ظاهرة وجود عنصر الكربون بثلاثة أشكال في الحالة الفيزيائية نفسها
ظاهرة التآصل .
تُسمى ظاهرة وجود عنصر الكربون بثلاث أشكال في الحالة الفيزيائية نفسها، أو وجود عنصر في أكثر من شكل في نفس الحالة المادية بظاهرة التآصل، وتُسمى بالـ Allotropy أو allotropism، وهي عبارة عن خاصية تتواجد في بعض العناصر الكيميائية وحينها توجد في شكلين مختلفين أو أكثر، وتُعرف باسم allotropes، ومن أشهرها عنصر الجرافيت والماس وهما في الأصل متآصلات عنصر الكربون. [1]
Allotropes معنى
التآصل.
التآصل هو وجود عنصر كيميائي في شكلين أو أكثر والتي من الممكن فيه أن تختلف ترتيب الذرات في المواد الصلبة البلورية أو حتى في حدوث الجزيئات التي تحتوي على أعداد غير متشابهة من الذرات، حيث إن وجود أشكال بلورية مختلفة للعنصر هي نفس الظاهرة التي تُسمى في حالة المركبات بظاهرة تعدد الأشكال، وبشكل عام قد تكون الـ Allotropes أحادية الاتجاه وفي تلك الحالة يكون هناك شكل واحد فقط من بين جميع.
الأشكال هو الأكثر استقرارًا أو قد تكون enantiotropic وفي تلك الحالة تكون الأشكال المختلفة الأخرى مستقرة وذلك يكون في ظل الظروف المختلفة والتي أحيانًا ما تخضع إلى التحولات العكسية والتي تكون من واحدة إلى أخرى في درجات حرارة وضغوط مميزة، وتشمل العناصر التي تظهر فيها ظاهرة التآصل عنصر القصدير والكربون والكبريت والفسفور والأكسجين ويُمثل القصدير والكبريت الـ enantiotropic، حيث أن الأول موجود.
في شكله الرمادي ويكون ذو استقرار تحت 13.2 درجة مئوية والثاني في الشكل الأبيض ومستقر عند درجة حرارة أعلى فالكل عنصر عدد بلورات معينة ودرجة استقرار مختلفة عن العنصر الآخر، فعلى سبيل المثال يُشكل الكبريت عدد بلورات معينة أحادية الميل ونقطة الانصهار 119 درجة مئوية، أما الكربون والفوسفور والأكسجين فيكونون أحادين الاتجاه، أما بالنسبة للثبات فيعتبر الجرافيت أكثر ثباتًا من الماس والفوسفور الأحمر يكون أكثر ثباتًا من الأبيض. [2]
متآصلات الكربون الجرافيت
نعم.
الجرافيت شكل من أشكال الكربون النقي وتُسمى ظاهرة ظهوره من الكربون بالتآصل، حيث يتكون هذا التآصل من الكربون المكون من طبقات مسطحة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون، ومرتبة في شكل سداسي، ويعتبر من المواد الصلبة الناعمة سوداء اللون، وهي من الظواهر المستمرة نظرًا لسهولة شق طبقاتها، حيث أن في كل طبقة نجد أنه ترتبط كل ذرة C بثلاث ذرات C من خلال رابطة تساهمية CC، وعلى ذلك يتم توزيع كل ذرة كربون على النحو sp2.
وبالتالي يتم تشكيل الرابطة الرابعة كرابطة pi، ويرجع ذلك إلى أن الإلكترونات π تكون غير محددة، فهي في الأصل متحركة وموصلة جيدة للكهرباء، وبشكل عام يتكون الجرافيت من شكلين وهما α و ß، ففي الشكل α يتم ترتيب الطبقات في تسلسل ABAB مع الطبقة الثالثة وفوق الطبقة الأولى، أما الشكل ß فيتم فيه ترتيب الطبقات على أنها ABCABC، وفيما يلي سوف نتعرف أكثر على خصائص عنصر الجرافيت وإليك هي:
- نظرًا إلى أن طبقات الجرافيت تكون مكدسة فوق بعضها البعض فيمكن أن يعمل هذا التآصل الكربوني كمواد تشحيم.
- يُستخدم كمواد تشحيم جاف للآلات في درجات حرارة عالية كبديل للزيت.
- يستخدم في صنع البوتقات الخاملة من أجل تخفيف الأحماض وكذلك القلويات.
