الكربون: الخصائص ، الهيكل ، الحصول ، الاستخدامات - كيمياء - 2026

و الكربون هو غير - عنصر كيميائي معدني الذي هو C. سميت الفحم والخضروات أو المعدنية، حيث تحدد ذراته مختلف الهياكل رمز الكيميائي. يصفه العديد من المؤلفين بأنه ملك العناصر ، لأنه يشكل مجموعة واسعة من المركبات العضوية وغير العضوية ، ويوجد أيضًا في عدد كبير من المتآصلات.

وإذا لم يكن هذا كافيًا للإشارة إليه كعنصر خاص ، فهو موجود في جميع الكائنات الحية ؛ تدين جميع جزيئاتها الحيوية بوجودها لاستقرار وقوة روابط CC وميلها العالي إلى التسلسل. الكربون هو عنصر الحياة ، وبذراته تُبنى أجسادهم.

يتكون خشب الأشجار بشكل أساسي من الكربوهيدرات ، وهي واحدة من العديد من المركبات الغنية بالكربون. المصدر: Pexels.

تتكون المركبات العضوية التي يتم بناء المواد الحيوية بها عمليًا من هياكل عظمية كربونية وذرات غير متجانسة. يمكن رؤيتها بالعين المجردة في خشب الأشجار ؛ وأيضًا عندما يضربهم البرق ويشويهم. تحتوي المادة الصلبة السوداء الخاملة المتبقية أيضًا على الكربون ؛ لكنه فحم.

وبالتالي ، هناك مظاهر "ميتة" لهذا العنصر: فحم نباتي ، نتاج احتراق في البيئات الفقيرة بالأكسجين ؛ والفحم المعدني ، نتاج العمليات الجيولوجية. كلا المادتين الصلبتين متشابهتين ، لونهما أسود ، ويحترقان لتوليد الحرارة والطاقة على الرغم من عوائد مختلفة.

من هذه النقطة فصاعدًا ، يحتل الكربون المرتبة الخامسة عشرة من حيث الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. لا عجب متى يتم إنتاج ملايين الأطنان من الفحم سنويًا. تختلف هذه المعادن في خصائصها اعتمادًا على درجة الشوائب ، مما يضع الأنثراسيت كأفضل أنواع الفحم المعدني جودة.

قشرة الأرض ليست فقط غنية بالفحم المعدني ، ولكن أيضًا بالكربونات ، وخاصة الحجر الجيري والدولوميت. وفيما يتعلق بالكون ، فهو رابع أكثر العناصر وفرة. أعني ، هناك المزيد من الكربون الموجود على الكواكب الأخرى.

تاريخ الكربون

استرجع الماضي

قد يكون الكربون قديمًا قدم قشرة الأرض نفسها. منذ العصور الغابرة ، واجهت الحضارات القديمة هذا العنصر في العديد من عروضها الطبيعية: السخام ، الفحم ، الفحم ، الفحم ، الماس ، الجرافيت ، قطران الفحم ، الأنثراسيت ، إلخ.

كل تلك المواد الصلبة ، على الرغم من أنها تشترك في درجات الألوان الداكنة (باستثناء الماس) ، اختلفت بشكل ملحوظ بقية خصائصها الفيزيائية ، وكذلك تكوينها. في ذلك الوقت ، كان من المستحيل الادعاء بأنها تتكون أساسًا من ذرات كربون.

وهكذا كان الفحم يصنف عبر التاريخ حسب نوعيته في وقت الاحتراق والتدفئة. ومع الغازات الناتجة عن الاحتراق ، تم تسخين كتل المياه ، والتي بدورها أنتجت أبخرة تحرك التوربينات التي تولد تيارات كهربائية.

كان الكربون موجودًا بطريقة غير متوقعة في الفحم المنتج عن طريق حرق الأشجار في مساحات مغلقة أو محكمة ؛ في الجرافيت الذي صنعت به أقلام الرصاص ؛ في الماس المستخدم كأحجار كريمة ؛ كان مسؤولاً عن صلابة الفولاذ.

