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.

 

 

 

7- وماذا بعد؟

- هناك مواد أخرى كثيرة تذوب فى الماء ولكن هل تكون جميعها بلورات عندما يتبخر الماء؟ بالقطع لا فبعضها لايكون بلورات ويمكنك ان تتاكد من ذلك بنفسك.

- مادة الهيبو (هيبو) التى يستعملها المصورون لتثبيت الفيلم بعد طبعه وكذلك ملح راشيل ، تكون بلورات جميلة من محاليلها.

- طريقة تكوين بلورات كبيرة من ملح راشيل وبعض التجارب الأخرى المشوقة تجدها فى كتاب البلورات والنمو البلوري بواسطة هولدون وسنجر ( أنظر قائمة الكتب المقترح قراءتها فى آخر الكتيب).

 

ثانيا- نمو بلورات من المصهور ( الحالة المنصهرة لنفس مادة البلورات )

 

الثلج ( ماء صلب ( Ice, Solid water, H₂O

 

-  يعتبر الثلج آحد المواد القليلة التى يتغير اسمها عندما ينصهر ليصبح ماء.

- الماء هو المادة الشائعة المفيدة التى يطلق عليها أسماء مختلفة فى حالات وجودها المختلفة – كالثلج والصقيع والمطر والندى والضباب والبخار والسحاب.

- يعتبر الثلج آحد المواد القليلة التى تنكمش عندما تنصهر فعندما تنصهر كتلة معينة من الثلج إلى ماء نجد أن حجم الحيز الذى يشغله الماء أكبر من الحجم الذى كانت تشغلة نفس كتلة الثلج.

بمعنى آخر أن وزن حجم معين من الثلج يكون أقل من وزن نفس حجم الماء.

ويرجع ذلك إلى أن كثافة الثلج أقل من كثافة الماء ولذلك يطفوا دائماً على سطح الماء . لاحظ أنه إذا تجمد ماء فى إناء محكم لايسمح للحجم بالتمدد ينكسر الإناء.

- حيث أن الماء يشغل حيزاً أقل من الثلج فيمكننا تحويل الثلج إلى ماء تحت تأثير الضغط عليه.

ويعتبر ذلك آحد الأسباب التى تجعل الثلج زلق عندما نقف عليه حيث أن الضغط عليه بالرجل يؤدى إلى تحويل طبقة رقيقة بينه وبين رجلك إلى ماء تعمل وكأنها شحم تزليق.

- تستطيع أن ترى بنفسك كيفية تحويل الثلج إلى ماء بزيادة الضغط عليه ثم تحويل الماء إلي ثلج ثانية بتقليل الضغط بإجراء التجربة التالية :

ضع قطعة من الثلج على قاع كوب مقلوب . ثبت طرفي قطعة صغيرة من سلك فى قلم . ضع السلك أعلى قطعة الثلج واضغط على السلك إلى أسفل ليمر  خلال قطعة الثلج تجد أن الثلج ينصهر تحت السلك لوقوعه تحت تأثير الضغط بينما يتجمد أعلى السلك لتحرير الضغط كما بالشكل (13).

 

 

 

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

 

الطريقة الأولي:

 

تعتبر إحدى طرق تكوين بلورات الثلج هى وضع إناء به ماء فى فريزر الثلاجة أو خارج المنزل إذا كانت درجة حرارة الجو أقل من صفر.

إذا كانت درجة الحرارة  –10  درجة مئوية نجد أن الماء يتحول إلى ثلج بعد حوالى ساعتين.

شكل بلورات الثلج طويل ورفيع وربما تجد البلورات متجمعة مع بعضها.

اختبر شكل البلورات بالمستقطب المجهرى لترى الحدود بين البلورات المتجاورة

الطريقة الثانية :

- الطريقة الثانية لتكوين بلورات الثلج هى وضع نقطه من الماء على شريحة ميكروسكوب زجاجية أو أى سطح مستو ثم وضعها فى الفريزر .

ب -  ما نفعله بالبلورات

اختبر البلورات بالمستقطب المجهرى.

إذا كان لديك نقطة من الماء المجمد على قطعة من الزجاج ، يمكنك النظر اليها فى المستقطب المجهرى المضاء من أسفل لتلاحظ تغير الألوان كلما انصهرت بلورة الثلج وأصبحت رقيقة السمك.

أدر الشريحة فى مستوى اتجاه عقارب الساعة فى المستقطب ولاحظ كيف يصبح لون البلورة معتماً فى بعض المواقع وأكثر إضاءة فى مواقع أخرى.

الجزء الذى يظل على حاله دون تغير يكون جزءاً من نفس البلورة أما الأجزاء التى يكون مظهرها مختلفاً فتكون الحد الفاصل بين بلورتين ويكون له خاصية مختلفة .

ربما ترى جزء معتم فى جميع أوضاع الدوران والسبب فى ذلك أن هذا الجزء يقع محوره الضوئي فى الاتجاه الذى تنظر منه متجهاً إلى أعلى وعمودي على مستوى شريحة الزجاج . إذا جعلت الشريحة تميل بزاوية عن المستوى السابق ستجد أن هذا الجزء أصبح مضيئاً.

إذا كان لديك شريحة رقيقة من الثلج سمكها من 2-3 ملليمتر ووضعتها فى المستقطب المجهري سترى شيئاً مختلفاً تماماً . وحتى لا يبتل المستقطب احمله فى مستوى رأسي كما بالشكل (14).

