كتاب في علم البلورات

 

مخصص لمعلمي المدارس في جميع إنحاء العالم

المؤلف اليزابيث أ.د.Elizabeth. A . Wood 1972

ترجمة أ.د. كريمات السيد و أ.د. بشرى عوض

جامعة عين شمس – القاهرة – مصر

Translated by

Prof. Dr Karimat El-Sayed and Prof. Dr Boshra Awad

Ain Shams University, Cairo, Egypt

 

مقدمة

إلى جميع معلمي الأطفال في كل مكان .

 

تم تأليف هذا الكتيب لحساب اللجنة الدولية للتعليم التابعة للاتحاد الدولي لعلم البلورات . والمهمة الأساسية  للجنة التعليم هي العمل على تجويد تعليم علم البلورات في جميع إنحاء العالم . وهى مجموعة من الأفراد على المستوى العالمي مهمتها الأساسية هي الارتقاء بتدريس علم البلورات ولا تهدف من وراء ذلك إلى الربح.

لقد لاحظ كثير من المعلمين اهتمام الأطفال بشكل أو بآخر بالبلورات ويمكن تنمية هذه الاهتمامات عند الأطفال عن طريق تشجيعهم بعمل بعض التجارب المبسطة عن البلورات ليكتسبوا خبرة النتائج بأنفسهم مما يجعلهم يشعرون بأنهم يمارسون العلم بأنفسهم

يهتم الكيميائيون والفيزيائيون ودارسي علم البيولوجيا والجيولوجيا والرياضيات بالبلورات وتحتاج دراسة علم البلورات  إلى تكامل كل هذه التخصصات المختلفة مما يؤكد أن الطبيعة التي تحيط بنا لا يمكن تقسيمها إلى تخصصات  كيمياء – فيزياء ….الخ.

معظم معلمو المدارس الذين يقومون بالتعليم في الوقت الحاضر ( 1970) لم يسبق لهم دراسة علم البلورات من قبل عندما كانوا في المدارس والجامعات ولذلك تم تأليف هذا الكتيب خصيصاً لهم بغرض توضيح أساسيات علم البلورات بطريقة مبسطة ومفهومة تمكنهم من الاستمتاع بطريقة شرحها للأطفال المهتمين بالبلورات ولا يحتوى هذا الكتيب على مقرر منهجي لعلم البلورات ولكنه يحتوى على معلومات مبسطة وشيقة.

        تجنب مؤلف هذا الكتاب كتابة المصطلحات العلمية بقدر المستطاع ليس بغرض التبسيط ولكن لضمان عدم التركيز في تعلم الأسماء بدلاً من التفكير فيما يحدث . فمثلاً يعتقد الأطفال أنهم يعرفون سبب سقوط التفاحة لأنهم تعلموا  كلمة "الجاذبية" ولكن معظم العلماء يشغلهم كيفية انجذاب كل من التفاحة والأرض نحو بعضهما.

يتم التركيز في جميع كتب علم البلورات على خاصية التماثل عند تصنيف البلورات ولكن البلورات التي يقوم الأطفال بنموها في المعمل بأنفسهم والتي يشاهدونها في الطبيعة يكون لها أشكال غير تامة التماثل وذلك لأن الظروف المحيطة بنمو البلورة تكون أيضاً غير متماثلة .

 

 

 

يوضح شكل (1) بلورات مستخرجة من الطبيعة غير تامة التماثل. ويستدعى معرفة الشكل المتماثل في حالة نمو البلورة في ظروف موحدة إلى خيال عال وخبره كبيرة .

وما لم يقتنع الأطفال عن طريق ملاحظاتهم الخاصة في هذه السن الصغيرة بأهمية التماثل في تقسيم البلورات فلن يكون هناك داع لذكر مصطلح التماثل حيث أنه لا يعني شيئاً بالنسبة لهم.

إن متعة العلم ودوافعه تكمن في الملاحظة والتأمل وحب الاستطلاع وبذل المجهود لإشباع حب الاستطلاع.

ويعتبر تعلم ما توصل إليه الآخرون جزء من تعلم العلوم . ولكن يجب علينا أولا: معرفة ماذا تعلمه العلماء من الطبيعة عن طريق المشاهدة حتى نستطيع أن نتيقن من نتائجهم واستنتاجاتهم المبنية على تجاربهم المتعددة.

لكل هذه الأسباب لا يتناول هذا الكتيب الأسلوب المنهجي لتصنيف البلورات طبقاً لتماثل أشكالها ولكنه يضع الأسس لدراسة علم البلورات عن طريق المشاهدة والتجارب المعملية الملموسة والتي بعدها ربما يستطيع الأطفال التأكد من الاستنتاجات التالية:

أنه تحت ظروف مناسبة تأخذ بعض المواد الصلبة أشكالاً مختلفة تسمى بلورات.

أن البلورات تنمو بحجم أكبر عن طريق إضافة طبقات أكثر من المادة حول السطح الخارجي للبلورة.

 أن البلورات يمكن الحصول عليها من المحاليل عندما يتبخر المذيب ويمكن الحصول عليها من المادة المنصهرة عندما يبرد مصهورها كما تتكون أيضاً من البخار الدافئ غير المرئي عندما يقابله سطح بارد .

4 -   أن بلورات المواد المختلفة يكون لها أشكال مختلفة وكذلك ألوان مختلفة  كما فى شكل (2).

 

 

 

 

5 –  أن بلورات المواد المختلفة يكون لها خواص مختلفة بمعنى أن بعضها ملون والبعض الآخر غير ملون . وبعضها ينمو بشكل منتظم وجميل والبعض الآخر لا يكون له شكل مميز ، بعضها يمكن تقشيره ؛ أي فصل طبقات النمو عن بعضها بسهوله ( ستناقش هذه الخاصية فيما بعد) والبعض الآخر لا يمكن تقشيره كما أن  بعضها يظهر مضيئاً عند فحصه بالميكروسكوب المستقطب (Polarizing microscope) بينما البعض الآخر لا يمتلك هذه  الخاصية.

