كيمياء المعادن العملية

يقوم تطور الكيمياء على ثلاثة قوائم قديمة. يتشكَّل أحد هذه القوائم من الجذور الروحانية والباطنية والمفاهيمية للكيمياء، والتي بدأت بالثنائي المتقابل، والعناصرالأربعة، ثم تطوَّرت إلى المواد الثلاث الأصلية (الزئبق والكبريت والملح) والتي انبثَقَت منها نظرية بيشر عن العنصر الذي يعطي خواصَّ زيتية كبريتية وقابلة للاحتراق، أصبحت بدورها نظرية الفلوجستون لشتال. أما القائم الثاني، فيتشكَّل من الخبرة الكيميائية الطبية العملية، والتقنيات والأجهزة المُستَوحاة من عمليات الاستخلاص والتقطير التي كانت تُجرى باستخدام أعضاء الحيوانات والنباتات التي كانت توفِّر الأدوية. وقد آل الحال بتلك الكيمياء القائمة على الحيوانات والنباتات إلى أن أصبحت الكيمياء العضوية والكيمياء الحيوية الحديثة التي نَعرفها اليوم. أما القائم الثالث، فهو كيمياء المعادن التي انبثقت من التعدين وفنون المعادن القديمة. وبعيدًا عن التقنيات المكتسَبة والأجهزة المُطوَّرة، فقد كان ذلك الفرع من الكيمياء، كيمياء الفلزات والمعادن، هو أول فرع من الكيمياء يَربِط بين التجربة والنظرية الكيميائية على نحو فعلي، وقد تطوَّرت هذه الكيمياء في النهاية لتُصبح الكيمياء اللاعضوية.

يَستعين جون ويبستر في كتابه « تاريخ المعادن » المنشور عام ١٦٧١ ، باقتباس من الكتاب المقدَّس يرجع كيمياء المعادن إلى عهد النبي موسى، الذي أشار فيه بدوره إلى « توبال قايين » ،( سفر التكوين، الإصحاح ٤، الآية ٢٢ ) « ثامن بشري من نسل آدم » الذي ذكر الكتاب المقدس أنه كان يعمل في الحديد والنحاس. وفيما يلي الكيفية التي ربما اكتشف بها توبال قايين كيمياء المعادن:

عبر الغابات توبال مُمسكًا بقوسه ومخلته، في مطاردة مجهدة يجد جبلًا يحترق، ومن فوَّهتِه التي تندلع منها ألسنة اللهب يجري نهر من الحديد عبر السَّهل يفكر الصيَّاد الفطِن، ويجدُّ الخطى إلى هناك، ومن التأمل مليٍّا أمكنه الوصول.

وأدرك للمرة الأولى أن هذا المعدن الساخن المُنساب إذ تبرد حرارته، يُمكِن أن يتشكَّل في أي هيئة، وتزداد حدته كثيرًا، حتى إنَّ على حافته المدبَّبة تنقسم أكثر المواد صلابة.

درس جورج باور (1449-1555)، الذي يُدعى باللاتينية جورجيوس أجريكولا (كلمة باور في الألمانية، وأجريكولا في اللاتينية تعنيان «الفلاح») الطب، وربما حصل على شهادة الطب في إيطاليا، وفي عام ١٥٢٦، عاد إلى ألمانيا، حيث استقرَّ في منطقة تعدينية في بوهيميا. وقد عمل أجريكولا طبيبًا لعمال المناجم، ونما لديه اهتمام بالتعدين وكيمياء المعادن. ورغم أنه ألَّف عملًا في قواعد اللغة اللاتينية، وأعمالًا دينية، إلى جانب عمل طبي عن الطاعون، فإن أعماله عن كيمياء المعادن هي التي خُلِّدت. ويُظهر الشكل 2-11 صفحة العنوان لأول كتاب لأجريكولا عن كيمياء المعادن، الطبيب جورجي أجريكولا، محاورات حول التعدين الذي نُشر في بازل عام ١٥٣٠ بواسطة دار فروبن للنشر. كان كتاب «محاورات حول المعادن» هو أول كتاب عن علم المعادن يُنشر في أوروبا، وهو نادر إلى حدٍّ بالغ. أما الكتاب الذي كان أشمل فعليٍّا عن كيمياء المعادن، فهو كتاب فانوتشو بيرينجوتشو «عن التقنية النارية» (فينيسيا، ١٥٤٠)، وسنعود إليه عما قريب.