 

 

ضع شريحة أكبر من الثلج بحيث تظل معتمة عند دورانها فى المستقطب المجهري وانظر بعينيك من أقرب مكان منه ستشاهد خطين متعامدين باللون الأسود على خلفية رمادية اللون.

إذا كانت قطعة الثلج سميكة نوعاً ما ، ستشاهد حلقة صفراء حول الخطين المتعامدين وحلقة حمراء خارجهما. تعرف هذه الظاهرة لدارسي خواص البلورات الضوئية بالتداخل الضوئي (Interference figure ) انظر المرجع رقم (3) .

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

تتكون بلورات الثلج من الماء ، أي من الثلج المنصهر.

يمكن أن نرى حدود البلورات فى قطعة من الثلج بالمستقطب المجهري.

حيث أن الماء أكثر كثافة من الثلج فيمكننا تحويل الثلج إلى ماء بزيادة الضغط وعند درجة حرارة أقل من صفر درجة مئوية يتحول الماء ثانية إلى ثلج بتقليل الضغط .

لاحظ أن الثلج مثله مثل أي مادة  صلبة يمكن أن تكون درجة حرارته أقل برودة من درجة انصهاره.

كثير من الناس عندهم اعتقاد خاطئ بأن درجة حرارة الثلج هي صفر درجة مئوية ولكن نلاحظ أنه عندما يتجمد الماء ويتحول إلي ثلج عند درجة حرارة صفر درجة مئوية، أنه مازال هناك بعض الماء موجودا. 

 

 

2- ساليسلات الفينيل( Salol, Phenyl Salicylate, HOC₆ H₄COO C₆ H₅) 

يمكننا الحصول على ساليسلات الفينيل من مخازن الأدوية والصيدليات.

تستعمل فى علاج القولون.

لاتذوب ساليسلات الفينيل فى الماء ولكنها تذوب فى الكحول الإيثيلي وتنصهر عند درجة حرارة 42 درجة مئوية.

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

ضع قليل من مسحوق ساليسلات الفينيل فى حجم الخرزة على سطح شريحة ميكروسكوب أو قطعة زجاج أو قطعة من رقائق الألومنيوم وسخنها من أسفل بعود ثقاب مشتعل على مسافة بعيدة بحيث لا يؤدي الكربون غير المشتعل من  الثقاب إلى تكوين لون أسود على سطح الزجاج السفلي.

عند انصهار المادة الصلبة أوقف التسخين مباشرةً تجد أن المصهور يبرد وعندما تصل درجة حرارته إلى 42 درجة مئوية يتجمد ثانية ليكون بلورات فى حالة وجود بلورة صلبه تعمل كبذرة.

وحيث أن مسحوق ساليسلات الفينيل يتكون من أجزاء دقيقة فالحبيبة الصغيرة من المسحوق تقوم بعمل البذرة لتبدأ عملية التبلر عندما تبرد درجة حرارة السائل إلى الدرجة المناسبة .

إذا أضيفت كمية كبيرة من المسحوق إلى المصهور ، تبدأ كمية كبيرة من البلورات فى التكوين وتبدأ البلورات المتكونة فى التداخل مع بعضها وبالتالى لن تستطيع رؤية الحدود المستقيمة الجميلة التى تتكون دون تداخل أو مزاحمة البلورات مع بعضها.

شكل بلورات فينيل الساليسلات تشبه تماماً الشكل الرباعي  الموجود فى أوراق الكوتشينة .إذا تتبعت النمو البلوري لبلورة واحدة (بدون أي معوقات) لفينيل الساليسلات بعدسة مكبرة ستجد أنها تأخذ شكل رقائق ثم تنمو وتكبر مع المحافظة على نفس الشكل لاحظ أن طبقات فينيل الساليسلات تتكون فوق بعضها بمعدل آلاف من الطبقات فى الثانية فى نظام وترتيب دقيق بحيث تظل جوانب البلورة مستقيمة جداً والزوايا بينها ثابتة ومتساوية.

عندما يتوقف نمو البلورات ، اختبر كتلة منها بعدسة مكبرة ، سترى أن معظمهم يفتقد الحدود الخارجية ذات الشكل الماسى وذلك لأن البلورات تلامست مع بلورات مجاورة لها فى اتجاهات مختلفة دون نظام.

إذا أدرت كتلة البلورات فى اتجاهات مختلفة فى ضوء ساطع ، سترى أن الضوء ينعكس من الأوجه المسطحة المستوية التى تكونت بدقة ومثالية . وهى أكثر الأسطح مثالية فيزيائياً عن أى سطح يمكن تكوينه بالصنفرة أو التلميع فى البلورات . وهى تتكون من أصغر وحدات بنائية  يمكن إعادة صهر ساليسلات الفينيل وبلوراته ثانية بالتبادل.

 

ب- ما نفعله بالبلورات

حيث أن ساليسلات الفينيل مادة غير لزجة أو كاوية أو سامة أو ضارة بالملابس ، فيمكن وضع شريحة زجاجية مترسبة عليها ساليسلات الفينيل فى جيبك

إذا وضعت على طرف شريحة كتلة كبيرة نوعاً من ساليسلات الفينيل وعلى الطرف الآخر جزء صغير جداً ، ثم قمت بصهر الكتلة الكبيرة مع ترك الكتلة الصغيرة باردة فيمكنك كشط جزء صغير جداً من الجزء الصلب البارد لاستعماله كنواة لتبلر الجزء المنصهر. تستطيع حمل هذه الشريحة معك لتريها لأصدقائك كتجربة لتكوين البلورات .