التفكير في إمكانية وجود بعض العوامل المنظمة التي تتحكم في تكوين الأسطح المستوية والأشكال المميزة للبلورات وطريقة تأثيرها وتأثرها بالضوء الساقط عليها ويجب أن تكون هذه العوامل المنظمة مختلفة باختلاف نوعية المواد المتبلورة وإذا توصل الطلبة إلى  هذه الاستنتاجات السابقة بطريقة مقنعة عن طريق مشاهداتهم العلمية الخاصة دل ذلك على أنهم قد اكتسبوا الأسس العلمية لعلم البلورات.

 

 

 

   توجد لبلورة المادة أسطح مستوية وزوايا متساوية للأسطح المتشابهة وكل مادة لها الأسطح والزوايا التي تميزها عن بعضها مما يكسبها أيضاً خاصية مميزة أخرى في طريقة ترتيب الذرات والأيونات والجزيئات المتكون منها المادة وتختلف أيضاً طريقة الترتيب من مادة إلى أخرى ولكن بصفة عامة فإن معظم المواد الصلبة وليست جميعها تتميز بالترتيب المنتظم في تركيبها وهناك بعض المواد تتميز بانتظام ترتيبها أكثر من المواد الأخرى . حتى في مادة الخشب يتم ترتيب الجزيئات أو الذرات بطريقة منتظمة على الرغم من أنه لا يوجد انتظام فى ترتيب الألياف مع بعضها البعض. هل يعتبر الخشب إذن بلورة ؟ لا يوجد للخشب أسطح لامعة ، لذلك يرى بعض دارسي علم البلورات أن أليافه عبارة عن بلورات والبعض الآخر لا يعتبرها بلورات.

 

المادة التي تتكون من بلورات تسمى مادة بلورية في بعض الأحيان تستخدم كلمة عديدة البلورات (Polycrystalline) لتدل على أن المادة تتكون من عدة بلورات صغيرة . في البلورة الأحادية يتم ترتيب صفوف الذرات في نفس الاتجاه ويكون منتظماً .

 

عندما تنمو بلورتان في اتجاهين متضادين فإن الحدود بينها توضح الزاوية بين اتجاه تنظيم الذرات لإحدى البلورتين بالنسبة لاتجاه ترتيب الذرات المنتظمة للأخرى . يبين شكل (4a) بلورات من الطبيعة متصلة الحدود. يبين شكل (4b) ترتيب الذرات لحبتين متقابلتي الحدود مكبرة باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني. يبين شكل (4c) ترتيب الذرات متقابلة الحدود مكبرة باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية. وإذا أُخذ مقطعاً خلال أربع بلورات متقابلة في الحدود فإنها تظهر كما هو مبين بالرسم (شكل d4) ويمثل شكل تخطيطي لاتجاه ترتيب الذرات ، حيث أن الخط المتصل يبين الحدود بين الأربع بلورات  (ويسمى أحياناً بحدود الحبيبات) ، ويمثل الخط المنقط مستويات تنظيم الذرات أو الأيونات أو الجزيئات.

 

 

من الجدير بالذكر أن معظم المركبات الشائعة بيننا تتكون من بلورات منتظمة التركيب ولكننا لا نستطيع رؤية أسطحها بأشكالها المحددة اللامعة وذلك نتيجة لنمو البلورات ضد بعضها مما يظهر عدم انتظامها.

 

تتكون معظم الصخور تقريباً من مركبات بلورية مختلفة يمكن تمييزها عن بعضها. وتتكون الفلزات أيضاً من بلورات منتظمة ومتشابكة الحدود والتي يمكن رؤية حدودها بسهولة. مثل ما نراه في الحديد المجلفن المغطى بالزنك والذي يستخدم في صناعة الجرادل وصناديق القمامة وأيضاً مثل ما نراه في مقابض الأبواب المصنوعة من سبيكة النحاس الأصفر (Brass) كما هو مبين بشكل (5).

 

 

تسمى المواد التي لا تكون فيها الذرات أو الأيونات أو الجزيئات مرتبه ترتيباً منتظماً في صفوف بالزجاج ومن أبسط أمثلة ذلك هو زجاج النوافذ . كما أن زجاج البراكين وكذلك بعض الرماد المستخرج منها يعتبر من الزجاجيات وليس من البلورات .

هناك نوع من الحلوى زجاجي الشكل وهش وغالباً نجده محشو بالمكسرات . وتصنع هذه الحلوى عن طريق التبريد السريع لمصهور السكر بحيث يصبح السائل صلباً قبل أن يسمح للجزيئات والذرات بالحركة لترتيب وتنظيم نفسها وذلك لتأخذ الوضع المثالي لتكوين بلورات ، أي أن البلورات لا تجد الوقت الكافي للنمو. ويدل ذلك على أن التبريد السريع للمصهور يساعد على تكوين الزجاج ، وهذا ما يحدث للزجاج البركاني وأيضاً لبعض صناعة الزجاج العادي وقد تعلم بعض صانعي الزجاج بأن هناك بعض المخاليط التي يمكن تبريدها بمعدلات مناسبة دون أن يحدث لها تبلور ولقد وجدنا بعض البلورات في الزجاج القديم الذي صنع من زمن قديم قبل تطور صناعة الزجاج . ويمكن تفسير وجود هذه البلورات علي أنه بمرور الزمن وعلى مدار السنين الطويلة تتحرك الذرات ببطء شديد تحت تأثير انجذابها لبعضها لتكون صفوفاً منتظمة الترتيب مكونة البلورات ، وهذا يفسر جغرافياً عدم وجود زجاج بركاني قديم .

يستطيع صغار الدارسين التعلم بطريقة أفضل عن طريق إجراء تجارب عملية بدلاً من طريقة التعلم عن طريق القراءة والاستماع. ولذلك فإن الصغار يستطيعون تعلم البلورات عن طريق اكتساب الخبرة بأنفسهم وليس عن طريق اكتسابها عن طريق الحكايات التي تروى لهم بواسطة الغير . ويمكن تحقيق ذلك بإتاحة الوسائل المختلفة للطالب ليشاهد ويسأل الأسئلة.

وهنا يمكننا التدخل لكي نساعده على اكتشاف إجابة السؤال بنفسه .

نحن لا نريد حتى تعريف كلمة بلورات إلا بعد أن تكون قد اكتسبت من تجاربنا بعض الخبرات الخاصة بالبلورات .

