عنصر الكربون: من الخواص إلى التفاعلات الكيميائية، دليل شامل

هذا المنشور عبارة عن دليل شامل عن عنصر الكربون، يُلخِّص الخواص الفريدة، والتفاعلات الكيميائية، وأهميته في الطبيعة والصناعة. يُعتبر الكربون (Carbon) أحد العناصر الأساسية للحياة، ويحتل المركز الثاني بعد الهيدروجين في وفرة المركبات العضوية.

الكربون عنصر كيميائي يمكن أن يتواجد في أكثر من شكل؛ وهذه الأشكال تُعرف بالتآصل، مثل الألماس والجرافيت والفوليرينات. ويرمز له بالرمز C، ويقع في الدورة الثانية والمجموعة الرابعة عشرة (14) من الجدول الدوري، وفق الترقيم الحديث للعناصر، تحديدًا بين البورون والنيتروجين، وأعلى السيليكون. وهو عنصر غير فلزي يمتلك خصائص متنوعة حسب الشكل التآصلي الذي يتخذه، كما يأتي في المرتبة السادسة بين أكثر العناصر وفرة في الطبيعة[1][2][3].

يعد الكربون العنصر الأساسي في الكيمياء العضوية، حيث تسمى المركبات المحتوية عليه بالمركبات العضوية، باستثناء بعض المركبات غير العضوية مثل حمض الكربونيك وأملاحه، وثاني أكسيد الكربون، والكربيدات والسيانيدات. يتميز الكربون بقدرته على تكوين أربع روابط تساهمية، مما يمكنه من تشكيل سلاسل جزيئية طويلة، سواء مستقيمة أو متفرعة أو حلقية، كما يمكنه تكوين روابط كربون-كربون وروابط مع عناصر أخرى مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين [1].

يشكل الكربون نحو 18-20% من كتلة الكائنات الحية، وهو ثاني أكثر العناصر وفرة في أجسامها بعد الأكسجين. كما أن عدد المركبات العضوية المحتوية على الكربون يتجاوز بكثير عدد المركبات غير العضوية، إذ يُقدر بعدة ملايين[15]. عند تعرض بقايا النباتات والحيوانات للتحلل تحت الضغط والحرارة على مدى فترات زمنية طويلة، تتحول إلى فحم، وهو أحد أشكال الكربون غير النقية، حيث يحتوي على شوائب وعناصر أخرى بجانب الكربون.

خواص الكربون

يتميز الكربون بتنوع فريد في خصائصه، والتي تنقسم إلى:

الخواص الذرية

الخصائص الذرية - العامة للكربون
الخاصية	القيمة
الاسم	كربون، Carbon
الرمز	C
العدد الذري	6
الوزن الذري	12.011
عدد الأغلفة	2
مستويات الطاقة الرئيسية	K,L
مستويات الطاقة الفرعية	s,p
التوزيع الإلكتروني	$1s^2, 2s^2, 2p^2$
أعداد الأكسدة	4، 3، 2، 1، 0، -1، -2، -3، -4
الكهروسالبية	2.55 (مقياس لينوس بولينج)
نصف القطر	تساهمي: أوربيتال (sp³): 77 بيكومتر أوربيتال (sp²): 73 بيكومتر أوربيتال (sp): 69 بيكومتر فان دير فالس: 170 بيكومتر
طاقات التأين (كيلوجول/مول)[7]	نظريا: يمتلك 6 طاقات تأين: الأولى: 1086.5 الثانية: 2352.6 الثالثة: 4620.5 الرابعة: 6222.7 الخامسة: 37831 السادسة: 47277

التركيب الإلكتروني لعنصر الكربون — شكل يوضح تركيب ذرة الكربون. يشير رمز "-e" إلى الإلكترونات بينما العلامة "+" تشير إلى البروتونات الموجودة مع النقاط الدائرية البنفسجية في المساحة الصفراء التي تمثل نواة الذرة.

