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. ويرمز له بالرمز C في الجدول الدوري ويقع في الدورة الثانية أعلى المجموعة الرابعة عشر (IVa). تحديدا بين البورون والنيتروجين، أعلى السيليكون. وهي مادة ناعمة غير معدنية، ويأتي في المرتبة السادسة من بين أكثر العناصر وفرة في الطبيعة[1][2][3].

يعتبر الكربون أساس الكيمياء العضوية، حيث تسمى المركبات تحتوي على عنصر الكربون بالمركبات العضوية. له القدرة على تشكيل سلاسل جزيئية طويلة جدا. ويمكن أن تكون روابط تساهمية بين ذراته (روابط كربون-كربون)، ومع العناصر الأخرى أيضا[1].

يعتبر أكثر من 20% وزن الكائنات الحية من الكربون. كما تعد المركبات التي تحتوي على الكربون أكثر من تلك التي لا تحتوي على الكربون[15]. لاحظ، أن بقايا الكائنات الحية من النباتات والحيوانات تتحول إلى فحم عند اختراقها وهو أحد أشكال الكربون غير النقية.

خواص الكربون

الخواص الذرية (العامة)

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

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.

الخواص 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

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)

خواص فريدة

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.

تشكيل المجموعات الوظيفية: 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 نتروجين مركزية لديها ثلاث روابط عادة مع ذرات الهيدروجين. تشكل مجموعات الأمين أساسًا للأحماض الأمينية، التي عند ترابطها معًا تشكل 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.

تركيب البلمرة وتشكيلها: 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].

هل هناك ذرات أخرى تشكل 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].

نظائر الكربون

الكربون يحتوي على ستة بروتونات، هذا يعني أن العدد الذري له 6. ويوجد الكربون بشكل طبيعي في ثلاثة نظائر مختلفة:

•  الكربون-12 الذي يحتوي على ستة نيوترونات (مع 6 بروتونات يساوى 12).
• والكربون-13 الذي يحتوي على سبع نيوترونات.
• والكربون-14 الذي يحتوي على ثمانية نيوترونات.

إضافة نيوترون واحد يمكن أن يغير خصائص النظير بشكل كبير. الكربون-12 يعتبر مستقراً، وهذا يعني أنه لا يتعرض للتحلل الإشعاعي، ويمثل حوالي 99% من الوفرة الطبيعية للكربون، والباقي عبارة عن كربون-13[15]. أما الكربون-14 فهو نادر وغير مستقر ويتحلل بمعدل نصف عمر يبلغ حوالي 5730 سنة (مما يعني أن نصف كمية المادة ستتلاشى بعد 5730 سنة). هذا التحلل يجعل كمية الكربون-14 في جسم ما تعمل كساعة تظهر عمر الجسم في عملية تعرف بـ"التأريخ الكربوني".

النظائر تتمتع بخصائص فريدة، وهذه الخصائص تجعلها مفيدة في مجالات مثل التشخيص والعلاج. فهي ذات أهمية في الطب النووي، واستكشاف النفط والغاز، والبحوث الأساسية، والأمن القومي [10].

أشكال الكربون

تسمح قدرة الكربون على تكوين روابط كربون-كربون بتكوين مواد صلبة ذات أشكال هندسية مختلفة. ينشأ هذا الاختلاف من ظروف التشكل، فمثلا ألماس تم تكوينه تحت ضغط ودرجة حرارة عاليتين. ويعتبر الجرافيت أحد أكثر أشكال الكربون شيوعا. وهناك شكلين آخرين هما: الشكل غير البلوري وشكل الفوليرين.

ألماس: الماس هو شكل صلب لعنصر الكربون حيث تترتب ذراته في هيكل بلوري يسمى المكعب الماسي. يكون الماس غير مستقر ويتحول إلى الغرافيت بسرعة ضئيلة تحت الضغط والحرارة العادية(حرارة الغرفة).