أنه من الضروري أن تكتسب بنفسك الخبرة عن البلورات  حتى تستطيع وأنت تقوم بتدريس البلورات الاستمتاع بهذه الاكتشافات مع الطلبة الذين تقوم بالتدريس لهم.

إن الجزء الباقي من الكتيب مكتوب بطريقة تبدو كما لو كانت مكتوبة خصيصاً للطلبة ولكن إذا كنت أنت كمعلم تعتقد أنك تعرف الكثير منه فتذكر أن هذا الكتيب كتب لجميع المدارس فى أنحاء العالم.

 

أدوات ومواد مطلوبة

 

 

طرق تكوين البلورات في المدرسة أو المنزل

 

أولا – تكوين بلورات من محلول

 

1 - بلورات الملح [ ملح الطعام ، كلوريد الصوديوم  (NaCl) ]Salt, Table Salt, Sodium Chloride

 

سنبدأ بتجربة تكوين ملح الطعام لسهولة توفره لدى الجميع . بينما نجرى هذه التجربة نقوم بتجهيز المواد المطلوبة للتجربة الأخرى.

	في معمل الكيمياء توزن المواد بالجرامات ، أما في هذه  التجارب فيستعمل الفنجان وملعقة الشاي للمعايرة لتوفرهما في المطبخ . يمتلئ الفنجان بحوالي 236 مل وملعقة الشاي بحوالي 5 مل من السوائل.

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

 

 

ضع 3 ملاعق شاي مملوءة بملح الطعام في ثلث كوب ماء ثم قلبها بشدة تجد

 أن معظم الملح يذوب مكوناً محلول ملح ويتبقى بعضاً منه عند قاع الكوب

 لا يذوب وربما يصبح المحلول معكراً وغير رائق حيث أن بعض منتجي

 الملح يضيفون مادة غير ضارة لا تذوب في الماء لتغطية سطح حبيبات

الملح لتمنع التصاقها ببعضها في الجو الرطب. تعتبر الخطوات التالية طريقة

 لفصل هذه المواد المضافة غير الذائبة ( إن وجدت) عن ملح الطعام

 اترك المخلوط كما هو حتى صباح اليوم التالي، ستجد أنه أصبح رائقاً.

صب المحلول الرائق مع عدم تحريكه في زجاجة مسطحة أو كوب آخر

 مع الحرص على بقاء المواد المترسبة في القاع كما هي. تسمى هذه العملية بعملية الترويق

اترك المحلول الرائق بدون غطاء لعدة أيام وللتخلص من الأتربة يستحسن وضع كوباً أكبر حجماً مقلوباً عليه. يمكن لأي كمية من مذيب كالماء مثلاً  أن تذيب كمية معينة من مادة صلبة إلى الحد الذي لا يمكن بعده إذابة كمية أخرى من المادة وتختلف هذه الكمية من مذيب إلى مذيب ومن مادة إلى مادة ويسمى هذا المحلول بالمحلول المشبع.

    إذا احتوى المذيب على كمية أقل من المادة يقال أن المحلول تحت التشبع في بعض الحالات تحتاج المواد إلى إضافة جزء صغير من بلورة من نفس النوع كنواة لتبدأ عملية تبلر الصلب من المحلول . في هذه الحالة إذا ترك المحلول المشبع ليتبخر فإن المذيب يصبح محتويا على مادة أكبر من درجة التشبع ويقال أن المحلول فوق التشبع وتصبح فيه كمية المادة الصلبة أكثر كثيراً عما لو أضيفت إليه بلورة من المادة الموجودة بالمحلول. في هذه الحالة تسبب إضافة جزيئات دقيقة من المادة المذابة إلى ترسيب المادة الزائدة في المحلول عند قاع الإناء.

عند بداية ظهور الجزيئات الصلبة عند قاع محلول الملح ، أختبر شكلها بالعدسة المكبرة . حاول التركيز على بلورة معينة ولاحظ التغيرات التي تحدث بها يوماً بعد يوم . إذا كان الإناء مصنوعاً من الزجاج يمكنك وضعه على قطعة من الورق الأبيض مع رسم دائرة تحدد موقع البلورة التي تتابع تكوينها . ربما يتكون قشور بيضاء عند حافة المحلول عندما يكون البخر سريعاً . سنناقش هذه الظاهرة فيما بعد . ربما يساعدك على المشاهدة إلقاء شعاع ضوء قوى على جانب الإناء.

الجزيئات التي تتكون تدريجياً في المحلول تسمى بلورات الملح . إذا تتبعت أول مراحل تكوينها ستجد أن لها شكل مربعات. إذا نظرت إليها من الجنب ستجدها أيضاً لها شكل المربعات أو ربما مستطيلات . تتميز البلورات بالزوايا القائمة الدقيقة بين  أحرف البلورة وتظل كذلك خلال نموها.

 

فكر في هذه الظاهرة فمن محلول لا شكل محدد له تتكون هذه المادة الصلبة ذات الشكل المتجانس الدقيق المحدد مهما كان موقع عملية التبخير وستحصل على نفس الشكل من نفس المحلول في أي مكان سواء في مصر ، أسبانيا ، سيبيريا ، أفريقيا ، أمريكا أو استراليا ، في غواصة أو طيارة . تتميز المادة الصلبة المتكونة من محلول الملح بشكلها البلوري الدقيق ذات الأسطح اللامعة البراقة والمتعامدة على بعضها . كيف يمكنك تفسير ذلك؟

 

اسحب إحدى البلورات الصغيرة من الإناء بملقاط وجففها. تستطيع وضعها في صندوق وتركها تجد أنها لا تتغير إلا إذا كان الجو شديد الرطوبة. في الرطوبة الشديدة جداً تتجمع قطرات ماء من الجو على البلورة وتذيبها.

أما باقي البلورات في الإناء فستستمر في نموها وتكبر والسبب في ذلك أنه كلما تبخر الماء فإن الملح الذائب في المحلول يترسب على بلورات الملح الصغيرة فتجعلها أكبر . كلما ترسبت طبقة فوق طبقة على أسطح البلورة يبرز كل سطح إلى الخارج مع الأخذ في الاعتبار المحافظة على الزوايا المتعامدة الدقيقة بين الأسطح المتجاورة .وهذه تماثل عملية طلاء صندوق مكعب الشكل بعدة طبقات فوق بعضها من الطلاء .