نظائر الكربون

يحتوي الكربون على ستة بروتونات، مما يعني أن عدده الذري هو 6. ويوجد الكربون بشكل طبيعي في ثلاثة نظائر مختلفة:

النظائر الطبيعة للكربون
النظير	عدد البروتونات	عدد النيوترونات	الوفرة الطبيعية	الاستقرار
الكربون-12	6	6	~99%	مستقر
الكربون-13	6	7	~1%	مستقر
الكربون-14	6	8	نادر	غير مستقر (نصف عمر 5730 سنة) [15]

إضافة نيوترون واحد يمكن أن يغير خصائص النظير بشكل كبير. الكربون-12 مستقر، ويمثل حوالي 99% من الوفرة الطبيعية للكربون، بينما الباقي عبارة عن كربون-13 [15]. أما الكربون-14 فهو نادر وغير مستقر، ويتحلل بمعدل نصف عمر يبلغ حوالي 5730 سنة. هذا التحلل يجعل كمية الكربون-14 في جسم ما تعمل كساعة تُظهر عمر الجسم في عملية تُعرف بـ"التأريخ الكربوني".

تتمتع النظائر بخصائص فريدة تجعلها مفيدة في مجالات متعددة مثل التشخيص والعلاج الطبي، واستكشاف النفط والغاز، والبحوث الأساسية، والأمن القومي [10].

الخواص الفيزيائية

خواص الكربون الفيزيائية
الخاصية	القيمة
الطور	صلب
التصنيف	لا فلز
اللون	ألماس: الشكل النقي عديم اللون[4] الجرافيت: رمادي غامق-أسود[5] الفحم: أسود
الكثافة	ألماس: 3.513 جم/سم٣ الجرافيت: 2.2 جم/سم٣ غير-بلوري: 1.8-2.1 جم/سم٣
نقاط الغليان	عند 4827 °م (8720.6 °فهرنهايت، 5100.15 كلفن)
نقاط الانصهار	3367 °م (6092.6 °فهرنهايت، 3640.15 كلفن)[6].

الخواص الكيميائية

خواص الكربون الكيميائية
الخاصية	الوصف
التفاعلية	الكربون يتفاعل مع العديد من العناصر الأخرى، بما في ذلك الأكسجين والماء والمعادن.
النشاط الكيميائي	الكربون يعتبر عنصرًا نشطًا كيميائيًا، ويتفاعل بسهولة مع العناصر الأخرى.
السمية	الكربون نفسه غير سام، ولكن بعض المركبات التي يشكلها يمكن أن تكون سامة، مثل أول أكسيد الكربون ( $\ce{CO}$ ) الذي يمكن أن يسبب التسمم.
الثباتية	الكربون عنصر ثابت ولا يتحلل بسهولة، وهذا يجعله مفيدًا في العديد من التطبيقات، مثل صناعة المواد البلاستيكية والأدوية.
القابلية للتشكيل	الكربون يمكن تشكيله بسهولة إلى أشكال مختلفة، مثل الماس والغرافيت والفحم، وهذا يجعله مادة مفيدة في العديد من التطبيقات.
القابلية للتوصيل الكهربائي	الكربون يمتلك قدرة عالية على التوصيل الكهربائي، ويستخدم في العديد من التطبيقات الإلكترونية، مثل صناعة البطاريات والأجهزة الإلكترونية.

التفاعلات الكيميائية

يكون الكربون قليل التفاعل في درجة حرارة الغرفة، لكن لديه تفاعلات مع عدد كبير من العناصر الكيميائية في درجات حرارة أعلى. وأحيانا بوجود عوامل مساعدة.

