی است، اما گوهر کانی (یا گاهی ماده‌ای آلی) زیبا، کمیاب و بادوام است که تراش می‌خورد: الماس (سختی ۱۰)، یاقوت سرخ و کبود (کوروندوم، ۹)، زمرد و آکوامارین (بریل)، توپاز، آمتیست و عقیق (کوارتز)، فیروزه (فسفات مس و آلومینیوم از نیشابور)، اوپال، گارنت، تورمالین و پریدوت. مروارید، کهربا و مرجان آلی‌اند و کانی نیستند؛ طلا و نقره هم فلزهای زیورند، نه گوهر.

پرسش‌های پایان فصل

دلایل تنوع کانی‌ها: دما و فشار، ترکیب شیمیایی مواد، وجود و میزان آب، سرعت سرد شدن، زمان و نوع محیط (دریا، دریاچه، آتشفشان، عمق)؛ پس هر منطقه با تاریخچهٔ زمین‌شناسی خود کانی‌های ویژه‌ای دارد.

کاربردها: تالک (سختی ۱، لغزنده): پودر بچه و آرایشی، پرکنندهٔ کاغذ، رنگ، سرامیک، پلاستیک و روان‌کننده. ژیپس: گچ ساختمانی، تنظیم گیرش سیمان، تخته‌گچی، آتل پزشکی و کود؛ ژیپس با حرارت حدود ۱۵۰ درجه آب از دست می‌دهد و گچ می‌شود و گچ با آب دوباره سفت می‌شود. درصد آب ژیپس $\frac{36}{172}\times100\approx20.9\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و از یک تن ژیپس حدود ۰٫۸۴ تن گچ به دست می‌آید. مسکویت (میکای روشن و ورقه‌ای): عایق الکتریکی و حرارتی در وسایل برقی، براق‌کنندهٔ آرایشی و رنگ. فلوئوریت: گدازآور فولاد، تهیهٔ ترکیبات فلوئوردار، شیشه و لنز نوری.

اسید برای شناسایی کانی‌های کربناتی مثل کلسیت، آراگونیت، مالاکیت و دولومیت به کار می‌رود؛ جوشش و حباب‌های $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نشانهٔ کربنات است. اسید رقیق روی کلسیت به‌آسانی می‌جوشد، اما دولومیت فقط به صورت پودر؛ سنگ آهک و مرمر می‌جوشند و کوارتز هرگز.

شناسایی کانی ناشناس: مشاهدهٔ رنگ، جلا، شکل و شفافیت؛ خط‌مایه روی سفال بی‌لعاب؛ سختی با ناخن، سکه، میخ و شیشه؛ رخ یا شکست؛ چگالی با جابه‌جایی آب؛ ویژگی‌های ویژه (مغناطیس، اسید، طعم و لمس، فلورسانس)؛ مقایسه با جدول و راهنما؛ و در آزمایشگاه میکروسکوپ پلاریزان، XRD و تجزیهٔ شیمیایی.

پی بردن به شرایط گذشته: کانی‌ها شرایط تشکیل خود را ثبت می‌کنند: هالیت و ژیپس نشان دریا یا دریاچهٔ کم‌عمق در آب‌وهوای گرم و خشک‌اند، سنگ آهک نشان دریای گرم و کم‌عمق، بوکسیت نشان آب‌وهوای گرم و مرطوب، هماتیت نشان وجود اکسیژن در جو، گرانیت درشت‌بلور نشان سرد شدن آهسته در عمق و الماس نشان فشار بسیار زیاد در اعماق؛ جهت مغناطیس کانی‌ها هم میدان مغناطیسی گذشته و جابه‌جایی قاره‌ها را نشان می‌دهد.

آزبست (پنبهٔ نسوز) گروهی از کانی‌های سیلیکاتی رشته‌ای است. چون نسوز، عایق حرارتی و الکتریکی، مقاوم در برابر مواد شیمیایی، ارزان و محکم بود، در لوله و سقف سیمان‌آزبستی، لنت ترمز، لباس آتش‌نشانی و عایق ساختمان به کار می‌رفت. اما رشته‌های بسیار ریز آن در هوا پخش و استنشاق می‌شوند، در شش گیر می‌کنند و تجزیه نمی‌شوند و پس از سال‌ها آزبستوز، سرطان شش و سرطان پردهٔ ریه پدید می‌آورند؛ برای همین در بسیاری از کشورها ممنوع شده است.

ملاک طبقه‌بندی کانی‌ها ترکیب شیمیایی و به‌ویژه آنیون یا گروه آنیونی است (سیلیکات، کربنات، سولفات، سولفید، اکسید، هالید، فسفات و عنصر طبیعی) و در سیلیکات‌ها چگونگی اتصال چهاروجهی‌ها؛ طبقه‌بندی بر پایهٔ رنگ یا کاربرد علمی نیست.

اشتباه‌های رایج