 

ما الذي يحدث إذا تلامست بلورتان متجاورتان وهما في حالة نمو؟ لاحظ ما يحدث بدقة . في معظم الحالات تنمو البلورتان معاً ولكن بشكل غير منتظم عند نقطة الالتقاء بينما تستمر الأوجه المسطحة الجميلة الغير متلامسة في النمو إلى الخارج. بعد فترة من النمو اسحب بملقاط البلورتان المتلاصقتان من المحلول. هل يمكنك تحديد أين تنتهي إحدى البلورتين وأين تبدأ الأخرى ؟ في بعض الحالات يكون التحديد سهلاً وفى الحالات الأخرى يكون ذلك مستحيلاً كما هو مبين في شكل (6) .

 

 

 

 

هل يمكنك فصلهما؟

 

إذا تبخر المحلول بعد ذلك فستنمو كثيراً من البلورات في وقت واحد مع بعضها في قاع الإناء . القشور المتكونة على جدار الإناء تكون نتيجة لنمو بلورات صغيرة جدا في الحجم ومتلاصقة مع بعضها كما هو مبين في شكل (7).

 

 

 

كلما كانت عملية التبخير سريعة جداً كلما زاد عدد البلورات المتكونة فى وقت واحد وأيضاً زادت قوة تلاصقها مما يمنعها من النمو بعد ذلك.

فى الفراغات الصغيرة جداً والتي توجد بين بعض هذه البلورات وبين قشور البلورات المتكونة على جدار الإناء التى عندها يتبخر المحلول تتولد ما يسمى بخاصية الأنابيب الشعرية التى تساعد على سحب المحلول إلى أعلى على جدار الإناء مما يساعد على تبخر المحلول بسرعة وزيادة تكوين مساحة أخرى من القشرة البيضاء .

كيف يمكنك تكوين بلورة أكبر تحتفظ بشكلها كاملة وذلك عن طريق منعها من ملامسة بلورة أخرى مجاورة ؟

 

إليك طريقتان يمكن محاولتهما:

 

حيث أن عملية التبخير السريع هى المسئولة عن تكوين عدد أكبر من البلورات المتلاصقة فى نفس الوقت فإنه بالتالى يمكن منع عملية التبخير السريع للحصول على عدد أقل من البلورات المتكونة على مسافات متباعدة عن بعضها وذلك عن طريق وضع غطاء غير محكم على الإناء كقطعة من الورق مثلاً أو القماش مثبتة على فوهة الإناء بأستيك ليسمح بعملية البخر البطيء ( لاحظ أن الغطاء المحكم يمنع عملية البخر تماماً)

نستطيع سحب إحدى البلورات الجيدة الصغيرة من المحلول ثم ننقل محلول الملح المشبع إلى إناء آخر ثم تعيد إليه البلورة مرة أخرى . من الممكن أن تكون هى البلورة الوحيدة التى تستطيع النمو. تسمى البلورة التى استخدمت بالبلورة البذرة أو النواة

تذكر أن أي محلول يعلق بالبلورة المسحوبة أو الملقاط أو أصابعك عبارة عن محلول مشبع ، عندما يتبخر تتكون فيه بلورات صغيرة بسرعة وتصبح بذور إضافية للمادة تنافس البذرة المراد نموها وهى التى سبق واخترتها من  المحلول .لذلك يجب عليك تجفيف البلورة بسرعة جداً على ورقة ترشيح أو منديل ورقى نظيف ، كذلك غسل وتجفيف الملقاط وأصابعك قبل إضافة البلورة إلى المحلول المشبع ثانيه.

عندما تنمو البلورة وتستقر على السطح فإن الجزء الملاصق للسطح لا يستطيع إضافة طبقات جديدة إليه وبالتالي لا يستمر فى عملية النمو.

لاستمرار عملية نمو البلورة فى جميع الاتجاهات ، يجب تعليقها فى خيط فى المحلول. نعرف أن إحكام خيط حول بلورة صغيرة ليس سهلاً ولكن الطريقة البديلة هي لصق الخيط على البلورة بطبقة رقيقة جداً من أحد أنواع المواد اللاصقة التى تستعمل فى لصق الأطباق المكسورة دعها تجف لمدة ليلة كاملة قبل أن تعلقها فى المحلول المشبع .

 

ب- ما نفعله بالبلورات

 

تستطيع عمل معرض يوضح المراحل المختلفة لنمو بلورات المادة وذلك بسحب البلورات من المحلول ( باستعمال الملقاط) عند مراحل مختلفة . الصق هذه البلورات بطبقة رقيقة جداً بأحد أنواع المواد اللاصقة على ورقة كرتون فى ترتيب متتال من الأصغر إلى الأكبر . لاحظ أن البلورة تحتفظ بنفس الشكل فى جميع المراحل ، أى مهما نمت أو كبر حجمها كما في شكل (8).

 

 

حاول عدم اختيار جزء مكون من أكثر من بلورة لأن ذلك سيجعل  متابعة الشكل ومقارنة أحجام البلورات صعباً.

2- إذا التقطت بلورتان متلاصقتان فيمكن فصلهما بالضغط الخفيف على إحداهما بشاكوش صغير أو بحد سكينه ثقيلة نسبياً أو مفك أو ملعقة فنجد أنهما تنفصلان على محور له سطح مستو يواز السطح الخارجي للبلورة 

 

 

    -  يمكن كسرهما أيضاً إلى أكثر من جزء

- يمكن أيضاً كسر البلورتين إلى أجزاء أصغر فأصغر وكلها بأسطح مستوية موازية للأسطح الأصلية والأجزاء المكسورة كلها لها بريق لامع فى الضوء القوى كما في شكل (10).

 

 

 

تعرف قابلية البلورة للكسر بأسطح مستوية موازية للأسطح الخارجية فى اتجاهات معينة بظاهرة الانقسام.

هناك بعض البلورات لا تتميز بخاصية الانقسام كقطعة الزجاج مثلاً التى تنكسر فقط.

فى بلورات الملح ، تكون مستويات الانقسام موازية لأوجه نمو البلورات التى تكون الأسطح الخارجية كلما نمت البلورة.