تفاعل الكربون مع الهواء: يحترق الكربون، سواء كان على شكل الجرافيت أو الماس، ليشكل غاز أكسيد الكربون (الكربون الرباعي)، $\ce{CO2}$ . ويحترق الماس أيضًا في الهواء عندما يسخن إلى 600-800 درجة مئوية - وهو طريقة مكلفة لصنع ثاني أكسيد الكربون!. $\ce{C(s) + O2(g) → CO2(g)}$

عندما يتم تقييد إمدادات الهواء أو الأكسجين، يحدث احتراق غير كامل ليشكل أول أكسيد الكربون، CO. $\ce{2C(s) + O2(g) → 2CO(g)}$

هذا التفاعل مهم في الصناعة، حيث يتم تفجير الهواء عبر الكوك الساخن. والغاز الناتج يسمى غاز المُنتِج وهو خليط من أول أكسيد الكربون (25%)، ثاني أكسيد الكربون (4%)، النيتروجين (70%)، وآثار من الهيدروجين $\ce{(H2)}$ ، الميثان $\ce{(CH4)}$ والأكسجين $\ce{(O2)}$ .

يجب الإشارة إلى أن أول أكسيد الكربون مركب سام، لذلك يجب التأكد من أن التفاعل يتم في جو كافي من الأكسجين وأخذ الاحتياطات اللازمة للسلامة.

اقرأ المقالة الكاملة عن إجراءات السلامة في معمل الكيمياء

تفاعل الكربون مع الماء: لا يتفاعل الكربون، سواء كان على شكل الجرافيت أو الماس، مع الماء في الظروف العادية. ولكن يصبح التفاعل مهمًا تحت ظروف أكثر قسوة. في الصناعة، يتم تفجير الماء عبر الكوك الساخن. والغاز الناتج يسمى غاز الماء وهو خليط من الهيدروجين (H2، 50%)، أول أكسيد الكربون (CO، 40%)، ثاني أكسيد الكربون (CO2، 5%)، والنيتروجين والميثان (N2 + CH4، 5%). إنه غاز مهم لصناعة المواد الكيميائية. $\ce{C + H2O → CO + H2}$

هذا التفاعل هو تفاعل امتصاص للحرارة (ΔH° = +131.3 كيلو جول/مول؛ ΔS° = +133.7 جول/كلفن/مول)، مما يعني أن الكوك يبرد خلال التفاعل. ولمواجهة ذلك، يتم استبدال تدفق البخار بالهواء لإعادة تسخين الكوك والسماح بحدوث تفاعلات أخرى.

تفاعل الكربون مع الهالوجينات: يتفاعل الجرافيت مع الفلور، $\ce{F2}$ ، عند درجات حرارة عالية ليشكل خليطًا من رباعي فلوريد الكربون، $\ce{CF4}$ ، جنبًا إلى جنب مع بعض $\ce{C2F6}$ و $\ce{C5F12}$ . $\ce{C(s) + excess F2(g) → CF4(g) + C2F6 + C5F12}$

في درجة حرارة الغرفة، يكون التفاعل مع الفلور معقدًا. والنتيجة هي "فلوريد الجرافيت"، وهو نوع من المركبات غير المستوية الذرية والتي لها صيغة CFx (0.68 < x < 1). وهذا المركب أسود عندما يكون x منخفضًا، وفضيًا عندما يكون x = 0.9، وعديم اللون عندما يكون x حوالي 1.

لا يبدو أن الهالوجينات الأخرى تتفاعل مع الجرافيت.

تفاعل الكربون مع الأحماض: يتفاعل الجرافيت مع حمض النتريك المركز الأكسدة ليشكل حمض الميليتيك، $\ce{C6(CO2H)6}$ .

مركبات الكربون

مكنت قدرة الكربون على الارتباط مع نفسه في إنتاج سلاسل كربونية كثيرة من المركبات العضوية المهمة بالإضافة إلى المركبات غير العضوية.

مركبات الكربون العضوية: ترتبط ذرات الكربون بذرات الهيدروجين بنسبة كبيرة بالإضافة الأكسجين والنيتروجين لتكوين عدد هائل من المركبات العضوية. وتسمى المركبات التي تتكون من الكربون والهيدروجين فقط ب "الهيدروكربونات". وعندما تكون مرتبطة بعناصر أخرى مثل الأكسجين والنيتروجين تمسى مشتقات الهيدروكربونات.

