آنالیز مواد معدنی چیست

آنالیز مواد معدنی، یکی از پرکاربردترین شاخه های علم شناسایی مواد می باشد. مواد معدنی را با استفاده از خواص فیزیکی آنها مانند رنگ، سختی، درخشندگی و بو می توان شناسایی کرد. آنالیز مواد معدنی شامل مواردی مانند رنگ، ساختار بلوری، سختی(کدام ماده معدنی خراشیده می شود یا کدام می خراشد)، چگالی(وزن مخصوص یا چگالی ویژه)، شکست و ورقه ورقه شدگی ماده معدنی (تمایل ماده معدنی به شکافتن در امتداد سطوح ضعیف) می باشد که معمولا با امکاناتی بیشتر از چشم غیر مسلح بررسی می شوند.

دانشمندان بیش از ۴۰۰۰ ماده معدنی در پوسته زمین شناسایی کرده اند. تقریبا تمام پوسته زمین (۹۸.۵٪) متشکل از هشت عنصر آلومینیوم، اکسیژن، سیلیکون، کلسیم، آهن، سدیم، پتاسیم و منیزیم می باشد.

شکل 1: شمایی از پوسته های زمین

برای اینکه یک ماده به عنوان ماده معدنی تلقی شود باید جامد و بلوری باشد و از نظم و آرایش تکرار شونده اتم ها برخوردار باشد. همچنین می بایست دارای ترکیب شیمیایی خاص بوده و به صورت طبیعی ایجاد شده باشد. به عنوان مثالی از مواد معدنی می توان به نمک طعام اشاره کرد. موادی مانند مانند شیشه و فولاد با وجود اینکه  از مواد معدنی تشکیل شده اند، به عنوان ماده معدنی شناخته نمی شوند. شیشه به دلیل اینکه بلوری نیست و از تجمع اتفاقی مولکول ها ایجاد شده است، جز مواد معدنی محسوب نمی شود در حالیکه متشکل از شن و ماسه بوده که غنی از ماده معدنی به نام کوارتز می باشد.

فولاد نیز با وجود اینکه متشکل از مواد معدنی فلزی مختلف مانند آهن، کبالت، کروم، وانادیوم و مولیبدن بوده، یک ماده معدنی نیست چون ساخته دست بشر می باشد و با تعریف مواد معدنی در تناقض است. همچنین مواد معدنی یا غیرآلی ساختاری دارند که مشخصه پسماند بقایای موجودات زنده نیستند در صورتی که مواد آلی (ترکیبات بر پایه کربنی شامل پروتئین، کربوهیدرات و روغن) به وسیله موجودات زنده ساخته می شوند. در نتیجه زغال سنگ که از بقایای موجودات زنده است، ماده ی معدنی نمی باشد.

شکل 2: نمونه از ترکیبات معدنی

روش های آنالیز مواد معدنی

روش های مختلفی برای آنالیز کمی و کیفی مواد معدنی وجود دارد که انتخاب بین آن ها براساس اهداف محقق و مشخصات نمونه هایی که مورد مطالعه بوده، انجام می شود.

شناسایی مواد معدنی به صورت های مختلفی انجام می شود. چهار مورد از مهمترین نکاتی که قبل از شروع هر نوع آنالیز شیمیایی باید بدانیم عبارتند از:

• چه عناصر خاصی را انتظار داریم که شناسایی کنیم؟
• مشخصات این عناصر چیست؟ (مانند وزن اتمی یا عدد اتمی)
• غلضت عناصری که ما با آنها در ارتباط هستیم چقدر است؟ (درصد وزنی یا Weight %، ppt، ppb، ppm)
• فازهای معدنی یا مواد معدنی با کدام عناصر خاص مرتبط هستند؟ این سوال بسیار مهم است خصوصا در جایی که اطلاعات فاز به عنوان کنترل مرتبه اول در سیستم مسیر تحلیلی است.