إذا وضعت طبقة رقيقة من ساليسلات الفينيل المنصهرة بين شريحتي ميكروسكوب وضغطت عليهما برفق ليتجمد بينهما بحيث تلتصق الشريحتان معاً ، سيكون لديك أكثر من ظاهرة مشوقة تستطيع مشاهدتها:

أفحص الساندويتش المتكون من زجاج – ساليسلات الفينيل – بالمستقطب المجهري – أدر الشريحة فى اتجاه عقارب الساعة . إذا لم تستطع رؤية ألوان فى البلورات يدل ذلك على أن طبقة ساليسلات الفينيل سميكة جداً. فى هذه الحالة أعد صهر البلورات واتركها لتبرد ثانية واضغط عليها بدرجة أكثر من المرة السابقة ليقل سمك طبقة البلورات .

سخن جزء صغير جداً من البلورات فى الجزء الأوسط بين الشريحتين حتى يبدأ فى الانصهار وعندها أوقف التسخين حتى لا تنصهر كل طبقة البلورات وتنفصل الشرائح الزجاجية عن بعضها.

افحص البلورات ثانية فى هذه الحالة بالمستقطب المجهري فيظهر الجزء السائل بلون أسود بينما تظهر البلورات المحيطة به مضيئة وبراقة . لاحظ بالعدسة المكبرة تكوين بلورات ساليسلات الفينيل البراقة فى المنطقة السوداء كلما أخذت جزيئات ساليسلات الفينيل غير المنتظمة فى المصهور مواقع منظمة لتكوين البلورات.

 

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

تتحول المادة الصلبة المنتظمة إلى مادة سائلة غير منتظمة .تشبه المادة السائلة الماء ولكنها تختلف عنه فى أنها لا تغلى تحت تأثير حرارة عود الثقاب وتتحول سالسيلات الفينيل إلى مادة صلبة عند درجة حرارة 42 درجة مئوية وهى أعلى من درجة الحرارة التى يتحول عندها الماء السائل إلى صلب الذى يطلق علية ثلج.

تستطيع البلورة الحفاظ على شكلها المثالي وأسطحها البراقة بينما تضيف آلاف الطبقات من جزيئاتها غير المرئية فى الثانية الواحدة.

يظهر سائل ساليسلات الفينيل باللون الأسود فى المستقطب المجهري مثل الزجاج والماء ولكن تظهر بلوراته براقة ولامعة وذات ألوان جذابه كلما كانت الطبقة رقيقة بدرجة كافية.

من الصعب أن يكون سائل ساليسلات الفينيل بلورات.

 

3- بزموت ( عنصر فلزي  Bismuth, Metallic Element, Bi)

 البزموت عبارة عن عنصر فلزي ينصهر عند درجة حرارة  271 درجة مئوية يتميز البزموت بالخاصية النادرة للماء وهى أنه يتمدد عندما يتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة ، أي حالة التبلر.

يمكنك الحصول على البزموت من شركات الكيماويات أو أقسام الكيمياء بالجامعة .

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

اصهر البزموت فى كأس مفتوح ، ثم أوقف التسخين بعد الأنصهار .عندما يبرد الكأس تجد بلورات من البزموت على السطح الداخلى للكأس فى بعض الأحيان يصعب عليك رؤية البلورات ولكن باستعمال ملقاط كبير يمكنك الأحساس بوجودهم تحت سطح السائل المعتم مباشرة.اسحبهم من السائل الساخن بالملقاط ، ( حاول التخلص من الماء العالق على السطح بحرص).لاحظ أن سطح بلورات البزموت يتكون من عدة مدرجات متتالية .(Steps)

 

ب- ما نفعله بالبلورات

ادر البلورات فى اتجاهات مختلفة فى شعاع من الضوء ويفضل أن يكون الشعاع من مصدر ضوئي بعيد. لاحظ أن الأسطح ذات المدرجات (Steps) العديدة تعكس ضوءاً براقاً فى نفس الوقت فى الاتجاهات المختلفة ولكي يتم ذلك يجب أن تكون زوايا سقوط الضوء متساوية أي أن تكون الأشعة متوازية وتسقط على طبقات من وحدات بناء بلورة البزموت الموازية لبعضها فى ترتيب البلورة المنتظم .

يدل الانعكاس على أن المدرجات المختلفة تنتمي إلى نفس البلورة وليست من  بلورات مختلفة ، إذ أن الأسطح المدرجة فى البلورات المتجاورة ينعكس منها الضوء بزوايا مختلفة وغير متوازية.

عند اختبار بلورات البزموت تجد لها فى بعض الأحيان انكسارات ملونة عديدة على أسطحها التي تراها على أجنحة الطاووس وفقاعات الصابون يرجع ذلك إلى وجود طبقة رقيقة جداً من أكسيد البزموت التى تتكون فى بعض الأحيان على أسطح البلورات عندما تبرد. وهذه الطبقة رقيقة جداً لدرجة أن الضوء ينفذ من خلالها إلى سطح بلورة البزموت وينعكس عليها ، عندما يرتد الضوء يقابل شعاع الضوء المنعكس من سطح طبقة الأكسيد ويتداخل شعاعي الضوء مع بعضهما . يؤدى حدوث هذا التداخل إلى إلغاء ألوان معينة من الضوء الأبيض الذى يتكون من ألوان الطيف .