يسير تاريخها جنبًا إلى جنب مع الخشب والبارود وغازات الإضاءة في المدينة والقطارات والسفن والبيرة ومواد التشحيم والأشياء الأساسية الأخرى لتقدم البشرية.

التعرف على

في أي نقطة كان العلماء قادرين على ربط المتآصلات والمعادن للكربون بنفس العنصر؟ كان يُنظر إلى الفحم على أنه معدن ، ولم يكن يُنظر إليه على أنه عنصر كيميائي يستحق الجدول الدوري. كان ينبغي أن يكون الخطوة الأولى لإظهار أن كل هذه المواد الصلبة وتحويلها إلى نفس الغاز: غاز ثاني أكسيد الكربون، CO ₂.

قام أنطوان لافوازييه عام 1772 ، باستخدام إطار خشبي مع عدسات كبيرة ، بتركيز أشعة الشمس على عينات من الفحم والماس. ووجد أن أيا منهما شكلت بخار الماء ولكن CO ₂. فعل الشيء نفسه مع السخام وحصل على نفس النتائج.

وجد كارل فيلهلم شيل عام 1779 العلاقة الكيميائية بين الفحم والجرافيت. أي أن كلا المادتين الصلبتين كانتا مكونتين من نفس الذرات

سميثسون تينانت وويليام هايد ولاستون في 1797 التحقق منهجيا (من خلال ردود الفعل) أن الماس كان فعلا مكون من الكربون عند إنتاج CO ₂ في الاحتراق.

وبهذه النتائج ، سرعان ما تم إلقاء الضوء على الجرافيت والألماس ، والمواد الصلبة التي شكلها الكربون ، وبالتالي عالية النقاء ؛ على عكس المواد الصلبة غير النقية للفحم والمعادن الكربونية الأخرى.

الخصائص

تخضع الخصائص الفيزيائية أو الكيميائية الموجودة في المواد الصلبة أو المعدنية أو المواد الكربونية للعديد من المتغيرات. من بينها: تكوين أو درجة الشوائب ، وتهجين ذرات الكربون ، وتنوع الهياكل ، وتشكل أو حجم المسام.

عند وصف خصائص الكربون ، تعتمد معظم النصوص أو المصادر الببليوغرافية على الجرافيت والماس.

لماذا ا؟ لأنها أفضل المتآصلات المعروفة لهذا العنصر وتمثل مواد صلبة أو مواد عالية النقاء ؛ أي أنها مصنوعة عمليًا من لا شيء أكثر من ذرات الكربون (على الرغم من اختلاف الهياكل ، كما سيتم شرحه في القسم التالي).

تختلف خصائص الفحم الحجري والفحم المعدني في أصولهما أو تكوينهما ، على التوالي. على سبيل المثال ، يزحف الليغنيت (منخفض الكربون) كوقود مقارنة بالأنثراسايت (عالي الكربون). وماذا عن المتآصلات الأخرى: الأنابيب النانوية ، الفوليرين ، الجرافين ، الجرافين ، إلخ.

ومع ذلك، كيميائيا لديهم نقطة واحد مشترك: انهم أكسدة مع وجود فائض من الأكسجين في CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

الآن ، السرعة أو درجة الحرارة التي يحتاجون إليها للتأكسد خاصة بكل من هذه المتآصلات.

الجرافيت مقابل الماس

سيتم أيضًا تقديم تعليق موجز هنا بشأن الخصائص المختلفة جدًا لهذين المتآصلين:

الجدول الذي تتم فيه مقارنة بعض خواص المتآصلات البلورية للكربون. المصدر: غابرييل بوليفار.

الهيكل والتكوين الإلكتروني

التهجين

العلاقة بين المدارات الهجينة والهياكل المحتملة للكربون. المصدر: غابرييل بوليفار.