وتختلف هذه المركبات في الأشكال. وهناك نوع من هذه المركبات تسمى المركبات الأروماتية (عطرية)، بسبب روائحها المميزة الناتجة من الترتيب المميز لذرات الكربون؛ حيث تكون مرتبطة بروابط مزدوجة متبادلة مع روابط "سيقما" المفردة.

مركبات الكربون غير العضوية[11]: هناك العديد من مركبات الكربون غير العضوية، ولكل منها خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة. بعض مركبات الكربون غير العضوية المهمة هي:

مركبات الكربون غير العضوية
نوع المركب	مثال	الصيغة الكيميائية	الخواص	الاستخدامات
الكربيدات	كربيد الكالسيوم (CaC₂)	CaC₂	يتفاعل مع الماء لينتج غاز الأسيتيلين صعب وهش نقطة الانصهار عالية	إنتاج غاز الأسيتيلين لأغراض اللحام والإضاءة في صناعة البلاستيك والمطاط الصناعي
الكربونات	كربونات الكالسيوم (CaCO₃)	CaCO₃	غير قابل للذوبان في الماء يتفاعل مع الأحماض ليطلق غاز ثاني أكسيد الكربون يتوزع على نطاق واسع في الطبيعة مثل الحجر الجيري والطباشير والرخام	مواد بناء إنتاج الأسمنت تصنيع الزجاج مضادات الحموضة
السيانيدات	سيانيد البوتاسيوم (KCN)	KCN	شديدة السمية يمتصه الجسم بسرعة يمنع التنفس الخلوي	طلاء كهربائي تعدين الذهب المبيدات الحشرية (محظورة بسبب السمية)

الخواص الفريدة: السلاسل، المجموعات الوظيفية، البلمرة

يتميز الكربون بخواص فريدة تجعله عنصراً استثنائياً، أهمها قدرته على تشكيل سلاسل كربونية طويلة، والارتباط بمجموعات وظيفية متنوعة، بالإضافة إلى خاصية البلمرة التي تمنحه استخدامات صناعية واسعة.

قدرة الكربون على تشكيل سلاسل طويلة:

يحتوي ذرة الكربون على أربع إلكترونات في الغلاف الخارجي. وبسبب هذا التكوين الفريد، يسهل على ذرة الكربون مشاركة أربع إلكترونات لديها مع ذرة أخرى أو عدة ذرات بدلاً من فقدان أو اكتساب أربع إلكترونات. ونظرًا لأن كل ذرة كربون متطابقة، فإنها جميعًا تحتوي على أربع إلكترونات في الغلاف الخارجي، مما يجعلها قادرة بسهولة على الارتباط بذرات كربون أخرى لتشكيل سلاسل طويلة أو حلقات.

في الواقع، يمكن لذرة الكربون الارتباط بذرة كربون أخرى مرتين أو ثلاث مرات لتكوين روابط تساهمية مزدوجة وثلاثية بين ذرتي كربون. وتكون السلاسل الطويلة من ذرات الكربون التي تحتوي على روابط تساهمية مزدوجة وثلاثية شائعة جدًا في الأحياء.

تولد ثلاثة خصائص فريدة من نوعها للكربون بسبب ميله للارتباط التساهمي بنفسه، مما يؤدي إلى إنتاج مجموعة واسعة من المركبات، بما في ذلك تلك الضرورية لبناء ودعم الحياة:

- تشكيل روابط الكربون إلى الكربون (C-C) يشكل عمود فقري لجميع الجزيئات الحيوية ويمكن أن يشمل آلاف روابط C-C.
- الرابطة التساهمية الواحدة التي تربط ذرات الكربون بذرات الكربون قوية بما فيه الكفاية، بحيث لا تكون السلاسل الطويلة والهياكل الحلقية هشة.
- نمط الترابط التساهمي للكربون-الكربون يلبي قاعدة الثماني، مما يجعل المركبات الكربونية غير راغبة في الاستجابة.
- نظرًا لأن الكربون لديه أربع إلكترونات في الطبقة الخارجية ويحتاج إلى ثمانية لتلبية قاعدة الثماني، فيمكنه الارتباط بأربع ذرات إضافية، مما يخلق إمكانيات لا حصر لها للمركبات.