برای آنالیز مواد معدنی آنالیزهای مختلف فیزیکی و شیمیایی وجود دارد که در ادامه نگاه کوتاهی به آنها خواهیم داشت. در ابتدا نگاهی به انواع آنالیز های شیمیایی می اندازیم. می توان آنالیزهای شیمیایی را به طور گسترده به سه دسته تقسیم بندی نمود:

• آنالیزهای شیمیایی تر (Wet Chemical Analysis)

به صورت کلی شیمی تر شامل حل کردن ماده معنی در یک اسید و سپس آنالیز محلول می باشد. سه روش عمده شیمی تر عبارتند از:

• چگالی سنجی (Gravimetric)
• حجم سنجی (Volumetric)
• کالری سنجی (Colorimetric)

تقریبا برای تمامی این بخش ها نیازمند نمونه های معدنی نسبتا خاص هستیم. این مواد معدنی باید پودر شده و سپس طی یک یا چندین مرحله حل شوند. از سوی دیگر پیدا کردن ماده معدنی خالص در طبیعت دشوار است که ممکن است برای این نوع از آنالیز مشکل زا باشد.

• طیف سنجی پودری یا تر (Powder or wet spectroscopy)
• طیف سنجی در موقعیت (In-situ spectroscopy)

در تمامی روش های اسپکتروسکوپی یک منبع انرژی وجود دارد که برای بمباران کردن نمونه جهت تولید یک سیگنال الکترومغناطیسی استفاده می شود که می توان توسط آن نمونه را شناسایی و آنالیز نمود. روش های اسپکتروسکوپی متنوعی برای مشخصه یابی عناصر و ترکیبات آنها وجود دارد. در تمامی اسپکتروسکوپی ها انرژی اولیه مشابه دارند که در تمامی آنها بوسیله انرژی که نمونه بمباران می شود الکترون ها و یا نوترون ها می توانند تهییج شوند. الکترون ( و نوترون) می تواند سطح انرژی را تغییر دهد. متعاقبا آنها می توانند به حالت اولیه برگردند و انرژی مشخصه یابی را آزاد سازند. در این دستگاه ها دتکتورها طوری قرار می گیرند که بتوانند خصوصیات خاص طیف الکترومغناطیس مانند انرژی های خاص، طول موج های خاص، فرکانس  های خاص را ببینند.

از جمله دستگاه هایی که در این مجموعه قرار می گیرند، آنالیز ICP  یا همان پلاسمای جفت شده القایی  و آنالیز طیف سنجی جذب اتمی یا AAS می باشند. هردوی این تکنیک ها برای آماده سازی نمونه ها از شیمی تر استفاده می کند. نمونه های انحلال یافته سپس به داخل محفظه ای اسپری و تا دمای بالا گرم می شوند.

آنالیز ICP ترکیب عنصری مواد معدنی را شناسایی می کند. معمولا با توجه به غلظت عنصر مورد نظر از ICP-MS یا ICP_OES استفاده می شود.

طیف سنجی رامان (RAMAN ) یکی دیگر از راه های شناسایی مواد معدنی و فازهای معدنی می باشد و از آن برای تشخیص تمایز بین پلی مورف های مختلف، استفاده می شود. از آنالیز FTIR  نیز می توان جهت بررسی پیوندها استفاده نمود.

روش های متداول دیگر مانند آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD)  برای تعیین ساختار کریستالی و فازهای موجود ( قابل اعمال روی مواد کریستالی یا آمورف خالص)،  آنالیز فلورسانس پرتو ایکس (XRF) تعیین عناصر موجود و غلظت آنها در نمونه ی معدنی استفاده می گردد. شایان ذکر است XRF  تنها قادر به تشخیص عناصر سنگین تر از اکسیژن تا سطح ppm را دارد.

آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM ، نیز روشی مناسب برای مشاهده سطح شکست و ورقه ورقه شده ی ماده معدنی می باشد و موفولوژی آن را می توان با این روش بررسی کرد.  تعیین جنس و تعیین اندازه ذرات پودرها در ابعاد نانومتری بررسی مورفولوژی، هیستوگرام توزیع اندازه ذرات در صورت هم شکل بودن نمونه ها از جمله نتایج حاصل از انجام این آنالیز می باشد.