عند إلغاء لون واحد من شعاع الضوء الأبيض يفقد خاصيته ويتحول إلى شعاع ملون ولذلك تظهر أسطح  بلورات البزموت ملونة .لاحظ نفس الظاهرة عند تكون طبقة رقيقة من الزيت طافية على

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

من الممكن أن يحتوى سطح البلورة على مدرجات عديدة ولكن فى نفس الوقت تنتمي إلى نفس البلورة الأحادية وهذا أمكن إثباته عن طريق ثبات المتجهات البلورية

د- تتداخل أشعة الضوء الأبيض المنعكسة من سطحي طبقة رقيقة وتعطى ضوءاً ملوناً.

 

 ثالثا– بلورات من البخار ( الحالة الغازية لنفس المادة)

 

الثلج Ice

فى بعض الأحيان يتكون الثلج وهو مادة صلبة من الحالة الغازية خارج الجدران وذلك عندما يكون الجو شديد البرودة ورطب فيتكون صقيع فى شكل ريش على الأشجار التى تكون غالباً على ارتفاعات شاهقة ، كما يتكون الثلج على زجاج نوافذ المنازل من بخار الماء الموجود خارج المنازل عندما يكون الجو شديد البرودة . (يبين هذه الظاهرة شكل 15).

 

 

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

يمكنك تكوين بلورات ثلج من بخار الماء فى حجرة شديدة الرطوبة وذلك بوضع إناء زجاجي أو معدني مليء بخليط من الثلج المجروش والكحول مع تقليب الخليط بشدة من وقت لآخر ، تجد أن البلورات تتكون على سطح الإناء الخارجي.

البلورات المتكونة لن يكون لها سطح محدد ولكن إذا سقط ضوء ساطع على سطح الصقيع المتكون سترى أنها ذات أوجه صغيرة دقيقة

 

ب- ما نفعله بالبلورات

أفرغ الإناء من الخليط المبرد ولاحظ انصهار الثلج على سطح الإناء الخارجي.

 لم يتكون الثلج كنتيجة لتبريد الماء السائل ولكن بالتبريد المباشر لبخار الماء أي من تحول الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة وبالدفء تتحول الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ( الماء)

إذا تركت الإناء الزجاجي أو المعدني فى درجة حرارة الغرفة لفترة ما ، يتحول الماء ثانية إلى الحالة الغازية أي أنه يتبخر.

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

يوجد بخار الماء ، وهو عبارة عن ماء فى حالة غازية غير مرئية ، فى الجو المحيط بنا، ويتحول إلى ثلج على الأسطح شديدة البرودة

 

ال 2  - النفثالين ( قشور  العتة  C₁₀ H₈ Naphthalene, Moth Flakes)

 

تحذير : النفثالين مادة قابلة للإشتعال.

عرفت مادة النفثالين منذ مدة طويلة على أنها تحمى الملابس الصوفية من العته . يجب آلا تخلط بينها وبين مواد أخرى عديدة أنتجت حديثاً لنفس الغرض كمادة الباراثنائى كلوروبنزين . يباع النفثالين دائماً فى علب ورق على شكل قشور بيضاء طويلة.

 

أ - تكوين بلورات مع ملاحظة نموها

عند تسخين النفثالين تسخينا هينا يتحول مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية ( درجة انصهاره 80 درجة مئوية ) وتعرف هذه الخاصية بالتسامى.تعتبر قابليته الشديدة فى التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية إحدى خواصه المميزة التى جعلته مفيداً فى حماية الملابس الصوفية من العتة.

 من خواص النفثالين أنه شديد القابلية للاشتعال ولذلك يجب عدم تسخينه بالقرب من موقد مشتعل.

أفضل الطرق لتكوين بلورات النفثالين هي كما يلي:

   أ – ضع قليل من قشور النفثالين ( حوالي نصف ملعقة شاي ) فى إناء زجاجي طويل وغطه بعطاء أكبر كثيراً من فتحة الفوهة . يمكنك استعمال قطعة من لفائف الألومنيوم أو الورق لهذا الغرض . لا تحكم الغطاء على فوهة الإناء حيث يؤدى تجمع البخار الساخن داخل الإناء إلى انفجاره.

ضع تحت قاع الإناء مصباح قوى مضاء (100 وات ) تلاحظ لحظياً تكوين بلورات صغيرة على الجزء العلوي البارد من الإناء عندما يقابله بخار النفثالين الدافئ غير المرئي ويؤدى تجاذب جزيئات النفثالين غير المرئية لبعضها فى ترتيب منتظم إلى تكوين بلورة النفثالين.

بعض البلورات يكون شكلها متفرع والبعض الآخر يكون على شكل مجموعات كالريش كشكل الصقيع المتكون على زجاج النوافذ ، كما أن بعض البلورات تتكون على هيئة صفائح رقيقة.

يؤدى تداخل الأشعة المنعكسة من سطحي الرقائق إلى ظهور ألوان متداخلة كما ينتج من طبقة رقيقة من الزيت على سطح ماء أو فقاعات الصابون أو بلورات البزموت.

 

لا يذوب النفثالين فى الماء أو الكحول لذا يستعمل فى تنظيف الإناء من الداخل مذيب آخر هو الأسيتون الذى يستعمل كمزيل لطلاء الأظافر ، أو البنزين.

لاحظ أن كلا من هذين المذيبين شديدا القابلية للاشتعال وسامين إلى حد ما ، لذا يجب استعمالهما بحرص فى مكان شديد التهوية وتستعمل مناشف ورقية للتخلص منها وفى مكان بعيد عن النار.