المجموعات الوظيفية للكربون ودورها في التفاعلات الكيميائية

بأبسط المصطلحات، يُطلق على الجزء التفاعلي من أي مركب اسم المجموعة الوظيفية. وعادةً ما تكون المجموعة الوظيفية مجموعة من الذرات التي تعمل كوحدة تفاعلية وهي أيضًا الجزء من الجزيء المشارك في التفاعل الكيميائي. في حين أن روابط الكربون-الكربون غير متفاعلة، فإن عدم استقرار المجموعات الوظيفية يدفع التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على المركبات الكربونية المستقرة. للإشارة والإحالة، يتم تقديم ثلاث مجموعات وظيفية:

- تتميز مجموعة الأمين بوجود ذرة نيتروجين مرتبطة عادة بذرتي هيدروجين ومجموعة أخرى. تشكل مجموعات الأمين جزءًا أساسيًا من الأحماض الأمينية، التي ترتبط معًا عبر روابط ببتيدية لتكوين البروتينات.
- يتصاحب مجموعة الكربوكسيل (COOH) مع سلاسل الكربون الطويلة التي تشكل جزيئات الأحماض الدهنية، والتي تعتبر نوعًا من الدهون.
- تعتبر مجموعات الهيدروكسيل (OH) مفعمة بالنشاط. وهي جزء من الكحولات، مثل الإيثانول، والمكون الكحولي لجميع الكحولات. وتتميز بتجمع الأكسجين-الهيدروجين الفريد لهذه المجموعة الوظيفية، مما يجعلها سهلة التحديد ككحول.

البلمرة ودور الكربون في تكوين الجزيئات الضخمة

تتكون البوليمرات من جزيئات صغيرة يمكن ترابطها معًا لتشكيل جزيئات أكبر. فالكربوهيدرات المعقدة تتكون من سكر بسيط صغير يتم جمعها معًا، وجزيئات البروتين العملاقة هي ببساطة سلسلة من جزيئات الأحماض الأمينية الأصغر التي ترتبط معًا. يحدد بادئة "بولي" هذا النوع من الإضافة الجزيئية. على سبيل المثال، تتكون البولي سكاريدات من كربوهيدرات كبيرة مكونة من عدة وحدات سكرية[12].

مقارنة الكربون بعناصر أخرى قادرة على تكوين سلاسل طويلة

يتمتع السيليكون بالقدرة على تشكيل أربع روابط مع ذرات أخرى، ولكن تلك الروابط تميل إلى الضعف بسبب الغلاف الإلكتروني الإضافي في ذرة السيليكون. ويتمتع النيتروجين بخمسة إلكترونات توافرية لذا يشكل عادة 3 روابط فردية، مما يحد من فائدته. وبالمثل، لا يشكل البورون هيكل قاعدة مستقرًا وموثوقًا به[13].

تاريخ اكتشافه

اكتشف الإنسان الكربون منذ العصور القديمة في شكل السواد والفحم والجرافيت والألماس. ولم يدرك الثقافات القديمة بالطبع أن هذه المواد كانت أشكالًا مختلفة من نفس العنصر.

وقد أطلق العالم الفرنسي أنطوان لافوازييه اسم الكربون عليه، وقام بإجراء تجارب مختلفة لكشف طبيعته. في عام 1772، قام بشراء الماس مع علماء كيميائيين آخرين ووضعوه في جرة زجاجية مغلقة، وتركزوا أشعة الشمس على الماس باستخدام عدسة مكبرة عملاقة وشاهدوا الماس يحترق ويختفي.

