عجائب الكربون

يستغرق 10 دقيقة

امسك قلمك الرصاص وارسم ما تشاء؛ تجد أنك تحوّل طبقات الذرات من الجرافيت في القلم إلى الورقة. وعلى الرغم من أن الألماس يُحتفى به ثقافيًا وتاريخيًا على أنه الصورة الأسمى من الكربون، فإنه عاجز عن التعبير الفنيّ العميق الذي يمكننا منه الجرافيت، وكلاهما صورتان مختلفتان من صور الكربون. اعلم أن فهمًا عميقًا لبنيان ذرات الكربون سيجعل منه مصدر العجائب والإلهام بالنسبة لك، لنستكشف معًا كل ذلك وأكثر في هذا المقال.

 

نظرة عامة على عنصر الكربون

الكربون هو عنصر كيميائى لا فلزيّ، عدده الذري 6، مما يعني أن ذرته خفيفة وتحتوي على 6 بروتونات فقط، وعادة 6 نيوترونات في نواتها. يمكن أحيانًا أن تضم النواة 8 نيوترونات، ولكن في هذه الحالة (كربون-14) تصبح الذرة غير مستقرة، وبالتالي يتساقط العنصر شيئًا فشيئًا بالانحلال الإشعاعي، ولأن معدل هذا الإشعاع بطيء جدًا، ولأن الكربون يوجد في العديد والعديد من المواد؛ فقد أتاحت لنا هذا الظاهرة معرفة عمر المواد بقياس نسبة وجودها في المادة.(1)

وتُعرف هذا الطريقة بـ “التأريخ بالكربون“، والتي مكنتنا من تسليط الضوء على أجزاء عديدة من تاريخ البشر، وكشفت عن العمر الحقيقي لمظاهر حضارية من ضمنها ستونهنج Stonehenge.

التأريخ بالكربون
ستونهنج، وهي عبارة عن أحجار عملاقة تشكل حلقة يرجع عمرها لما قبل التاريخ.

 

ويقع عنصر الكربون على رأس المجموعة الرابعة عشر فى الجدول الدورى والتى تسمى أيضا باسمه. رباعي التكافؤ، حيث يرتبط اثنان من إلكتروناته بالنواة بقوة شديدة لا تسمح بمشاركتهما في نشاط الكربون الكيميائي، مما يترك أربعة إلكترونات من أصل ستة نشطة في المدار الخارجي. وهذه الإلكترونات الخارجية هي ما تصنع الفارق بين جرافيت القلم الرصاص وألماس خاتم الزواج، وتُعرف هذه الظاهرة بالتآصل Allotropy.

 

ظاهرة التآصل

يمكننا تعريف ظاهرة التآصل على أنها تواجد بعض المواد فى أكثر من شكل بللوري (المتآصلات) مع اتحادها في التركيب الكيميائي.

المتآصلات إذن هى أشكال بنيوية مختلفة لنفس العنصر والتى تُظهر خواصًا فيزيائية وسلوكًا كيميائيًا مختلفًا تمامًا عن بعضها البعض بسبب اختلاف الطريقة التى ترتبط بها ذرات كل متآصل، واختلاف طريقة ترتيب الذرات لنفسها فى الشبكة البللورية.

ويُعد عنصري الحديد والكربون من أشهر العناصر التى تتواجد بها هذه الظاهرة؛ لذلك يوفران مزيجًا من الخواص ومدى واسعًا من الإمكانات والاحتمالات.(2)

 

متآصلات الكربون

الألماس Diamond

أبسط ما يمكن لذرة الكربون أن تفعله هو أن تشارك كل إلكترون من إلكتروناتها الأربعة الحرة مع ذرة أخرى مكونةً أربع روابط كيميائية، وهذا يحل مشكلة الإلكترونات الخارجية النشطة فيرتبط كل إلكترون مع آخر من ذرة أخرى. تنتج بنية بلورية في منتهى الصلابة: الألماس.

ألماس
البنية البلورية للألماس.

كيف يتكون الألماس؟

يتشكل الألماس من الكربون النقي الموجود في طبقات الأرض على عمق 150 كم من السطح أو يزيد، ويحتاج إلى درجات حرارة عالية يستمدها من الحمم البركانية الذائبة في باطن الأرض، مع ضغط عالٍ نتيجة العمق الذي يتواجد به، وتستغرق هذه العملية بلايين السنين.

هل الفحم هو المصدر؟ الإجابة المختصرة: في الغالب لا، فتقريبًا كل حجر ألماس تم تعدينه يرجع تاريخه لما قبل وجود النباتات على سطح الأرض، والتي هي مصدر الفحم. مما يعني أن سوبرمان كان مخادعًا حينما حاول إقناعنا بأنه يستطيع ضغط الفحم بقبضة يده فيحوله ألماسًا. (3)

 

صلابة مذهلة

بسبب تراص ذرات الكربون في هذه البنية الهرمية المثالية بأربع روابط تساهمية قوية للذرة الواحدة، فإن للألماس قوة كبيرة، وصلادة مدهشة تجعلنا نقول أنه لا يمكن لأي مادة- تقريبًا- أن تخدشه، فيحتفظ الألماس بشكله ولمعانه، ليس طوال حياة مالكه، بل على مدار حضارة بشرية بأكملها سواء عرّضته للشمس الحارقة أو المطر، وسواء عليه إن اصطحبته وسط عاصفة رملية أو أخذته معك أثناء استحمامك.