 

ب - ما نفعله بالبلورات

افحص صفائح النفثالين الصغيرة الرقيقة بالمستقطب المجهري أو بالعدسة المكبرة ترى أنها جميلة جداً. ظهور الألوان من بعض البلورات لم تنشأ بسبب انعكاس الضوء من سطحين بينهما مسافة صغيرة كما يحدث فى فقاعات الصابون ولكنها تنشأ كنتيجة لانكسار الضوء داخل البلورة إلى شعاعين لهما سريعتين مختلفتين ويتداخلان سوياً ليكونا الألوان .

 

حـ – دروس مستفادة من هذا الجزء

هناك بعض المواد يمكن الحصول على بلوراتها من الحالة الغازية مباشرة دون المرور على حالتها السائلة.

 

رابعا - تجارب باستخدام الضوء المستقطب

 

1- طبيعة الضوء المستقطب وطرق الحصول عليه

يعتمد مفهوم الضوء على خواصه شبه الموجية ، فيتحرك الضوء إلى الأمام فى حركة موجية تشبه موج البحر ولكن يجب علينا أن نعرف أن موجات الضوء تكون صغيرة جداً بحيث أن المسافة  بين قمتي موجتين متتاليتين حوالي 5/10000 أو 1/2000 ملليمتر(ألفان منهم عبر رأس دبوس ).

تختلف موجات الضوء عن موجات البحر فى أنها لا تتذبذب فقط إلى أعلى وإلى أسفل ولكنها تتذبذب أيضاً من جانب إلى جانب فى جميع الاتجاهات المتعامدة على اتجاه سريان الضوء.

ولكن يمكن أن يمرر الضوء من خلال شيء يسمح فقط بمرور الضوء الذى يتذبذب فى مستوى معين. يسمى الضوء الذى يتذبذب فى مستوى معين بالضوء المستقطب فى مستوى معين أو للتسهيل بالضوء المستقطب . يسمى الشيء الذى يسبب استقطاب الضوء بالمستقطب. هناك أنواع عديدة من المستقطبات . كل سطح ناعم لافلزي ويعكس الضوء ، يستقطبه جزئياً. الضوء المستقطب من هذا السطح يتذبذب فى اتجاه موازى لهذا السطح ( وطبعاً فى اتجاه عمودي على اتجاه انتشار الضوء).

يعتبر المستقطب الأكثر ملاءمة لدراسة البلورات كما جاء فى هذا الكتاب هو الغشاء المستقطب . يعتبر أكثرهم شهرة منذ عدة سنوات هو المصنع من شركة بولارويد ، ولكن هناك أيضاً أصناف أخرى .يسمح الغشاء بمرور معظم الضوء المتذبذب فى اتجاه معين لمستوى الغشاء.

يمكنك معرفة  اتجاه الضوء المتذبذب باستعمال الغشاء لرؤية الضوء المنعكس من سطح ناعم لافلزي كعتبة (Sill) نافذة مطلية عندما ترى عتبة النافذة أكثر عتامة من خلال الغشاء يكون اتجاه ذبذبة الضوء المار من خلال الغشاء عمودي ، أي بزاوية قائمة على اتجاه عتبة النافذة.

 

البلورات بين المستقطبين المجهريين المتعامدين

 

تعتبر الطريقة الملائمة لحمل مستقطبين لدراسة البلورات هى وضعهم على جانبي صندوق صغير وتثبيتهم فى الصندوق بأستيك كما بالشكل (16).

 

 

يوضح السهم ذو الرأسين فى الرسم التوضيحي اتجاه ذبذبة الضوء المار خلال كل مستقطب.

عندما يثبت  المستقطبين بحيث يكون أحدهما عمودياً على الآخر ، إي أن الضوء المار في كل منهما يكون متعامدا علي الآخر ، يقال أنهما متعامدان. فى حالة خلو المستقطبان المتعامدان من العيوب ، لا يمكن أن يمر أي ضوء من خلالهما. في حالة عدم معرفة اتجاه مرور الضوء خلال كل منهما، يمكنك وضعهم فوق بعض، وتحريك أحدهما إلي أن تظهر العتامة.

لن نقدم دراسة تفصيلية عن البلورات فى الضوء المستقطب فى هذا الكتاب ولكن تستطيع الإطلاع على المراجع المذكورة فى الجزء الخامس .إليك مشاهدة مميزة لبعض البلورات التى قمنا بدراستها فى هذا الكتاب.يمكننا تقسيم البلورات إلى مجموعتين طبقاً لمظهرهم فى المستقطب المجهري.

 

 

هناك بعض البلورات التى تظهر مضيئة فى معظم الاتجاهات تظهر معتمة فى بعض الاتجاهات . فمثلاً تظهر بلورات كبريتات الماغنسيوم الإبرية معتمة فى أي وضع تكون فيه حوافها الطويلة موازية لاتجاه الضوء المسموح به فى أي من المستقطبين كما بالشكل (17).

 

 

أي بلورة تظهر مضيئة فى المستقطب المجهري تظهر ملونة إذا كانت رقيقة جداً ويرجع ذلك إلى أن الضوء المار من خلال هذه البلورة ينقسم إلى شعاعين يتذبذبان فى اتجاهين متعامدين على بعضهما وتكون سرعة أحد هذين الشعاعين أكبر من الآخر . عند خروج هذين الشعاعين من البلورة ومرورهما خلال المستقطب الآخر ، يتداخلان مع بعضهما بنفس الطريقة التى سبق وشرحناها فى حالة بلورات البزموت.على الرغم من أن سبب التداخل يختلف فى هذه الحالة ، لكن هذه الألوان تسمى أيضاً ألوان التداخل .