فى بعض بلورات المواد الأخرى لا توازى مستويات الانقسام أسطح  نمو البلورة.

ما الذى يجعل بلورات كلوريد الصوديوم تنمو على شكل مستطيل مكونة مستويات متعامدة على بعضها ؟

استمر هذا التركيب محيراً لعلماء علم البلورات لسنوات طويلة حتى القرن العشرين عندما تمكنوا من استعمال حيود  الأشعة السينية لمعرفة ترتيب صفوف الذرات والأيونات فى البلورات. وبذلك أمكن التوصل لمعرفة كيفية نمو البلورات وانقسامها وكثيراً جداً من خواصها الأخرى.

تختلف نتيجة إسقاط الأشعة السينية على عظام الجسم عن البلورات .

ففى حالة إسقاطها على عظام الجسم تظهر ظلال على لوح حساس أما فى حالة الذرات فلا يظهر لها أية ظلال لصغر حجمها المتناهي بل عندما تسقط الأشعة السينية على الذرات فإنها تتشتت عند اصطدامها بالذرات فى اتجاهات مختلفة. بدراسة زوايا واتجاهات تغيير مسار الأشعة السينية تمكن علماء علم البلورات من تحديد كيفية ترتيب الذرات مع بعضها فى البلورات.

فمثلاً وجدوا فى كلوريد الصوديوم ( ملح الطعام ) أن أيونات الصوديوم والكلوريد تتراص متبادلة مع بعضها فى وحدة مكعبة كما هو  مبين فى شكل (11) ، فإذا أخذنا ¹⁷10 وحدة من هذه المكعبات نجد أنها تكون حبيبه طول ضلعها 1 مم.

 أي أن مكعب من ملح الطعام حجمه 1 مم3 يحتوى على مائة ألف ألف مليون وحدة من هذه الوحدات (000, 000 , 000 , 000 , 000 , 100 ).

لك أن تتخيل كيف تبنى البلورات المتعامدة نفسها فى  هذا التنظيم أو الترتيب.

لك أيضاً أن تتخيل كيف يتم ترتيب أيونات الصوديوم والكلوريد ببساطة فى طبقات تكون البلورة، كما في شكل (11).

        

 

تتميز كل بلورة بترتيب معين من الذرات أو الأيونات ، أو الجزيئات وهذا الترتيب يتحكم فى كل من شكل نموها وخواصها الأخرى.

حافظ على بلورات قليلة من الملح فى صندوق صغير أو ظرف لاستعمالها فى تجارب أخرى

 ضع بلورة على شريحة زجاجية نظيفة أو أى سطح نظيف ثم أضف قطرة ماء كبيرة إليها ، تابع ما يحدث لها بعدسة مكبرة أثناء ذوبانها فى الماء . تتحول الأركان الحادة للبلورة بسرعة إلى دائرية وذلك لأن أن عدد الأسطح المعرضة للمذيب ثلاثة فقط. الحواف تصبح دائرية بسرعة أقل حيث أن عدد الأسطح المعرضة للمذيب إثنان فقط.

إذا أمكن إبقاء بعض البلورات قبل إذابتها كاملة ، وجففت بورقة ترشيح أو منديل ورقى نظيف ثم وضعت ثانية فى محلول مشبع من الملح . لاحظ أنها تبدأ ثانية فى النمو مع ملء الحواف والأركان أولاً لتستعيد شكلها البلوري الأصلي.

 تستطيع استعمال أى بلورة حصلت عليها كبلورة بذرة أو نويه لنمو بلورات أكبر حجماً من محلول مشبع لنفس المادة ، ولكن يفضل البلورات الصغيرة.

 استعمل البلورات التى حصلت عليها كمصدر للمادة لكي تعيد التجارب ثانية من البداية . تعتبر هذه البلورات ملحاً نقياً حيث أن سطحها لا يغطى بمواد لا تذوب فى الماء كما بدأنا بها .

 

 

  جـ - دروس مستفادة من هذا الجزء

من أهم الدروس المستفادة من هذه الدراسة أن بلورة الملح تنمو بإضافة بلورات أخرى إليها من نفس نوعها وتحيط بها فى محلول الملح ويتم نموها بأسطح مسطحة لامعة ومتعامدة مع بعضها شرط أن يتم النمو بدون إعاقة .

توضح حقيقة انقسام هذه البلورات أنه فى نفس البلورة لا يوجد تماثل بين الاتجاهات مع بعضها. يحدد نوع وطريقة ترتيب الذرات ، الأيونات أو الجزيئات فى البلورة شكلها وخواصها الأخرى.

تستعمل عملية الترويق كطريقة لفصل المحلول من المواد الصلبة . تستعمل عملية البذر لتنمية البلورات إلى الحجم الأكبر.

حقيقة عدم مقدرة البلورات على النمو من نويات صغيرة محاصرة فى حيز صغير إلى حجم أكبر قد شوهد عند تكوين القشرة البيضاء عند حافة المحلول والتى تتسع مساحتها كلما تسلق المحلول جدار الإناء تحت تأثير خاصية الأنابيب الشعرية.

لاحظت الطريقة التى تكونت بها مادة صلبة ذات شكل مكعب من محلول .

 

2-   البوراكس فى الماء (Na₂ B₄ O₇ . 7H₂O)  Borax in Water

على الرغم من أن المادة الثالثة وهى السكر تعتبر أكثر شيوعاً وتداولاً عن البوراكس ، إلا أن البوراكس جاء قبلها فى الترتيب حيث أنه يتميز بسرعة تكوين بلورات جميلة . يستعمل البوراكس كعامل منظف فى غسيل الملابس ويباع فى علب ورق كما لو كان مسحوق صابون ولكنه خطر جداً إذا ابتلع.

يزداد ذوبان البوراكس فى الماء الساخن كثيراً عن الماء البارد.

ليست هذه حقيقة تطبق على كل شيء فمثلاً ملح الطعام يذوب فى كل من الماء الساخن والبارد تقريباً بنفس القدر.

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

أضف ملعقة شاي من البوراكس إلى نصف كوب ماء ساخن جداً ، قلب المخلوط حتى يذوب البوراكس تماماً . بعد تبريد المحلول ، يظهر بلورات عديدة صغيرة جميلة.