تُوفي أجريكولا بعد ربع قرنٍ من نشر كتابه «المحاورات» عام ١٥٣٠ ، وفي العام التالي نُشِر كتابه الأشهر « كتاب المعادن الثاني عشر »  في بازل. ورغم أن أجزاءً كبيرة من الكتاب مُقتبَسة من عمل بيرينجوتشو ومن أطروحات أخرى معاصرة، فإن كتاب أجريكولا لخص حياة كاملة قضاها في التجارب والمشاهَدات والتعلم. وقد بدأ كتابه بطُرُق مسح الجبال، والعروق المعدنية التي تحوي في باطنها المواد الخام، وتخطيط أماكن حفر فتحات المناجم. ويُصوِّر الشكل 2-12, وهو من « كتاب المعادن الثاني عشر » استخدام شبه دائرة (منقلة) مثبتة بعناية لمسح المناجم وتخطيطها.

 كلُّ ما يسع المرء أن يتصوره هو أنه كان لشركة التنقيب عن المعادن مديرون تقدميون يشجعون مسَّاحيهم

على عدم تقييد أنفسهم سواء على المستوى الفكري أو على مستوى ملابسهم. ويصوِّر الشكل 2-13 آلة يجرها حصان لإخراج المياه من المناجم. وكانت الحجرة الجوفية تُدعم بالألواح الخشبية للحيلولة دون سقوطها على عمال المنجم وموتهم. وكان مكبس الفراغ يحتوي على حقيبة جلدية محكمة الغلق في أسفله، كانت تدفع الهواء إلى الخارج في حركتها إلى أسفل وتسحَب مياه التصريف في حركتها إلى أعلى.

يُوضِّح الشكل 2-14  معملًا يحوي أجهزة تقطير لتركيب « الماء القوي » وتنقيته. والماء القوي هو مُصطلَح كان أجريكولا يُطلقُه على العوامل الحمضية القوية، بما في ذلك ماء الحياة (أكسيد النيتريك)، والماء الملَكي (مزيج من حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك بنسبة ١:٣ ).

 (ويرتبط أصل لفظ valens معنى القوي) بالمصطلح الكيميائي ) الحديث (valence) الذي يشير الى « القدرة على الاتحاد » على سبيل المثال، اتحاد ذرة بذرَّة هيدروجين، أو بذرَّتي هيدروجين … إلخ.) ويُوضِّح الشكل 2-14 عملية تقطير عادية للماء القوي. وتتضمَّن عملية التقطير أمبولة (او انبيق تقطير, K) تحتوي على مزيج من النتر أو نترات البوتاسيوم (KNO3), وحمض الكبريتيك، والماء، بالإضافة إلى بعض الألومنيوم (كبريتات الألومنيوم، وكبريتات البوتاسيوم)، وتُوصِّل بالإنبيق H. يُسخن هذا الإنبيق بالفحم (المخزن في مخزن في باطن الأرض, F) في اتون A, ويُلاحظ تصاعد أدخنة حمراء ويجمع حمض النيتريك السائل قطرةً بقطرة. وتضاف كميات ضئيلة من الفضة عادةً للحمض المقطَّر لترسيب كميات قليلة من الكلوريد الذي تقطر هو الآخر بسبب شوائب ملح البحر الموجودة في المواد الأولى.