تعتبر المستقطبات ذات أهمية خاصة فى التعرف على ما إذا كان الجزء الدقيق من المادة يتكون من بلورة أحادية أو أكثر من بلورة واحدة ربما لا نستطيع رؤية الحدود لقطعة صغيرة من الثلج نصف المنصهر فى الضوء العادي ، ولكن بالمستقطب المجهري يمكننا رؤية جزء منها معتم فى أحد الأوضاع والجزء الآخر معتم فى وضع آخر يتضح من ذلك أن هذه القطعة تحتوى على بلورتين كما بالشكل (18)

 

 

 

 3- الثلج والمايكا Ice and Mica

عند دراسة الثلج قمنا بشرح الشكل المتداخل ورؤية الخطين المتعامدين باللون الأسود على خلفية رمادية اللون فى أفضل الحالات.

ربما تجد صعوبة فى رؤية هذا الوضع ، لذا تحتاج إلى استعمال قطعة من الثلج أكثر سمكاً ذات أسطح ناعمة ومساحة تظهر سوداء فى جميع الاتجاهات عندما توضع شريحة الثلج فى اتجاه مواز لمستوى المستقطبات.

تستطيع رؤية شكل تداخل مختلف ببؤرتين بدلاً من بؤرة واحدة بوضع قطعة كبيرة من المايكا فى المستقطب المجهري . فى هذه الحالة يجب أن تكون عين المشاهد أقرب ما تكون من المايكا . حيث أن المايكا لا تضر بالمستقطبات كما يفعل الثلج المبتل فيمكن تثبيتهم بالقرب من جانبي قطعة المايكا. إذا أميل السندوتش المكون من المستقطبين وبينهما الميكا في أي اتجاه بزوايا مختلفة على خط النظر ستكتشف البؤرتين.

ستجد معلومات أكثر تفصيلاً عن الأشكال المتداخلة فى "البلورات والضوء" أحد المراجع المذكورة فى الباب الخامس

 

4- محاليل السكر

إن ظهور البلورة مضيئة فى المستقطب المجهري لايعني أنها بالضرورة تسبب دوران الضوء المستقطب .وإذا أمكن دورانها إلى وضع معين لتظهر تحت المجهر سوداء ، فهي إذن غير نشطة ضوئياً.

يعتبر محلول السكر نشط ضوئياً لأنه يدير مستوى الضوء المستقطب وهذا يعنى أن اتجاه ذبذبة الضوء يتغير تدريجياً كلما تقدم الضوء فى المحلول ، فى حركة تشبه حركة القلاووظ.

إذا تسبب محلول السكر فى إدارة مستوى الضوء المستقطب بنفس القدر لجميع الألوان ، فيمكننا إدارة المستقطب القريب، بالنسبة للمستقطب البعيد ، بالكمية المناسبة بحيث يظهر المحلول معتم فى المستقطب المجهري المضبوط . على أى حال، ستجد أن مستوى استقطاب كل لون مختلف من ألوان الضوء له زاوية دوران مختلفة لكل طول موجي معين للضوء الذى يمر خلال المحلول . بالتالى عند إدارة المستقطب القريب بالكمية المطلوبة لعبور لون معين ستظل الألوان الأخرى مارة من خلالة. ولكن عند استعمال مصدر ضوئى ينتج عنه لون واحد فقط ، يمكننا الوصول إلى العتامة المطلوبة .

يمكنك تجربة ذلك باستعمال قطعة زجاج أو بلاستيك لونها أحمر أو أزرق أو أصفر.

 

البلورات خارج المنزل والفصل الدراسي

 

أ – فى المتاحف

معرض الصخور والمواد الخام

تقوم بعض المتاحف بتصنيف عينات من الصخور والمعادن وكتابة أسمائها ونبذه عنها ويتميز بعضهم بأشكال جميلة وجذابة .

المعادن عبارة عن بلورات طبيعية توجد فى القشرة الأرضية . يبين شكل (19) ثلاثة أنواع من الصخور الطبيعية.

 

 

شكل (19) ثلاثة أنواع من الصخور الطبيعية

 

 

تعتبر زيارة المتحف مهمة حيث أنها تعطيك فكرة عن أنواع البلورات التى توجد خارج المنزل

 

هيئة العاملين بالمتحف ( اقتراحات للزيارات الميدانية )

 يمكن للعاملين بالمتحف أن يقترحوا زيارة أماكن جيدة لمشاهدة البلورات . تنمو البلورات فى الصخور ضد بعضها بحيث تكون حدوداً غير منتظمة ، وبالرغم من ذلك فهى تعتبر بلورات.

يجب أن تشرح للعاملين بالمتحف استعدادك لجمع الصخور المكونة للمعادن والتى لا تتميز بأوجه لامعة جميلة ، وأيضاً التى تتميز بأشكال نموذجية كاملة ومحددة.

 

ب – زيارات ميدانية خارج الجدران

إذا كنت تعيش فى مكان يوجد به صخور ، فربما تجد صخوراً نارية أو بركانية ( تبلرت من حالة منصهرة ) ، أو صخور رسوبية ( تكونت كنتيجة لوجود ماء)، أو صخور متحولة ( تغيرت بالحرارة والضغط، على الرغم من أنها بدأت كواحدة من السابقتين).

 

الصخور النارية أو البركانية التى تبرد ببطء تحتوى على حبيبات كبيرة من المعادن حيث أن بلورات قليلة تبدأ فى النمو فى هذه الصخور فى نفس الوقت وتكبر قبل أن تتقابل مع البلورات المجاورة معها. يبين شكل (20) بركان في حالة متفجرة واتي تتحول ببطء إلي صخور نارية.