 

ب- ما نفعله بالبلورات

جميع الخطوات التى استخدمت فى نمو بلورات كلوريد الصوديوم يمكن تكرارها بجميع مراحلها فى حالة البوراكس كما يمكنك اختبار انقسام البلورة عن طريق سحب بلورة واحدة من المحلول ، وبعد تجفيفها يحكم ربطها بخيط وتعلق فى محلول مشبع لتستعمل كبذرة أو نوية.

لاحظ أن المحلول الذى تنمو به البلورات لابد أن يكون مشبعاً وإلا ستذوب البلورات البذرة أو النوية المعلقة.

لذلك إذا صب هذا المحلول فى اناء آخر معلق به نواة البوركس عند نفس درجة الحرارة ( مع استبعاد البلورات التى ترسبت به) ، سيترسب البوراكس على نواة البوراكس المعلقة به.

يستحسن وضع البذرة قرب قاع الإناء وذلك للأـسباب التالية :

كثافة المحلول المشبع لأي مادة تكون أكبر من كثافة المحاليل غير المشبعة . عندما يترسب البوراكس على البلورة يصبح المحلول الذى ترسبت منه والمجاور للبلورة أقل كثافة وبذلك يرتفع إلى أعلى ويحل محله المحلول الأكثر كثافة وهو المحلول المشبع (أثقل وزناً في وحدة الحجم ) ويضيف مادة أكثر على البلورة البذرة .

إذا كانت البذرة معلقة بالقرب من سطح المحلول فإن المحلول غير المشبع والأقل كثافة يحيط بأطرافها العلوية . بالطبع عند سطح المحلول تماماً حيث يكون المحلول ملامساً للهواء الجوى ستؤدى عملية التبخير إلى سرعة البلورة على السطح . وبذلك تتكون غالباً البذور أو النويات عند السطح ولكنها تنمو من جانب واحد فقط وبالتالي تكون البلورات فى هذه الحالة دائماً مشوهة الشكل

 

مقارنة بين شكل بلورات البوراكس وبلورات الملح :

أنظر إلى بلورات صغيرة جداً من البوراكس وبلورات صغيرة جداً من الملح بين مستقطب باستعمال عدسة مكبرة . ربما يكون التأثير أقل وضوحاً فى حالة استعمال بلورات كبيرة ذات أوجه لامعة فتعكس الضوء .

تحتوى بلورات البوراكس على جزيئات ماء ضمن جزيئاتها غير المرئية . إذا تركت بلورات البوراكس فى مكان دافئ جاف لمدة طويلة ، يهرب جزء من الماء إلى الهواء الجوى ، ويتحول جزء البلورات الذى فقد الماء إلى مسحوق ينفصل أسفل البلورات يتسبب الجزء الصغير من المسحوق إلى تشتيت الضوء وبالتالي يظهر لونه أبيض . تسمى عملية فقدان الماء بعملية إزالة الماء ( الزموهة Dehydration ,)

 

جـ - دروس مستفادة من هذا الجزء

هناك بعض البلورات ، كبلورات البوراكس ، لا تكون أسطح نموها متعامدة على بعضها . بلورات البوراكس والملح لها أشكال مختلفة كما أن لها تأثير مختلف على الضوء ويتضح ذلك من مظهرهم بين المستقطبات المتقاطعة.

يمكن تمييز المادتين عن بعضهما من اختلاف خواصهما التى سبق مشاهدتها فهما تختلفان فى الذوبان ، فى شكل البلورات وكذلك فى تأثير الضوء عليهما. من الواضح ، إذن ، أن البوراكس عندما يترك المحلول ، يبنى بلورات بوراكس بطريقة مختلفة عن التى يبني بها الملح بلورات الملح عندما يترك محلوله.

 

السكر ( سكروز أوسكاروز  فى الماء(C₁₂ H₂₂ O₁₁)   Sugar (Sucrose or Saccarose in Water)

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

 

يصعب تكوين بلورات جيدة فى الماء حيث أن محلول السكر فى الماء يكون شديد اللزوجة ( شراب سكرى سميك ) ولا تستطيع جزيئات السكر أن تتحرك خلاله بسرعة لتلحق ببعضها لتكون ترتيباً منتظماً وهو  ما نطلق عليه البلورة . وللتغلب على ذلك ندفيء المحلول فيساعد على سريان الجزيئات مع مراعاة ألا يحدث بخر سريع لسطح المحلول فيتسبب فى تكوين قشرة على السطح ولكى يتحقق كل ذلك اتبع ما يلى :

 – أضف نصف كوب ماء إلى كوب سكر. سخن المخلوط ببطء مع التحريك المستمر إلى أن يذوب السكر ويصبح المحلول رائقاً . ضع المحلول فى برطمان كالمستعمل فى حفظ المربى وضع الغطاء دون إحكام لمنع تكوين قشرة على السطح . يترك البرطمان فى مكان دافئ جداً لعدة أيام ويتم ذلك بوضعه فوق شعلة صغيرة أو سطح دافئ فيتبخر سطح المحلول ثم يكثف على الغطاء ليسقط ثانية على السطح .

 – حيث أن الغطاء غير محكم فسيسمح ببخر قليل جداً ولذا نجد أن الماء يقل بكميات ضئيلة مما يؤدى إلى النمو البلوري وتأخذ البلورات شكلاً جميلاً مميزاً ، وهو شكل بلورات سكر المائدة ويستمر النمو ببطء لمدة طويلة جداً

 – يتميز محلول السكر بخاصية إدارة مستوى الضوء المستقطب ويختلف الدوران باختلاف لون الضوء . عندما تحمل إناء به محلول سكر بين مستقطبات متعامدة ( ميكروسكوب مستقطب ) وتنظر من خلاله فى اتجاه ضوء ابيض تلاحظ أنه يظهر بلون آخر غير الأسود ، كما يحدث فى حالة محلول الملح ، وعند دوران أحد المستقطبات فى اتجاه خاص ( اتجاه عقارب الساعة ) مع ترك الأخر ثابت تلاحظ تغير اللون .