يُستخدَم حمض النيتريك المُنقى « لفصل » الذهب عن الفضة والمعادن الخسيسة الأخرى؛ لأن الذهب يفقد خواصَّه التفاعلية تحت هذه الظروف. أولًا: يُضاف الرصاص وتُسخَّن السبيكة غير النقية في بوتقة من العظام إلى أن يذوب المعدنان الأقل تفاعلية — الذهب والفضة في هذه الحالة — فيما تتأكسد المعادن الخسيسة وتتَّحد مع البوتقة العظمية. بعد ذلك تُخلط سبيكة الذهب والفضة بحمض النيتريك — فتذوب الفضة، ويترسَّب الذهب في القاع، ثم يُرشَّح، ثم يُغسل.

لا بدَّ أن نضيف إلى هذه المعلومة العلمية المفيدة اعتقاد أجريكولا في وجود « جن » المناجم التي كانت انبعاثاتها ذات تأثير مُميت على عمال المناجم. وقد نشر أجريكولا كتابًا في عام ١٥٤٩ تضمن وصفًا للسلمندر الذي لا يتأثر بالنار (ربما كان يأخذ استعارة السلمندر، المبينة في الشكل 1-21, بجدِّيَّة مُبالغ فيها قليلًا). ومع ذلك، أوضح ويبستر — الذي لم يكن يومًا رءوفًا في نقده — قيمة كتاب أجريكولا الشهير جيدًا في عام  ١٦٧  ، أي بعد أكثر من قرن تقريبًا من صدور« كتاب المعادن »: أما عن دقِّ المعادن الخام وطحنها وغربلتِها وغسلها لإزالة ما علق بها من شوائب وعوالق من الأرض، فقد أفاض جورجيوس أجريكولا بإسهاب واستنارة أكثر مما فعل أي مؤلف آخر أعرفه. وأتمنَّى أن يكون هناك شخص يَملك من القدرة والتفرُّغ ما يُمكنه من ترجمة كتاب أجريكولا إلى الإنجليزية؛ فقد يَحمِل فائدةً كبيرة لعمال مناجمنا، الذين لا يَملكون من المعرفة ما يُمكنهم الاسترشاد به، إلا ما يَعرفونه بعضهم من بعض. تحقَّقت أمنية ويبستر أخيرًا بعد ذلك بنحو ٢٤١ عامًا على يد شخصين لهما من القدرة أعظمها ومن التفرغ أشحُّه هما: هربرت هوفر — الذي أصبح لاحقًا رئيسًا للولايات المتحدة الأمريكية — وزوجته لو هنري هوفر، أول جيولوجية تتخرج في جامعة ستانفورد.

أما فانوتشو بيرينجوتشو (1480-1539), فقد كان حظُّه من الشهرة أقل كثيرًا من أجريكولا ومع ذلك، فإن كتابه  « علم المعادن » الذي نُشرعام ١٥٤٠ في فينيسيا كان أول كتاب شامل عن التعدين وعلم المعادن علاوةً على فخامة الصور الواردة به. وقد ظهرت أول ترجمة إنجليزية له بعد أكثر من أربعة قرون من نَشرِه؛ أي في عام١٩٤٢، وهو الأمر المُثير للدهشة!   كان بيرينجوتشو مُنخرِطًا للغاية في الشأن السياسي في عصره، وكان يتمتَّع بالمعرفة والخبرة العسكريتَين، وكان يُدير ترسانة البابا  (تمامًا مثلما أدار لافوازييه — من بعده بحوالي أكثر من القرنين — ترسانة لويس السادس عشر). لم يكن بيرينجوتشو يؤمن بعملية التحويل، وكان من أوائل من لاحظوا زيادة وزن الرصاص لدى تكلُّسه:

يبدو لي تكلس الرصاص في الفرن العاكس أمرًا رائعًا ومهمٍّا، حتى إنني لا أستطيع أن أمُرَّ عليه مرور الكرام؛ إذ اكتُشِف في الواقع أن وزن جسم المعدن يزداد ٨ أو ربما ١٠ بالمائة عما كان عليه قبل التكلس. وتتجلَّى غرابة هذا الأمر عند النظر إلى أن طبيعة النار هي الْتِهام كل شيء مما يُصاحبه تضاؤل في المادة، ولهذا السبب فإنَّ المفترض أن تقلَّ قيمة الوزن، لكننا اكتشفنا أن الوزن يزداد في الواقع.