لاحظ لافوازييه أن وزن الجرة لم يتغير بشكل عام وأن الماس قد ارتبط بالأكسجين ليشكل ثاني أكسيد الكربون. وخلص إلى أن الماس والفحم مصنوعان من نفس العنصر - الكربون.

في عام 1779، أظهر العالم السويدي كارل شيلي أن الجرافيت يحترق ليشكل ثاني أكسيد الكربون ويجب أن يكون شكلًا آخر من الكربون. في عام 1796، أثبت الكيميائي الإنجليزي سميثسون تينانت أن الماس كان نقيًا من الكربون وليس مركبًا من الكربون، وأنه يحترق ليشكل ثاني أكسيد الكربون فقط.

كما ثبت تينانت أنه عند حرق وزن متساوٍ من الفحم والألماس، فإنهما ينتجان نفس كمية ثاني أكسيد الكربون. في عام 1855، أنتج الكيميائي الإنجليزي بنجامين برودي جرافيتًا نقيًا من الكربون، مما يثبت أن الجرافيت هو شكل من أشكال الكربون.

على الرغم من أنه تمت محاولته سابقًا دون نجاح، إلا أن العالم الأمريكي فرانسيس باندي وزملاؤه في شركة جنرال إلكتريك أثبتوا في عام 1955 أن الجرافيت يمكن تحويله إلى الماس عند درجة حرارة عالية وضغط عال.

في عام 1985، اكتشف روبرت كيرل وهاري كروتو وريتشارد سمالي فوليرينات، شكل جديد من الكربون يتم فيه ترتيب الذرات في أشكال كرة القدم. وأشهر فوليرين هو بكمستر فوليرين، المعروف أيضًا باسم C60، والذي يتألف من 60 ذرة كربون. وهناك عائلة كبيرة من الفوليرينات، تبدأ من C20 وتصل إلى C540.

أحدث شكل اكتشف من الكربون هو الغرافين، والذي يتألف من طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة على شكل سداسيات. إذا كانت هذه الطبقات مكدسة على بعضها البعض، فسيكون الجرافيت هو النتيجة. يبلغ سمك الغرافين ذرة واحدة فقط.

تم الإعلان عن اكتشاف الغرافين في عام 2004 من قبل كوستيا نوفوسيلوف وأندري جيم، الذين استخدموا لاصقًا لفصل طبقة واحدة من الذرات من الجرافيت لإنتاج شكل جديد من الكربون[15].

تواجد الكربون في الطبيعة

يتواجد الكربون في الشمس والنجوم الأخرى، حيث يتكون من حطام الانفجار النووي السابق، ويتم إنتاجه بالاندماج النووي في النجوم الأكبر. ويتواجد أيضًا في الغلاف الجوي للعديد من الكواكب، عادةً على شكل ثاني أكسيد الكربون، وتبلغ تركيزه في الغلاف الجوي للأرض حاليًا 390 جزء في المليون ويزداد.

يتم العثور على الجرافيت بشكل طبيعي في العديد من المواقع، والماس على شكل بلورات صغيرة في بعض النيازك. وتتم العثور على الماس الطبيعي في معدن الكيمبرلايت، ومصادره في روسيا وبوتسوانا وجمهورية الكونغو الديمقراطية وكندا وجنوب أفريقيا.

وفي المجموع، يتم العثور على الكربون في جميع الكائنات الحية، ويتواجد في بقايا الأحفوريات على شكل هيدروكربونات مثل الغاز الطبيعي والنفط الخام وصخور النفط والفحم، بالإضافة إلى الكربونات مثل الطباشير والحجر الجيري والدولوميت وغيرها[14].