الماس لديه أعلى صلابة وقدرة توصيل حراري بين جميع المواد الطبيعية بعد الجرافين(وهو شكل آخر للكربون)، وهذه الخواص تستخدم في التطبيقات الصناعية الرئيسية مثل أدوات القطع والتلميع. صلابة الماس في الخدش تحصل على قيمة 10 على مقياس موهس للصلابة، بينما يتم تصنيف المعدن الأخرى المجاور للماس في الصلابة بقيمة 9 وهو المعدن الياقوت. ومع ذلك فإن طبيعة الالماس تسمح بقطعه وتلميعه.

في الهيكل الذري، ترتبط كل ذرة كربون بأربع ذرات كربون وعلى مسافات متساوية في جميع أنحاء البلورة. يعطي هذا الارتباط المتقن هندسيا الخواص الفريدة للالماس والتي تختلف كثيرا عن تلك التي في الجرافيت. يتكون الماس تحت ظروف درجة حرارة وضغط عالية توجد فقط على بعد حوالي 100 ميلاً تحت سطح الأرض.

يعد الشكل ثماني السطوح هو الشكل النموذجي لهذا المعدن، ويعد لمعان وجوهه على أصالته ونقاوته. نوع التهجين في ألماس  sp³، ويحتوي على أكثر عدد من الذرات في وحدة الحجم من بين العناصر المعروفة، ما يجعله أصلب وأقل قابلية للانضغاط. حيث تبلغ كثافة الألماس النقي حوالي 3520 كجم/م٣.

يدل لونه على نقاوته وعادة ما يكون لون الماس أصفر أو بني أو رمادي إلى عديم اللون(عالي النقاوة). وأحيانًا يكون اللون أزرقًا وأخضر وأسود وأبيض شفاف ووردي وبنفسجي وبرتقالي وأرجواني وأحمر. هذا يعني أنه لا له لون ثابت.

تم اعتماد الماس في العديد من الاستخدامات بسبب الخصائص الفيزيائية الاستثنائية للمادة. لديها أعلى قدرة توصيل حراري وأعلى سرعة للصوت. لديها انسيابية واحتكاك منخفضة، ومعامل التمدد الحراري لها منخفض للغاية. شفافيتها البصرية تمتد من الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى الأشعة فوق البنفسجية العميقة، ولديها تشتت بصري عالي. كما أن لديها مقاومة كهربائية عالية. إنها غير نشطة كيميائيًا، ولا تتفاعل مع معظم المواد المؤكسدة، ولديها توافقية حيوية ممتازة.

الجرافيت: يتشكل الجرافيت عندما يتعرض الكربون للحرارة العالية والضغط الشديد في قشرة الأرض والمانتل العلوي. في الوقت الحاضر، يُرتبط الجرافيت غالبًا بالقلم. إن حشوة الرصاص في القلم عبارة عن مزيج من الجرافيت والطين. كما أنه مكون شائع في المواد التشحيم. الجرافيت له نفس التركيب الكيميائي كالماس، والذي يعتبر أيضًا كربونًا نقيًا. ومع ذلك، فإن الهيكل الجزيئي المختلف هو الذي يمنح كل منهما خصائص تقريبًا معاكسة لبعضها البعض. وتشمل الدول الرئيسية المنتجة للجرافيت الصين والهند والبرازيل وكوريا الشمالية وكندا.

هيكل الجرافيت: الجرافيت هو نوع من الكربون. في الجرافيت، يرتبط ذرة الكربون الفردية مع ثلاث ذرات كربون أخرى عبر رابطة تشتركية واحدة، مما يؤدي إلى تكوين حلقة سداسية مرتبة في طبقة. بشكل عام، يُستخدم الجرافيت في الأقلام والبطاريات كقطب كهربائي. له هيكل ذو طبقات ثنائية الأبعاد، ويُطلق عليه أيضًا اسم هيكل شبيه بالساندويتش. في هيكل الجرافيت، تكون ذرة الكربون متهجنة SP ويتم ترتيب السداسيات في طبقات. في الطبقة، ترتبط كل ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى في نفس السطح عبر روابط تشتركية. يتم تلبية الفالنس الرابع لذرة الكربون بواسطة قوى فان در فالز ضعيفة بين الطبقات الاثنين. طول رابطة الكربون-الكربون داخل الطبقة هو 0.142 نانومتر، والمسافة بين طبقتين من الكربون-الكربون هي 0.34 نانومتر. يُستخدم الجرافيت في صناعة الأواني المعدنية.