تكوين الإلكترون لذرة الكربون هو 1s ² 2s ² 2p ² ، مكتوب أيضًا كـ 2s ² 2p ² (الصورة العلوية). يتوافق هذا التمثيل مع حالته الأساسية: ذرة الكربون معزولة ومعلقة في فراغ بحيث لا يمكنها التفاعل مع الآخرين.

يمكن ملاحظة أن إحدى مداراتها 2p تفتقر إلى الإلكترونات ، والتي تقبل إلكترونًا من مدار 2s منخفض الطاقة من خلال الترويج الإلكتروني ؛ وبالتالي ، تكتسب الذرة القدرة على تكوين ما يصل إلى أربعة روابط تساهمية من خلال مداراتها الهجينة الأربعة sp ³.

لاحظ أن المدارات الأربعة sp ³ تتدهور في الطاقة (محاذاة على نفس المستوى). المدارات p النقية أكثر نشاطًا ، وهذا هو سبب وضعها فوق المدارات الهجينة الأخرى (على يمين الصورة).

إذا كان هناك ثلاثة مدارات هجينة ، فذلك بسبب بقايا مدارية p غير مهجنة ؛ لذلك ، فهي ثلاثة مدارات sp ². وعندما يكون هناك اثنان من هذه المدارات الهجينة ، يتوفر مداري p لتكوين روابط مزدوجة أو ثلاثية ، كونهما تهجين للكربون sp.

هذه الجوانب الإلكترونية ضرورية لفهم سبب وجود الكربون في اللانهايات من المتآصلات.

أعداد الأكسدة

قبل الشروع في الهياكل ، من الجدير بالذكر أنه بالنظر إلى تكوين التكافؤ الإلكتروني 2s ² 2p ² ، يمكن أن يحتوي الكربون على أرقام الأكسدة التالية: +4 ، +2 ، 0 ، -2 و -4.

لماذا ا؟ تتوافق هذه الأرقام مع افتراض وجود رابطة أيونية بحيث تقوم بتكوين الأيونات مع الشحنات الخاصة بها ؛ أي C ⁴⁺ و C ²⁺ و C ⁰ (محايد) و C ² و C ^4-.

لكي يكون للكربون رقم أكسدة موجب ، يجب أن يفقد الإلكترونات ؛ وللقيام بذلك ، يجب بالضرورة أن يتم ربطها بذرات كهربية (مثل الأكسجين).

وفي الوقت نفسه ، لكي يكون للكربون رقم أكسدة سالب ، يجب أن يكتسب إلكترونات عن طريق الارتباط بذرات معدنية أو أقل كهرسلبية منه (مثل الهيدروجين).

رقم الأكسدة الأول ، +4 ، يعني أن الكربون فقد كل إلكترونات التكافؤ ؛ تظل المدارات 2s و 2 p فارغة. إذا فقد المدار 2p إلكترونيه ، فسيكون للكربون عدد أكسدة +2 ؛ إذا حصلت على إلكترونين ، فسيكون لديك -2 ؛ وإذا حصلت على إلكترونين آخرين بإكمال ثماني بتات التكافؤ ، فإن -4.

أمثلة

على سبيل المثال، CO ₂ عدد أكسدة الكربون +4 (لأن الأكسجين هو أكثر كهربية)؛ بينما بالنسبة لـ CH ₄ ، فهي -4 (لأن الهيدروجين أقل كهرسلبية).

بالنسبة لـ CH ₃ OH ، يكون عدد أكسدة الكربون -2 (+1 لـ H و -2 لـ O) ؛ بينما بالنسبة لـ HCOOH ، فهو +2 (تحقق من أن المجموع يعطي 0).

من المحتمل أيضًا حالات أكسدة أخرى ، مثل -3 و +3 ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالجزيئات العضوية ؛ على سبيل المثال ، في مجموعات الميثيل ، -CH ₃.