وقد بتْنا نعلَم الآن أن أكسدة الرصاص لتكوين أكسيد الرصاص الثنائي (PbO) لا بد وأن تتضمَّن زيادة نسبية في وزن المعدن تُقدَّر ب ٧٫٧ بالمائة.

يُصوِّر الشكلان 2-15 و 2-16 المأخوذان من كتاب « التقنية النارية » المنشور عام 1540 خمسة أنواع مختلفة من بَوتَقات فصل المعادن الضخمة. في المعتاد نَعتبِر البوتقات أكوابًا صغيرة مقولبة مصنوعة، على سبيل المثال، من العظام؛ حيث تُسحَق العظام المتكلِّسة وتُطحَن مع شراب الشعير حتى تُصبِح معجونًا، ثُم توضَع في قالب، وتُجفَّف، وتُحرَق.   يُمكِن تسخين الفضة الخام إلى درجات حرارة مُرتفِعة في هذه البوتقات، بحيث تتأكسَد المعادن الأكثر تفاعلية، ويمتصُّ جسد البوتقة تكلساتها فعليٍّا، ثم تُترك الفضة المُنصهِرة لتبرد وتشكل فضة صلبة خالصة. تلك البوتَقات الضخمة المبيَّنة في الشكلين 2-15 و 2-16 كانت مصنوعة من رماد الخشب، والقرميد المسحوق، والحجر الجيري، وزلال البيض، وكانت تُستخدم في تنقية كميات ضخمة مِن الفضة.  ويُوضِّح الشكل 15-2 في الصفحة اليُسرى عاملًا يصنع موقد بوتقة صهر ضخمة.

أما الصورتان العليا والسُّفلى في الصفحة اليُمنى من الشكل 2-15, فتُبيِّنان بوتقتَي صهر ضخمتَين للأولى قبة قرميدية وللثانية غطاء حديدي على التوالي. أما في الشكل 2-16, فتظهَر الصورة العليا في الصفحة اليسرى من الشكل موقد بوتقة مغطٍّى بصحائف من الفخار، فيما تُوضِّح الصورة السُّفلى جذوعًا خشبية تُغطِّي فرن بوتقة صهر.

يُعتبَر كتاب أجريكولا « محاورات حول المعادن » وكتاب بيرينجوتشو « التقنية النارية » ضمن  مقدمات العلوم؛ وهي عبارة عن مائتَي كتاب ونشرة تأريخية في مكتبة ديبنر في معهد سميثسونيان, ثَمَّةَ كتاب آخر عن التعدين وعلم المعادن ضمن هذه القائمة النادرة أيضًا بعنوان « أطروحة في وصف أهم أنواع المعادن الخام والفلزات » ، (1574, براغ) لمؤلِّفه لازاروس إركر. والشكل 2-17 من صفحة العنوان من الطبعة الثانية من هذا الكتاب الجميل نصفيَّة القَطْع. يُصوِّر هذا الشكل مجموعة كاملة من العمليات في معمل فاحص معادن في القرن السادس عشر.

وقد صدر من هذا الكتاب الفاخر ثماني طبعات في مدينة فرانكفورت كانت أوُلاها في عام 1574 والأخيرة في عام 1736. وقد حُفِظَت القوالب الخشبية الرائعة التي استُخدِمت في طباعة الرسومات في طبعة.