خصائص الجرافيت: الجرافيت هو نوع من الكربون يُستخدم في صناعة أعواد التحكم في محطات الطاقة النووية. تتمثل خصائصه في ما يلي:

• المادة سوداء رمادية اللون غير شفافة.
• الوزن الخفيف والملمس الناعم والمنزلق عند اللمس.
• قدرة جيدة على توصيل الكهرباء بسبب وجود الإلكترونات الحرة وتوصيل الحرارة.
• صلبة بنية بلورية.
• زيتية جداً عند اللمس.
• غير قابلة للاشتعال.
• ناعمة بسبب القوى الضعيفة لفان در فالز.
• موصلة للكهرباء.

أنواع الجرافيت: عمومًا، هناك نوعان من الجرافيت، الجرافيت ألفا والجرافيت بيتا. يتم تصنيفهما بناءً على ترتيب ذرات الكربون.

• الجرافيت ألفا: يتم ترتيب الطبقات في الجرافيت ألفا بتسلسل ABAB.
• الجرافيت بيتا: يتم ترتيب الطبقات في الجرافيت بيتا بتسلسل ABCABC.

عملية تصنيع الجرافيت في المختبر: الجرافيت هو مركب أسود هش يستخدم في عدة عمليات صناعية مختلفة، بالإضافة إلى استخدامه في أقلام الرصاص. لتصنيع الجرافيت في المختبر، نحتاج إلى المواد التالية: 1) 10-15 غرام من سكر السكروز، 2) 10 مل من حمض الكبريتيك ، 3) 10-20 غرام من بيكربونات الصوديوم، 4) بيكر بسعة 250 مل، 5) قضيب تحريك، 6) أسطوانة قياس بسعة 10 مل، وحقيبة بلاستيكية قابلة للإغلاق.

أولاً، ضع 10 مل من حمض الكبريتيك ذو تركيز 18 مولار في أسطوانة قياس بسعة 10 مل. ضع 15 غرامًا من سكر السكروز في بيكر بسعة 50 مل. ثم اسكب 10 مل من حمض الكبريتيك ببطء في سكر السكروز. قم بالتحريك بحركة سريعة. ستلاحظ حدوث ردة فعل حيث ستظل المواد تتحول إلى اللون الداكن وتتحول في النهاية إلى اللون الأسود. بعد فترة من الزمن، ستكتمل الردة الفعل والنتيجة هي الجرافيت.

الكربون غير المتبلور: الكربون غير المتبلور هو شكل من أشكال الكربون البدائية، وهو عبارة عن صلب لا يحتوي على هيكل بلوري. في هذا الشكل من الكربون، لا يوجد ترتيب طويل المدى في مواقع الذرات، ولكن يمكن ملاحظة بعض الترتيب قصير المدى. الروابط الكيميائية بين الذرات في الكربون غير المتبلور تشمل مزيجًا من الروابط الهجينة sp2 و sp3، مع تركيز عالٍ من الروابط المتدلية المشبعة بالباي (dangling-π bonds).

يتم استقرار المواد الكربونية غير المتبلورة عن طريق إنهاء الروابط المتدلية بالهيدروجين، وهذا يعزز استقرارها وخصائصها الكيميائية. يمكن ملاحظة بعض الترتيب والترابطات الجزئية في الهيكل الذري للكربون غير المتبلور، ولكن لا يوجد نمط طويل المدى يمكن تحديده.

تتفاوت خواص الكربون غير المتبلور بشكل كبير بناءً على طرق التكوين والظروف البيئية. تتميز هذه المواد بمرونة هيكلية عالية ومقاومة ممتازة للتآكل والتآكل. تتميز بعض المواد الكربونية غير المتبلورة المشبعة بالهيدروجين بخواص تشبه الألماس، وتعرف أيضًا بالكربون شبه الألماس.