 

شكل (20)  بركان قي حالة متفجرة والتي تتحول ببطء إلي صخور نارية

 

 

تتكون هذه الصخور على أعماق كبيرة تحت سطح الأرض . يمكن أن تتكون البلورات العملاقة عند حقن سطح الصخور بالمصهور الفني بالماء فيحدث تبلر بطيء نتيجة لوجود الكمية الكبيرة من الماء.

 

المعادن الشائعة التى تكون مثل هذا النوع من الصخور وهى:

 

الكوارتز: رمادي ، زجاجي ولا يوجد به شقوق.

الفلسبار: أحمر وردي أو أبيض أو رمادي ،قبيح المنظر ، به شقوق.

المايكا: عديمة اللون أو رمادية اللون ، أو سوداء ، بها شقوق متماثلة وتتقشر إلى شرائح.

هورن بلند: وهى معدن يحتوى على سليكات الكالسيوم والماغنسيوم والحديد .لونها أسود ، عبارة عن قضبان قصيرة بها تشققات غير واضحة ، أو حبيبات صغيرة.

عند تبريد مصهور الصخور تبريداً سريعاً تتكون حبيبات أصغر وبالتالى يصعب تمييز المعادن عن بعضها ولكن نفس نوع المعادن يكون المكون الأساسي للصخور.

 

الصخور الرسوبية تتكون عندما تتحول الطبقات الرسوبيه التى تتكون فى الجداول والأنهار إلى صخور عند نقلها إلى البحار.

تكونت هذه الرسوبيات أصلاً من الصخور النارية أو البركانية وبالتالى تجد بها نفس المعادن السابقة.

الفلسبار والميكا يسهل كسرهم عند جرفهم بالنهر كما يمكن تحللهم كيميائياً.

أما الكوارتز فهو أصلد ولايوجد به تشققات ، فيكون تحملة للاحتكاكات أكثر كما أنه أكثر مقاومة كيميائياً وبالتاي يكون أفضلهم .

ولذلك يعتبر الكوارتز أكثر المعادن شيوعاً فى الصخور الرسوبية والحجر الرملي والطين الصفحي أي الطفلة ( حبيبات أدق وأصغر) . تحمل أيضاً الأنهار المواد المذابة على هيئة محلول. أكثر المواد شيوعاً التى تترسب من المحلول هى كربونات الكالسيوم . عندما تتصلد إلى صخور يكون دائماً لها أشكال وتكوينات غاية فى الجمال والدقة ذات لون رمادي فاتح يميل إلى الأبيض وتسمى حجر جيرى.

يسمى المعدن الذى تكون الحجر الجيري كالسيت(Calcite). يترسب الكالسيت أيضاً من الماء على شكل عروق بيضاء صغيرة فى أنواع مختلفة من الصخور. يتم التعرف عليه بسهولة بتشققه المتماثل فى ثلاثة اتجاهات مما يؤدى إلى كسرة إلى قوالب صغيرة . جوانب القوالب ليست مستطيلة الشكل كبلورات الملح ولكنها معينة الشكل ( متوازي مستطيلات).

 

الصخور المتحولة تتكون من الصخور النارية ( البركانية ) والصخور الرسوبية تحت تأثير الحرارة والضغط فى الأعماق الكبيرة فى الأرض وفى بعض الأحيان يساعد على تكوينها محاليل المواد المختلفة التى تسرى بين الصخور يؤدى تحول الحجر الجيري إلى تكوين الرخام حيث يزداد نمو بعض بلورات الكالسيت على حساب البعض الآخر.

يؤدى تحول الطفلة ( الطين الصفحي ) إلى تكوين الأردواز وهو صخر صفائحى محول الذى يتحول بدورة إلى الشست وهو صخر بركاني صفائحى مليء بالمايكا التى تظهر متلالئة وبراقة تحت أشعة الشمس.

الجلمود والحصاة ( الحصية ) والرمل

إذا كنت تعيش فى مكان لا يوجد به صخور ذات كتل كبيرة لدراستها فيمكنك أن تلتقط أي أجزاء صغيرة تجدها . ستلاحظ أنها دائماً متسخة من الخارج وفى بعض الأحيان تجد سطحها متغير وذلك لتأثرها بالعوامل الجوية .أكسرها وافتحها لتشاهد بداخلها سطح نقى نظيف.. إذا كنت تعيش بالقرب من بركان ستجد أن جميع القطع التى تجمعها متبلرة ، أى أنها تتكون كلية من بلورات ، على الرغم من أنها ربما تكون صغيرة وحدودها غير منتظمة .

 

الغرض من تزويدك بأسماء حبيبات المعادن فى الصخور هو مساعدتك على الاستمتاع بدراسة الصخور ولكن ليس بغرض إيجاد علاقات تربط بينهم.

ربما يمكنك الآن معرفة ما إذا كانت الصخور نارية أو رسوبية أو محولة .إذا كانت الصخور نارية ، حاول معرفة من أى نوع من المعادن تتكون حبيباتها  أولاً ثم تعرف على الأخريات التى تتكون حولها فى الفراغات المتبقية.

 

الثلج : عبارة عن مادة بلورية توجد فى الطبيعة دون تدخل البشر وبالتالي تسمى معدن.

 

 يظهر الصقيع على زجاج النوافذ كبلورات لها شكل الريش ( مثل بلورات النفثالين).