الهندسة الجزيئية

لم تُظهر الصورة العلوية تهجين مدارات ذرة الكربون فحسب ، بل أظهرت أيضًا الهندسة الجزيئية الناتجة عندما تم ربط عدة ذرات (كرات سوداء) بذرة مركزية. يجب أن يكون لهذه الذرة المركزية بيئة هندسية محددة في الفضاء ، يجب أن يكون لها تهجين كيميائي يسمح لها بذلك.

على سبيل المثال ، بالنسبة إلى رباعي الوجوه ، يحتوي الكربون المركزي على تهجين sp ³ ؛ لأن هذا هو الترتيب الأكثر استقرارًا للمدارات الأربعة sp ³ الهجينة. في حالة sp ² carbons ، يمكن أن تشكل روابط مزدوجة ولها بيئة مستوية مثلثية ؛ وهكذا تحدد هذه المثلثات الشكل السداسي المثالي ومن أجل تهجين sp ، يتبنى الكربون هندسة خطية.

وهكذا ، فإن الأشكال الهندسية التي لوحظت في هياكل جميع المتآصلات تحكمها ببساطة رباعي السطوح (sp ³) ، سداسي أو خماسي (sp ²) ، وخطوط (sp).

تحدد التتراهدرا بنية ثلاثية الأبعاد ، بينما السداسيات والخماسيات والخطوط والهياكل ثلاثية الأبعاد أو ثنائية الأبعاد ؛ هذه الأخيرة هي الطائرات أو الألواح المشابهة لجدران أقراص العسل:

جدار بتصميمات سداسية من قرص العسل على غرار الطائرات المكونة من الكربون sp2. المصدر: Pixabay.

وإذا قمنا بطي هذا الجدار السداسي (خماسي أو مختلط) ، فسنحصل على أنبوب (أنابيب نانوية) أو كرة (فوليرينات) ، أو شكل آخر. التفاعلات بين هذه الأرقام تؤدي إلى أشكال مختلفة.

المواد الصلبة غير المتبلورة أو البلورية

وبغض النظر عن الأشكال الهندسية والتهجين والتشكيلات للتراكيب المحتملة للكربون ، يمكن تصنيف المواد الصلبة عالميًا إلى نوعين: غير متبلور أو بلوري. وبين هذين التصنيفين يتم توزيع تآصليهما.

الكربون غير المتبلور هو ببساطة الذي يقدم مزيجًا عشوائيًا من رباعي السطوح أو السداسي أو الخطوط ، غير قادر على إنشاء نمط هيكلي ؛ هذه هي حالة الفحم أو الفحم أو الفحم النشط أو فحم الكوك أو السخام ، إلخ.

بينما يتكون الكربون البلوري من أنماط هيكلية تتكون من أي من الأشكال الهندسية المقترحة ؛ على سبيل المثال ، الماس (شبكة ثلاثية الأبعاد من رباعي السطوح) والجرافيت (صفائح سداسية مكدسة).

الحصول

يمكن أن يكون الكربون نقيًا مثل الجرافيت أو الماس. توجد هذه في رواسبها المعدنية المنتشرة في جميع أنحاء العالم وفي بلدان مختلفة. هذا هو السبب في أن بعض الدول تُصدِّر أحد هذه المعادن أكثر من غيرها. باختصار ، "عليك حفر الأرض" للحصول على الكربون.

الأمر نفسه ينطبق على الفحم المعدني وأنواعه. ولكن هذا ليس هو الحال بالنسبة للفحم ، لأن الجسم الغني بالكربون يجب أن "يهلك" أولاً ، إما تحت النار أو البرق الكهربائي ؛ وبطبيعة الحال، في غياب الأكسجين، وإلا CO ₂ سيفرج عنه.

الغابة بأكملها هي مصدر الكربون مثل الفحم. ليس فقط لأشجارها ، ولكن أيضًا لحيواناتها.

بشكل عام ، يجب أن تخضع العينات المحتوية على الكربون للانحلال الحراري (الاحتراق في غياب الأكسجين) لإطلاق بعض الشوائب على شكل غازات ؛ وبالتالي ، يبقى مادة صلبة غنية بالكربون (غير متبلور أو بلوري) كبقايا.