يشار إلى الكربون غير المتبلور غالبًا باختصار aC للإشارة إلى الكربون الغير متبلور بشكل عام، aC:H أو HAC للكربون الغير متبلور المشبع بالهيدروجين، أو ta-C للكربون الغير متبلور رباعي الأوجه (المعروف أيضًا باسم الكربون شبيه بالألماس).

الفوليرن: تتكون الفوليرينات أو الجزيئات المتعددة الأوجه من الكربون، من ربط ذرات الكربون sp2 بثلاث جيران مباشرة، وتتبع ترتيب حلقات بخمسة وستة أعضاء. ويشير مصطلح "الفوليرين" إلى تجمع مجوف من ذرات الكربون sp2، وهو مضلع ذو 60 رأسًا و32 وجهًا يشبه كرة القدم[8].

تخضع جزيئات C60 لتفاعلات كيميائية واسعة النطاق، وتتميز بسهولة قبولها وتبرعها بالإلكترونات، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في البطاريات والأجهزة الإلكترونية المتطورة.

 تضيف الجزيئة بسهولة ذرات الهيدروجين وعناصر الهالوجين، ويمكن استبدال ذرات الهالوجين بمجموعات أخرى مثل فينيل، مما يفتح طرقًا مفيدة للحصول على مشتقات جديدة للفوليرين. بعض هذه المشتقات تظهر سلوكًا متقدمًا. وتعد المركبات البلورية لـ C60 مع الفلزات القلوية والأرضية القلوية من المنظومات الجزيئية الوحيدة التي تظهر النفاذية الفائقة عند درجات حرارة مرتفعة نسبيًا تزيد عن 19 كلفن، وتم ملاحظة النفاذية الفائقة في النطاق من 19 إلى 40 كلفن، والذي يعادل -254 إلى -233 درجة مئوية أو -425 إلى -387 درجة فهرنهايت.

 وتعتبر المركبات الداخلية للفوليرين، التي يتم فيها احتجاز ذرة فلز داخل قفص فوليرين، من المثير للاهتمام في كيمياء الفوليرين، وقد تم دراستها بشكل واسع. يمكن احتجاز الفلزات القلوية والأرضية القلوية وكذلك اللانثانويدات المبكرة عن طريق تبخير أقراص الجرافيت أو القضبان المشبعة بالمعدن المحدد. كما يمكن احتجاز الهيليوم عن طريق تسخين C60 في بخار الهيليوم تحت الضغط، وتم العثور على عينات صغيرة من He@C60 ذات نسب نظائر غير عادية في بعض المواقع الجيولوجية، ويمكن أن توفر العينات التي تم العثور عليها في النيازك معلومات حول مصدر الأجسام التي تم العثور عليها فيها[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

1. كربون. ويكيبيديا
2. Carbon. Britannica
3. Carbon. Chemistry Learner
4. Wikipedia contributors. (2023, May 9). Diamond color. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 19:00, June 1, 2023.
5. Britannica, T. Editors of Encyclopaedia (2023, May 4). graphite. Encyclopedia Britannica.
6. Knowledge Base (2021, November 26). Carbon_Melting point and boiling point.
7. Wikipedia contributors. (2023, January 5). Molar ionization energies of the elements. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 17:14, June 2, 2023.
8. A. Mateo-Alonso, D. Bonifazi, M. Prato, (2006), Chapter 7 - Functionalization and applications of [60]fullerene, Editor(s): Liming Dai, Carbon Nanotechnology, Elsevier, Pages 155-189.
9. Kroto, H. W. and Walton, . David R.M. (2023, June 2). fullerene. Encyclopedia Britannica.
10. Office of science, DOE Explains Isotopes.
11. Maram Ghadban, Artem Cheprasov, (last update at 2021 December 15), inorganic carbon compounds overview examples, What Are Examples Of Inorganic Compounds, Study.com.
12. Glen E. Moulton, Ed.D, (2004), The Complete Idiot's Guide to Biolog, alpha.
13. Open Oregon Educational resources, Introductory Organic Chemistry, why carbon?
14. Royal Society of Chemistry, Periodic Table, Carbon. rsc.org
15. Carbon. Chemicool Periodic Table. Chemicool.com. 25 July. 2014. Web. 6/8/2023.
16. Uses of Carbon in daily life.