فى بعض الأحيان يتكون الثلج كدلاة جليدية من بلورة أحادية . أختبر بلورة نقية بالمستقطب المجهري . ربما تكون أجمل البلورات الطبيعية هى التى تركناها ، القشرة الجليدية . إذا كنت تعيش فى مكان به جليد خذ عدستك المكبرة وأخرج من المنزل عندما يسقط الجليد الدقيق.ربما تتكون كل قشرة من بلورة أحادية ( القشور الكبيرة عبارة عن تجمعات من بلورات عديدة ).

دائماً ما تكون الأشكال العديدة للقشور الجليدية مصدراً للتعجب ولسعادة كل محبي الطبعة وتأملها.

ربما يرجع سبب تكون الأشكال العديدة إلى اختلاف العوامل الجوية التى تنمو فيها بلورات الثلج الصغيرة فمثلاً التغيرات الطفيفة فى رطوبة الجو تؤثر على شكل بلورات الثلج المتكونة. فى العواصف الثلجية تتعرض كل بلورة لتغيرات عديدة خلال فترة نموها . إذا كان هناك بلورتان متكونتان فى ثوان قليلة تحت نفس الظروف ، ففى العواصف تطيران بعيداً عن بعضها وتستمر فى النمو تحت ظروف مختلفة.

نظراً لكل هذه العوامل البيئية المتغيرة والمستمرة نتوقع العديد من التشكيلات البديعة الجمال والمختلفة عن بعضها.

 

حـ – فى المتاجر الكبيرة والمحال الصغيرة

 

زخرفة المباني

 

تستعمل كثير من المتاجر الكبيرة الصخور المصقولة فى تبطين واجهاتها الخارجية وأحياناً الداخلية . تقطع هذه الصخور اللامعة عبر البلورات المكونة لهذه الصخور . يمكن تتبع الحدود الفاصلة بين بلورة وأخرى كما يمكن تمييز حبيبات البلورات المختلفة عن بعضها. يبين شكل (21) قطعة صخرية يظهر بها الفلسبار الأبيض والكوارتز الرمادي والميكا السوداء.

 

 

الرخام ( حجر جيري محول) عبارة عن خام كربونات الكالسيوم فقط . يحتوى الرخام المستخدم فى الزخرفة . والمرتفع الثمن على تعاريق ملونة لاحتوائه على مواد أخرى تضيف إليه تأثير جميل فى الزخرفة إذا قطع السطح المصقول عبر بلورة باتجاه معين لا يختلف عن مستويات انقسامها ، تجد أن البلورة تعكس أشعة الشمس بسطوع إذا نظرت إليه من اتجاه معين . انظر إلى مستويات الانقسام الوميضي كلما مررت بجانب صخور مصقولة يزين بها مبنى . كل هذه الأجزاء التى تعكس الضوء عند نفس الزاوية ( التى تظهر براقة عندما تقف فى مكان واحد) تنتمي إلى بلورة أحادية .

 

محل الجواهر

 

 تعتبر تقريبا كل الأحجار الكريمة بلورات أحادية ما عدا حجر الجاديت وعين القط  فهما عبارة عن أحجار متعددة البلورات ، أما الأوبال فهو غير بلوري على الإطلاق. ينعكس الضوء من أسطح البلورات العلوية كما أنه أيضاً يمر داخل الحجر الكريم لينعكس ثانية من الأسطح السفلية مما يكسب الأحجار الكريمة بريقها المميز . لذا يجب توخى الحرص الشديد لقطع الأسطح الصغيرة بأفضل الزوايا التى تؤدى إلى إكسابها أحسن بريق. يبين شكل (22) مجموعة جميلة من المجوهرات ذات البلورات الأحادية.

 

 

 

 

3- مخزن الأدوية

معظم المواد التى ذكرت فى هذا الكتيب متوفرة عند مخازن الأدوية .إذا أخبرت القائمين على العمل فى مخزن أدوية عن اهتمامك بنمو البلورات ربما يستطيع مساعدتك بإعطائك مواد أخرى ولكن عليك أن تتأكد ما إذا كان هناك خطورة لاستعمال هذه المواد .

 

مراجع أخرى للقراءة

 

ربما تؤدى خبراتك التى اكتسبتها من البلورات التى كونتها بنفسك أو التى وجدتها فى الصخور إلى معرفة المزيد عنهم . هناك مئات من الكتب عن علم البلورات وتود قراءتهم . ولكن دائماً يرهق المبتدئ إذا ما أعطى كم كبير من المعلومات مرة واحدة . تتضمن القائمة التالية كتاب عن النمو البلورd وآخر عن الصخور والمعادن وكتاب عن البلورات فى المستقطب المجهرd.

كل هذه الكتب تحتوى على معلومات عن التناسق الخارجي للبلورات المتكونة تماثلياً والتناسق الذى ينتج عن تماثل تكوينهم المنظم . كل بلورة يكون لها الترتيب المتناسق . يمكنك أن تكون عديد من هذه البلورات فى أفضل الظروف التى تؤدي إلى نمو البلورات بأجمل الأشكال ولها أوجه لامعة براقة.

 

المراجع : References

 

1- أ. هولدن. ، ب. سنجر . البلورات والنمو البلوري .

دبلديي – أمكور ، جاردن سيتى ، نيويورك – أمريكا ( 1960)

 

2-هـ فريدريك بو : مرشد ميدانى عن الصخور والمعادن،

هوتون  ميفلين ، بوسطن ، أمريكا (1960)

 

3-إليزابيث وود : البلورات والضوء ، مقدمة عن علم البلورات الضوئي ، فان نوستراند ، برنستون ، نيوجيرس – أمريكا (1964)

 

4- البلورات : جوردون جريس وإيان مرسر: متحف التاريخ الطبيعي