 

          ب-  ما نفعله بالبلورات

يمكن تطبيق كل ما جاء فى درس الملح والبوراكس مع السكر كما أنك تستطيع مقارنة أشكال بلورات السكر مع بلورات الملح والبوراكس

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

تختلف بلورات السكر عن بلورات ملح الطعام فى الشكل وسهولة النمو البلوري كما تختلف أيضاً عن النمو البلوري للبوراكس

عندما تنفصل بلورات السكر عن المحلول فقطعاً تختلف طريقة بنائها عن طريقة بناء بلورات الملح أو البوراكس فكل مادة تتميز بطريقة بناء بلوراتها بطريقتها الخاصة التى تنظم بها جزيئاتها لتكوين بلوراتها .

 الجزيئات التى تكون البلورات يجب أن تكون حرة الحركة لتنضم إلى بعضها فى تكوين منتظم يعرف بالبلورة وحيث أن محلول السكر لزج جداً ( شراب سميك) تكون حركة الجزيئات به بطيئة وبالتالي يصبح النمو البلوري للسكر أصعب من النمو البلوري للملح أو البوراكس

 يختلف محلول السكر عن محلول الملح أو البوراكس فى أنه يدير مستوى الضوء المستقطب

 

4- الشب (Alum) : الشب  الأمونيومي NH₄Al (SO₄)₂.12H₂O]  [Ammonium Alum

أو الشب البوتاسي  KAl (SO₄)₂ .12H₂O] [Potassium Alum  فى الماء

 

يلاحظ أن النمو البلوري للشب يكون أسهل من النمو البلوري للملح وأسهل كثيراً من النمو البلوري للسكر

تتميز بلورات الشب بأسطحها اللامعة العاكسة والبلورات الصغيرة منها لها أسطح براقة وجذابة

يتوفر مسحوق الشب فى معظم مخازن الأدوية والصيدليات وشركات الكيماويات. يستعمل الشب كمادة قابضة وفى وقف النزيف من الجروح الصغيرة

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

أضف أربع ملاعق شاي مملئة بمسحوق الشب إلى نصف فنجان ماء ساخن فى كأس مع التقليب حتى تذوب المادة الصلبة ويصبح المحلول رائقاً

ضع غطاء خفيف على الكأس ، قطعة من الورق مثلاً ، لحماية المحلول من الأتربة . لاحظ أنه كلما تبخر الماء يكثر ظهور بلورات الشب جميلة الشكل

قارن بين شكل بلورات الشب والبلورات الأخرى وبين نقاوتها ونقاوة بلورات الملح. لاحظ أن بلورات الشب تحتوى على ماء تبلر كجزء من مكونات البلورة مثلها مثل بلورات البوراكس.

إنه لمن الممتع المقارنة بين النمو البلوري وشكل بلورات تحتوى بلوراتها على ماء ضمن مكونات بلوراتها ( ماء تبلر ) مع بلورات أخرى لا تحتوى على ماء تبلر

 

 ب-     ما نفعله بالبلورات

1- أعد مراحل النمو البلوري للشب وأعرضها كما فعلنا من قبل مع بلورات الملح

 2-  اكسر بلورة الشب تجد أنها تختلف عن بلورة الملح ولكنها تشبه بلورة السكر حيث لايوجد لها مستوى انقسام

3- احتفظ بالبلورات فى علبة أو مظروف واكتب عليها اسم واضح لاستعمالها فى تجارب أخرى

 4- أذب بلورة شب جزئياً فى الماء ثم أعد تنقيتها كما سبق فى تجربة الملح.

5-  علق بلورة كاملة  صغيرة من الشب فى محلول مشبع من الشب تجد أن بلورات جميلة جداً من الشب تنمو عليها

6-  ادرس بلورة الشب بين مستقطبات متعامدة

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

تختلف بلورات الشب عن بلورات الملح وبلورات السكر فى جوانب عديدة فالنمو البلوري للشب أسرع كثيراً منهم وشكلها يختلف عنهم . تختلف بلورات الشب عن بلورات الملح ولكنها تشبه بلورات السكر فى أنها لا تتميز بخاصية الانقسام ولكنها تنكسر بشكل غير متناسق.

تتشابه بلورات الشب وبلورات الملح ولكنها تختلف عن بلورات السكر والبوراكس فى أنها تظهر معتمة بين المستقطبات المتعامدة .

 

5- كبريتات النحاس  (الزاج الأزرق) Cu SO₄ . 5H₂O] Copper Sulfate, Blue Vitriol,]   فى الماء

      ( مادة سامة )

    يمكنك الحصول على كبريتات النحاس من مخازن الأدوية ( الصيدليات وشركات الكيماويات)

تستعمل كبريتات النحاس فى حمامات السباحة لتمنع نمو الفطريات . كبريتات النحاس سامة إلى حد ما ولذا غير مسموح للطلبة أخذ أي كمية منها إلى منازلهم كما يجب غسل أيديهم جيداً بعد استعمال مسحوق كبريتات النحاس أو المحلول أو البلورات . المسحوق عبارة عن بلورات صغيرة جداً ولكنه معظمه عبارة عن كبريتات نحاس لامائية ، أي منزوعة ماء التبلر ولا تحتوى على ماء ضمن مكونات البلورات .

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

ضع  أربعة  ملاعق شاي مملوءة بمسحوق كبريتات النحاس فى كأس ممتلئ بنصف كوب ماء

قلب المحلول حتى تذوب المادة الصلبة تماماً

لاحظ أنه كلما تبخر المحلول تتكون قشرة من كبريتات النحاس أعلى جوانب الكأس وعلى حافته وحيث أن هذه الخاصية تحدث بدرجة أكبر فى محلول كبريتات النحاس عن محلول الملح لذا يستحسن وضع الكأس على طبق.

عندما يتبخر المحلول بدرجة كافية يبدأ ظهور بلورات زرقاء لامعة .

ادرس شكلها وتابع مراحل نموها المختلفة يوماً بعد يوم

 

هناك تجربة شيقة جداً تستطيع أن تجريها وهى مزج ملعقتي شاي من مسحوق الشب مع مسحوق كبريتات النحاس ثم إذابة الخليط فى نصف كوب ماء نلاحظ أن كل من بلورات الشب عديمة اللون وبلورات كبريتات النحاس ذات اللون الأزرق تنمو بأشكالها المتميزة حتى لو تقاربت البلورات المختلفة من بعضها أو التصقت أو نمت حول بعضها تجد أنها لا تمتزج ببعضها وذلك لأن ترتيب طبقات الشب تختلف عن ترتيب طبقات كبريتات النحاس وبالتالي يبنى كل نوع من البلورات نفسه بطريقته الخاصة

 

ب - ما نفعله بالبلورات

من خواص كبريتات النحاس أنها سامة لذا يجب ألا بتداولها أطفال صغار ويجب تكرار تحذير من يلمسها بغسل أيديهم جيداً فى كل مرة .