التطبيقات

مرة أخرى ، مثل الخصائص والبنية ، تتوافق الاستخدامات أو التطبيقات مع المتآصلات أو الأشكال المعدنية للكربون. ومع ذلك ، هناك بعض العموميات التي يمكن ذكرها ، بالإضافة إلى بعض النقاط المعروفة. مثل:

- تم استخدام الكربون لفترة طويلة كعامل مختزل للمعادن في الحصول على المعادن النقية ؛ على سبيل المثال ، الحديد والسيليكون والفوسفور وغيرها.

- هو حجر الزاوية في الحياة ، والكيمياء العضوية والكيمياء الحيوية هي دراسات هذا الانعكاس.

- لقد كان أيضًا وقودًا أحفوريًا سمح للآلات الأولى ببدء تشغيل تروسها. بنفس الطريقة ، تم الحصول على غاز الكربون لأنظمة الإضاءة القديمة منه. كان الفحم مرادفًا للضوء والحرارة والطاقة.

- ممزوجًا كمادة مضافة مع الحديد بنسب مختلفة يسمح باختراع وتحسين الفولاذ.

- ولونه الأسود حدث في الفن وخاصة الجرافيت وجميع الكتابات المصنوعة بخطوطه.

المخاطر والاحتياطات

لا يشكل الكربون ومواده الصلبة أي مخاطر صحية. من يهتم بكيس من الفحم؟ يتم بيعها بأعداد كبيرة داخل ممرات بعض الأسواق ، وطالما لم يكن هناك حريق في الجوار ، فلن تحترق كتلها السوداء.

من ناحية أخرى ، يمكن أن يشكل فحم الكوك خطرًا إذا كان محتواه من الكبريت مرتفعًا. عندما تحترق ، ستطلق غازات كبريتية تساهم ، بالإضافة إلى كونها سامة ، في هطول الأمطار الحمضية. وعلى الرغم من CO ₂ في كميات صغيرة لا يمكن خنق لنا، فإنه لا يكون لها تأثير كبير على البيئة من غازات الاحتباس الحراري.

من هذا المنظور ، يعتبر الكربون خطرًا "طويل الأمد" ، لأن احتراقه يغير مناخ كوكبنا.

وبمعنى أكثر فيزيائية ، فإن المواد الصلبة أو الكربونية إذا سُحقت يمكن نقلها بسهولة بواسطة التيارات الهوائية ؛ وبالتالي ، يتم إدخالها مباشرة إلى الرئتين ، مما قد يؤدي إلى تلفهما بشكل لا يمكن إصلاحه.

بالنسبة للبقية ، من الشائع جدًا تناول "الفحم" عند طهي بعض الأطعمة.

المراجع

1. موريسون ، آر تي وبويد ، آر ، إن (1987). الكيمياء العضوية. 5 الطبعة. افتتاحية أديسون ويسلي Interamericana.
2. كاري ف. (2008). الكيمياء العضوية. (الطبعة السادسة). ماك جراو هيل.
3. غراهام سولومونز تي دبليو ، كريج ب. فريهل. (2011). الكيمياء العضوية. الأمينات. (الطبعة العاشرة). وايلي بلس.
4. أندرو. (2019). الكربون ، متآصلاته وهياكله. تم الاسترجاع من: everyscience.com
5. Advameg ، Inc. (2019). فحم. شرح الكيمياء. تم الاسترجاع من: chemistryexplained.com
6. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (11 يوليو 2018). 10 حقائق كربون (العدد الذري 6 أو C). تم الاسترجاع من: thinkco.com
7. طونية عيش. (2019). ما هو الكربون؟ - حقائق ودرس التاريخ للأطفال. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
8. فول. (سادس). تاريخ الكربون. تم الاسترجاع من: tf.uni-kiel.de