عام ١٥٧٤ وأعُيد استخدامها على مدار المائة والاثنين والستين عامًا التالية التي صدَرَت . إبانها الطبعات الثماني من الكتاب، وقد صدَرَت طبعة هولندية منه في عام ١٧٤٥ من المُثير للاهتمام أن أول كتابَين من كتب التعدين وفحص المعادن وعلم المعادن الثلاثة العظيمة التي صدَرَت في القرن السادس عشر قد تُرجِمت إلى اللغة الإنجليزية بعد أربعة قرون تقريبًا من تاريخ نشرها الأصلي، وهي: كتاب بيرينجوتشو « التقنية النارية» (فينيسيا، ١٥٤٠ ؛ شيكاجو، ١٩٤٢ )، وكتاب أجريكولا « عن المعادن », ( بازل، ١٥٥٦ لندن، ١٩١٢ )، إلا كتاب إركر « أطروحة في وصْف أهم أنواع المعادن الخام والفلزات »  (فرانكفورت، ١٥٧٤ )؛ فقد ترجمه سير جون بيتوس  بعد قرن واحد (لندن، ١٦٨٣) من تاريخ نشر أول طبعة له في فرانكفورت. ويَعتقِد كلٌّ من أناليسا جرونهالت سيسكو، وسيريل ستانلي سميث أن السبب وراء الترجمة الإنجليزية المُبكِّرة لكتاب إركر في القرن السابع عشر ربما يكون أن ذلك الكتاب كان الأحدث، من بين الكتب الثلاثة العظيمة؛ ومن ثمَّ لا يزال مُحتواه ساريًا. لعب بيتوس (1613-1690) دورًا عسكريٍّا بارزًا في حرب إنجلترا الأهلية، وفي وقتٍ ما وقع أسيرًا في يد أوليفر كرومويل على مدار ١٤ شهرًا. وبعد الاسترداد، خدم بيتوس كمفوض لاسترداد الأسرى لنائب الأميرال، وقد أصيب إصابة بالغة في ساقه خلال معركة بحرية مع الهولنديين من الجوانب المُثيرة للاهتمام في ترجمة بيتوس لإركر « فليتا ماينور » أو (قوانين الفن والطبيعة، في معرفة أجسام المعادن الصغيرة، وتحديدها، وفحصها، وتصفيتها، وتنقيتها، وتكبير حجمها) هو إبدال رسوم إركر المطبوعة بالقوالب الخشبية التي تعود إلى القرن السادس عشر برسوم لأشخاص إنجليز يَرتدون أزياءً تنتمي إلى نهايات القرن السابع عشر منحوتة على صفائح نحاسية. ويُصوِّر الشكل 2-18 المأخوذ من ذلك الكتاب فاحص معادن إنجليزيٍّا معاصرًا. وتتضمَّن الأشكال من 2-18 الى 2-22 شروحًا جزئية مُصاحبة للصور النحاسية.

 فيصف الشكل 2-19 عملية صنْع البوتقات المصنوعة من معجون العظام المسحوقة وقولبتها.

ويُمثِّل الشكل 2-20 مشهدًا في معمل لفحص الذهب؛ الوعاء مخروطي الشكل على يَمين الصورة هو قنينة فصل، لفحص الذهب، موضوعة على حاملها. والقطعة الخشبية المعلَّقة إلى يمين الفاحص في خلفية هذا الشكل تحتوي على شقٍّ لرؤية الفرن من خلاله مع حماية عينك من الحرارة.

وأما الشخص المتصدِّر الصورة، فإنه يَختبر كثافة الفضة «المحتوية على الذهب» في الماء. ويدلُّ «ماء النار» المشار إليه في الشكل 2-21 على حمض النيتريك.

ويُصوِّر الشكل 2-22 صهر البزموت في الهواء الطلق. من المُمتع أن تقارن الأشكال 2-19 و 2-21 و 2-22 بنظيرتها الواردة في الكتاب الألماني الصادر في القرن السادس عشر. استُوحيَ عنوان كتاب بيتوس المثير للانتباه هذا, ،« فليتا ماينور » من آخر سنوات حياته التي قضاها في سجن فليت، حيث ألَّف عمله. يخبر بيتوس قرَّاءه قائلًا ((يبدو من عجائب القدر أن إنسانًا قدَّم كثيرًا لمليكه ووطنِه يُقاسي بسبب اتهامات وجهَّتها له امرأة معدومة الضمير، تصادف أن تكون زوجته، ليقضيَ آخر سنوات حياته متفجِّرة النشاط التي أفناها في إفادة البشرية حبيسًا في سجن فليت)).