أشكال الكربون (التآصل)

تتيح القدرة الفريدة للكربون على تكوين روابط كربون-كربون إنشاء مواد صلبة متنوعة الهياكل. يعتمد اختلاف هذه الأشكال على ظروف التكوين، حيث يتشكل الألماس مثلًا تحت ضغوط وحرارة عالية جدًا، بينما يعد الجرافيت أكثر أشكال الكربون شيوعًا. بالإضافة إلى هذين الشكلين، يوجد أيضًا الكربون غير المتبلور والفوليرين. ويطلق على هذه الأشكال اسم "متآصلات الكربون".

الألماس

الألماس هو شكل بلوري صلب للكربون يتمترب فيه الذرات في هيكل مكعبي يعرف بـ"المكعب الماسي". من الناحية النظرية، يعتبر الألماس غير مستقر تحت الظروف القياسية (ضغط وحرارة الغرفة) حيث يميل للتحول إلى جرافيت، لكن هذا التحول بطيء جدًا عمليًا (قد يستغرق ملايين السنين) بسبب الحواجز الحركية العالية.

الهيكل البلوري للألماس

يتميز الألماس بأعلى صلادة بين المواد الطبيعية، كما أنه ثاني أعلى موصل حراري بعد الجرافين (مع ملاحظة أن الجرافين ليس أصلب من الألماس). تجعل هذه الخصائص الألماس مثاليًا للتطبيقات الصناعية مثل أدوات القطع والتلميع. تبلغ صلادة الألماس 10 على مقياس موهس، بينما يأتي الياقوت في المرتبة التالية بصلادة 9. ورغم ذلك، يمكن قطع الألماس وتلميعه بطرق خاصة.

في البنية الذرية للألماس، ترتبط كل ذرة كربون بأربع ذرات أخرى بشكل رباعي الوجوه منتظم، مما يمنحه خصائص فريدة تختلف جذريًا عن الجرافيت. يتطلب تكوين الألماس ظروفًا من الضغط والحرارة العالية الموجودة فقط على أعماق تصل إلى حوالي 160 كيلومترًا تحت سطح الأرض.

يتميز الألماس بتهجين من نوع sp³، ويحتوي على أعلى كثافة ذرية بين المواد المعروفة، مما يجعله أصلب مادة طبيعية وأقلها انضغاطًا. تبلغ كثافة الألماس النقي حوالي 3.52 جم/سم³.

يدل لون الألماس على درجة نقاوته، حيث يتراوح من عديم اللون (في حالة النقاوة العالية) إلى أصفر أو بني أو رمادي، وقد يكون أزرقًا أو أخضرًا أو أسود أو ورديًا أو بنفسجيًا أو أحمر. هذا التنوع اللوني يعني أن الألماس لا يمتلك لونًا ثابتًا.

بسبب خصائصه الفيزيائية الاستثنائية، يستخدم الألماس في تطبيقات متعددة حيث يتميز بما يلي:

أعلى قدرة على توصيل الحرارة بين المواد الطبيعية
أعلى سرعة لانتقال الصوت
معامل تمدد حراري منخفض جدًا
انسيابية عالية مع احتكاك منخفض
شفافية بصرية تمتد من الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى الأشعة فوق البنفسجية العميقة
تشتت بصري عالٍ
مقاومة كهربائية عالية
خمول كيميائي مع توافق حيوي ممتاز

الجرافيت

يتشكل الجرافيت عند تعرض الكربون لحرارة وضغط مرتفعين في القشرة الأرضية والوشاح العلوي. يشتهر الجرافيت باستخدامه في أقلام الرصاص (حيث تمزج مادته مع الطين)، كما يدخل في صناعة المواد التشحيم. رغم اشتراكه مع الألماس في التركيب الكيميائي (كربون نقي)، فإن الاختلاف في البنية الجزيئية يمنحهما خصائص متضادة. تتصدر الصين والهند والبرازيل وكوريا الشمالية وكندا قائمة الدول المنتجة للجرافيت.