- تمتلك بريق معدني يساعد في توصيل الكهرباء والحرارة.
متآصلات الكربون الصناعية
- الماس.
- البوكمينستر فوليرين.
- الفوليرين.
الماس: يعتبر الماس أنقى تآصل بلوري لعنصر الكربون، حيث أنه يمتلك عدد من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض بشكل رباعي، وتتكون كل وحدة رباعية من كربون مرتبط في الأصل بأربع ذرات كربون مرتبطة بذرة كربون أخرى، مما يؤدي إلى تآصل الكربون بترتيب ثلاثي الأبعاد من ذرات الكربون وهو الماس.
يتم تهجين كل كربون وتوزيعه بالشكل الآتي sp3 وتتشكل الروابط التساهمية مع أربع ذرات كربون أخرى في زوايا هيكل رباعية، ويعتبر عنصر الماس من العناصر صعبة الكسر لأنها تتطلب عند كسرها تمزق العديد من الروابط التساهمية القوية، ولذلك يعتبر تآصل عنصر الكربون من وعناصره من أصعب العناصر، وفيما يلي سوف نتعرف على خصائص الماس وإليك هي:
- غير قابل للذوبان في جميع المذيبات.
- ذو قيمة عالية لمؤشر الانكسار.
- يمتلك نقطة انصهار عالية جدا.
- له كثافة عالية نسبيًا.
- شفاف للأشعة السينية.
- موصل سيء للكهرباء.
- موصل جيد للحرارة.
- صعب الكسر.
البوكمينستر فوليرين: أحد متآصلات الكربون ويشبه هيكله هيكل الفوليرين مما يجعله يبدو مثل كرة القدم.
الفوليرين: عبارة عن جزيئات كروية تمتلك التركيبة C2n، حيث أن n ≥ 30 ويمكن تحضير الكثير من متآصلات الكربون تلك عن طريق تبخير الجرافيت بالليزر، وهو على عكس الماس حيث تذوب الفوليرينات في المذيبات العضوية ويُطلق على الفوليرين C60 اسم بكمنستر فوليرين، حيث يتم تهجين ذرات الكربون وتوزيعه فيه بالشكل الآتي sp2، ويوجد 12 حلقة خماسية و 20 حلقة من ستة أعضاء في C60.
اهم متآصلات الكربون الصناعية
السيليكات.
السيليكات: تنتج السيليكات عن طريق دمج الأكاسيد القلوية مع الـ SiO2، كما أنها تحتوي على وحدات منفصلة رباعية السطوح حيث يتم تهجين السيليكون وتوزيعه بالشكل الآتي sp3، وتُصنف تلك المتآصلات من الكربون ويكون ذلك على أساس هياكلها وفيما يلي سوف نتعرف عليهم وإليك هي:
- سيليكات ثنائية الأبعاد وفيها يتم مشاركة ثلاث ذرات أكسجين وينتج عنها تكوين سيليكات ثنائية الأبعاد.
- سيليكات ثلاثية الأبعاد وتنتج عند مشاركة كل ذرات الأكسجين ينتج عن ذلك شبكة ثلاثية الأبعاد.
- سيليكات السلسلة يؤدي فيها إلى ربط الوحدات خطيًا إلى تكوين سيليكات السلسلة.
- بيروسليكات تحتوي على وحدتان متصلتان ببعضهما عن طريق ذرة أكسجين.
- السيليكات الحلقية تشترك الوحدات بها في ذرتين من الأكسجين.
- أورثو سيليكات تحتوي على وحدات SiO4 منفصلة. [3]
خصائص الكربون
- الخصائص الفيزيائية.
- الخصائص الكيميائية.
الخصائص الفيزيائية
- الكربون من العناصر الفريدة التي تمتلك أكثر من شكل سواء في الصورة النقية أو من خلال عملية التآصل.
- يعتبر الفحم من أهم مركبات الكربون، والذي يتكون عند تسخين الكربون في غياب الهواء.
- تعتمد كثافة الأشكال المختلفة للكربون على أصل تلك العناصر.
- ذو لون أسود أو رمادي باهت.
- من العناصر الناعمة.
الخصائص الكيميائية: تظهر مركبات الكربون بشكل عام أربع تفاعلات وهم ما يلي:
- تفاعل الاحتراق.
- تفاعل الأكسدة.
- تفاعلات الإضافة.
- تفاعل الاستبدال. [4]