تستطيع عمل معرض لمراحل تكوين البلورات المختلفة كما قمنا بعمله من قبل

اختبر أشكال البلورات وقارن بينها وبين أشكال بلورات الشب والسكر والبوراكس والملح.

حاول رسم خطوط الحواف الخارجية لكل بلورة تنمو لتعرف شكلها

حاول تقسيم بلورات كبريتات النحاس تلاحظ أنها غير قابلة للتقسيم

إذا تركت بلورات كبريتات النحاس فى مكان دافئ لمدة طويلة تلاحظ أن لونها يبيض لأنها تفقد ماء تبلرها أي تصبح لامائية كما يحدث لبلورات الشب والبوراكس

يمكن تجميع القشرة المتكونة على حافة الإناء ومعظمها عبارة عن كبريتات النحاس اللامائية لإذابتها ثانية لتكرار ما أجريناه بالمسحوق الأصلي .

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

- وضح من المقارنة بين نمو بلورات كبريتات النحاس والبلورات الأخرى أن بلورات كل مادة تتميز بشكلها وخواصها وفى هذا الجزء أضفنا خاصية جديدة للبلورات وهى اللون.

- من تجربة مخلوط الشب وكبريتات النحاس يمكننا إضافة خاصية جديدة وهى أن كل مادة تبنى بلوراتها من جزيئاتها فقط مهما كان معها من مواد أخرى فى المحلول.

 

      6- ملح الماغنسيا كبريتات الماغنسيوم المائية  (Ebsom Salt, Magnesium sulfate, Mg SO₄ . 7H₂O)

  - يستعمل ملح الماغنسيا كملين وكذلك يبلل به الشاش ويوضع على مواضع لدغ الحشرات لعلاجها ولعلاج التهاب الشعيرات الدمويه والدوالى.

      - يباع ملح الماغنسيا فى مخازن الأدويه والصيدليات وشركات بيع الكيماويات.

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

يتميز ملح الماغنسيا بسهولة ذوبانه فى الماء فيمكنك إذابة حوالى ستة ملاعق شاى منه فى ربع كوب ماء ساخن مع تقليب المحلول لعدة دقائق.

إذا لم يذب الملح الصلب كله ، أضف كمية قليلة جداً من الماء وقلب حتى يصبح المحلول رائقاً.

لاحظ أن بلورات الماغنسيا تنمو على شكل ابر طويلة ويختلف شكلها تماماً عن شكل بلورات ملح الطعام أو البوراكس أو السكر أو الشب أو كبريتات النحاس.

حيث أن الماغنسيا سهلة الذوبان فى الماء فعندما تتبخر نقطة صغيرة من محلوله تتكون مجموعة كبيرة من بلوراته الدقيقة الصغيرة.

عند وضع نقطة منه على سطح غير ماص كالزجاج يبدأ البخر ويصبح سطح النقطة مغطى بالبلورات وبذلك يمنع المزيد من البخر ، لذلك يفضل وضع النقطة على سطح ماص كورق كارتون أو ورق ترشيح .

ادرس شكل البلورات المتكونة بعدسة مكبرة

 

ب -  ما نفعله بالبلورات

شكل بلورات الماغنسيا الإبري الصغير يجعل ربطها بالخيط سهلاً.

علق بلورة إبرية صغيرة من ملح الماغنسيا فى محلول مشبع من الماغنسيا نلاحظ نمو البلورة على شكل قضيب طويل دقيق.

تحتوى بلورة الماغنسيا على ماء تبلر ضمن مكوناتها ولكنها تفقده أسرع كثيراً من أى ملح آخر درسناه يحتوى على ماء تبلر.

تحتفظ البلورات بشكلها ولكن سطحها يظهر وكأنه مطلي بطلاء أبيض قبيح لفقدها ماء التبلر.

إذا قشطت المادة اللامائية من على سطح البلورة يظهر من تحتها البلورات المائية بشكلها النقي البراق .

معنى ذلك أن المادة البيضاء القبيحة عبارة عن بلورات ينقصها ماء التبلر بحيث إذا أذبناها فى الماء وتركناه يتبخر نحصل على البلورات المائية الجميلة لنفس المادة .

من كل البلورات المائية التى تكونت نجد أن الشب هو أكثرها ارتباطاً بماء تبلره ، فهناك بعضهم يفقد ماء تبلره بمجرد تسخينه بحرارة عود ثقاب.

ضع بلورة صغيرة من كل منهم على شريحة ميكروسكوب زجاجية أو على قطعة صغيرة من رقائق الألومنيوم ثم ضع عود ثقاب مشتعل أسفلها تلاحظ أن كل منهم يفقد ماء تبلره تحت تأثير حرارة عود الثقاب على شكل ماء يغلى بشدة.

إذا أوقفت التسخين بينما كان هناك جزء كبير من الماء لم يفقد تلاحظ إعادة تكوين عديد من البلورات الصغيرة من المادة التى بدأت بها ، أما إذا أكملت التسخين حتى تفقد البلورات كل ماء تبلرها  ( ويدل على ذلك توقف الغليان) ، تحصل على المادة اللامائية ذات اللون الأبيض

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

إن ملح الماغنسيا شديد الذوبان فى الماء . تحتوى بلورات ملح الماغنسيا على ماء ضمن مكوناتها ، أى ماء تبلر، الذى يمكن أن تفقده لتتحول إلى ملح  لامائي أبيض اللون ، وبذلك يشبه البوراكس وكبريتات النحاس.

تحتوى النقطة من المحلول المشبع للمادة شديدة الذوبان فى الماء على كمية كبيرة من المادة .

لديك الآن أنواع مختلفة من البلورات يمكنك تنظيم معرض لعرضهم. يوضح شكل (12) بعض الأنواع المختلفة لبلورات الشب التي نمت بالطريقة المذكورة بالكتاب.