بنية الجرافيت

في الجرافيت، ترتبط كل ذرة كربون بثلاث ذرات أخرى بروابط تساهمية (طول الرابطة 0.142 نانومتر) مشكلة حلقات سداسية في طبقات ثنائية البعد. تُمسك هذه الطبقات معًا بقوى فان دير فالس الضعيفة (بمسافة 0.34 نانومتر بين الطبقات). يتميز الجرافيت بتهجين sp² ويستخدم في تطبيقات متنوعة مثل الأقطاب الكهربائية والأواني المعدنية.

خصائص الجرافيت

مادة غير شفافة ذات لون رمادي-أسود
كثافة منخفضة وملمس ناعم زلق
موصل جيد للكهرباء والحرارة بسبب الإلكترونات الحرة
بنية بلورية مع قابلية للانقسام الطبقي
مقاوم للاشتعال
ليّن بسبب ضعف قوى فان دير فالس بين الطبقات

أنواع الجرافيت

يصنف الجرافيت إلى نوعين رئيسيين حسب ترتيب الطبقات:

الجرافيت ألفا: ترتيب الطبقات ABAB
الجرافيت بيتا: ترتيب الطبقات ABCABC

تحضير الجرافيت مخبريًا

الأدوات والمواد:

10-15 غرام سكروز
10 مل حمض كبريتيك مركز (18 مولار)
10-20 غرام بيكربونات الصوديوم
أدوات مخبرية قياسية (دورق، قضيب تحريك، إلخ)

طريقة التحضير:

يضاف الحمض الكبريتيك ببطء إلى السكروز في دورق
يحرك المزيج باستمرار
يُترك حتى يكتمل التفاعل ويتحول اللون إلى الأسود

الكربون غير المتبلور

هو شكل كربوني لا بلوري تترتب فيه الذرات دون نمط منتظم بعيد المدى، مع وجود بعض الانتظام قصير المدى. تجمع روابطه بين التهجين sp² وsp³ مع وفرة من الروابط "المتدلية" (dangling bonds). يُرمز له بـ:

aC: الكربون غير المتبلور العام
aC:H أو HAC: المشبع بالهيدروجين
ta-C: رباعي الوجوه (شبيه بالألماس)

الفوليرين

جزيئات كربونية مجوفة ذات تهجين sp²، تتألف من حلقات خماسية وسداسية تشكل كرة بقطر 60 ذرة كربون (يشبه تركيبها كرة القدم). تتميز ب:

نشاط كيميائي عالٍ (تتفاعل مع الهيدروجين والهالوجينات)
قدرة على تكوين مشتقات وظيفية
توصيل فائق عند درجات حرارة مرتفعة نسبيًا (19-40 كلفن)
إمكانية احتجاز ذرات فلزية أو غازية داخل قفصها الجزيئي

توجد تطبيقات واعدة للفوليرين في الإلكترونيات والبطاريات [8,9].

الاستخدامات

يستخدم الكربون في شكله الماسي في المجوهرات. لكن الماس يستخدم أيضًا للأغراض الصناعية. إنها أصعب مادة معروفة للإنسان ولها استخدامات عديدة في عمليات التصنيع.
يُستخدم الجرافيت كعنصر رئيسي في أقلام الرصاص، وكذلك في صناعة الصلب.
يمكن استخدام الكربون غير المتبلور في صناعة الأحبار والدهانات. كما أنها تستخدم في البطاريات.[16]
يستخدم الجرافيت في الأقطاب الكهربية لقدرته الفائقة في التوصيل الكهربي. وفي صناعة البوتقات التي تصهر فيها المعادن.
يستخدم الشكلين الجريزوفولفين وغير المتبلور كصبغة سوداء، وفي الإمتزاز، والقود.
يستخدم الفحم في الوقود وكبارود . والفحم عبارة عن مركبات الكربون مختلطة ببعضها البعض[2].
كما يتم استخدام الكربون المنشط (فحم يتم معالجته بمواد كيميائية) في امتزاز الغازات ومواد أخرى.

المصادر

دورق الكيمياء