وهذا هو السبب تحديدًا في تسمية الألماس بهذا الاسم، حيث أن كلمة diamond مشتقة من الكلمة اليونانية adamas والتي هي صفة تعني “غير قابل للكسر“.

وبسبب نفس البنية الذرية، يفتقد الألماس للتوصيلية الكهربية، حيث لا تتوافر الكترونات حرة فى المستويات الخارجية لذراته.

وعلى الرغم من أن حجر من الألماس يُعد رمزًا غاية في الرومانسية للحب الأبدي، فإن الألماس ليس أبديًا- على الأقل على سطح هذا الكوكب. في الواقع، إنه الجرافيت- أحد أقارب الألماس- الذي يُعتبر الحالة المستقرة للكربون في الظروف العادية من الضغط ودرجة الحرارة، وبالتالي يتحول كل الألماس الذي بحوزتنا ببطء إلى جرافيت. أعلم أن هذه أخبار سيئة جدًا لمالكي هذا الحجر الكريم، ولكن لا داعي للقلق؛ يستغرق الأمر بلايين السنين قبل أن يبدأ تغير ملحوظ على ماستك. ولكن مهلًا، ما هو ذاك الجرافيت؟

 

الجرافيت

تختلف البنية الذرية للجرافيت تمامًا عن الألماس، حيث تتكون من مستويات من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها في أنماط سداسية. ويُعتبر لكل مستوى في حد ذاته قوة بالغة واستقرار شديد، حتى أن الروابط أقوى من تلك المتكونة في الألماس، وهو أمر مفاجئ بالطبع؛ لأننا نعلم بأن الجرافيت ضعيف جدًا لدرجة تمكننا من فصل طبقاته عن بعضها بسهولة عندما نضغط على القلم الرصاص؛ فنطبع ذراته على ورقة بيضاء.

الجرافيت
البنية الذرية للجرافيت.

يمكننا تفسير هذا اللغز بملاحظة أنه في طبقات الجرافيت لكل ذرة كربون ثلاثة جيران تتشارك معهم إلكتروناتها الأربعة، بينما في الألماس ترتبط كل ذرة بأربع ذرات أخرى. مما سبق نستنتج أن لكل ذرة كربون في الجرافيت إلكترون حر، لا يكوّن أي روابط مع أي ذرة في نفس مستواها، وإنما يتجاذب مع الإلكترونات الحرة في الطبقات الذرية الموازية. هذه القوى التي تربط الطبقات ببعضها هي قوى ضعيفة جدًا مقارنة بالروابط التساهمية بين ذرات الكربون وتُسمى قوى فان دير فالز van der Waals forces.

وعندما تُعرّض الجرافيت لقوة ضغط؛ فإن تلك القوى الضعيفة بين طبقاته هي أول ما ينكسر، مما يجعل الجرافيت طريًا على الرغم من القوة المذهلة لطبقاته، كل على حدة.

الاختلاف في البنية الإلكترونية بين كل  من الجرافيت والألماس هو ما يفسّر أيضًا لمَ أن الجرافيت له توصيلية كهربية عالية جدًا مقارنة بقريبه: بسبب الإلكترون الرابع الذي يتولى مهمة نقل التيار الكهربي في الجرافيت، ولذلك يمكن استخدامه فى صناعة الأقطاب الكهربية.(4)

 

هل تنتهي عجائب الكربون عند هذا الحد؟ بالطبع لا، الجرافيت والألماس ليسا نهاية القصة فيما يخص متآصلات الكربون التي ما زال بجعبتها المزيد من العجب. انتظروا الجزء الثاني من هذه المقالة لنستكمل معًا باقي الحكاية!


 

المصادر:

 

[1] Britannica.

[2] Essentials of Materials Science and Engineering, Second Edition, by Donald R. Askeland and Pradeep P. Fulay. P63.

[3]  geology.com

[4] STUFF MATTERS. MARK MIODOWNIK. chapter 8: Unbreakable.

تعليقات الفيسبوك

تعليقات

المساهمون في المقال

كتابة: عبد المحسن محمد

مراجعة: محمد عبد العليم

One thought on “عجائب الكربون

  • 29 سبتمبر، 2018 at 8:59 م
    Permalink

    ماشاء الله عليكم مقال دسم ومحتوي علمي عظيم والكلام في الغابه الفصاحه وبدون أي تعقيد.. حقيقي انا استفدت

    Reply

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *