الكيمياء العضوية و أنواع التهجين و التأصل
- يعد عنصر الكربون من حيث توفره الكتلي في الأرض العنصر رقم 17 ، وهو متوفر إما منفرداً أو على صورة مركبات ، وله أهمية كبيرة في حياتنا ، لأنه يعد من المكونات الأساسية لأجسام وغذاء الكائنات الحية ، والمكون الأساسي لجميع أنواع الوقود الشائع ( خشب ، فحم ، بترول ، غاز طبيعي ) ، كما أن الكثير من الصناعات تقوم على الكربون ومركباته ( البلاستيك ، النايلون ، الألياف الكربونية ..... الخ ) .
التركيب البنائي للكربون وروابطه
يقع الكربون في المجموعة 14 من الجدول الدوري ، عدده الذري 6 وبالتالي الترتيب الإلكتروني لذرته في الحالة العادية ( مستوى الطاقة الأرضي )
6C : 1s2 2s2 2p2
لكن ذرة الكربون في معظم الظروف توجد في الحالة المثارة حيث تأخذ الترتيب الإلكتروني
6C : 1s2 2s1 2p3
تمتلك ذرة الكربون أربعة إلكترونات تكافؤ ، مما يجعلها تميل إلى المشاركة وتكوين الروابط التساهمية .
ولفهم طريقة الترابط لذرة الكربون في المركبات الكربونية ، وشكلها الهندسي لابد من تذكر أنواع التهجين الذي تقوم به ذرة الكربون .
1 ـ تهجين sp3 : وهنا تقوم ذرة الكربون بدمج فلك s مع ثلاثة أفلاك p لتنتج أربعة أفلاك مهجنة متشابهة من نوع sp3 شكلها الهندسي رباعي الأوجه .
تكون ذرة الكربون في تهجين sp3 أربع روابط تساهمية أحادية
2 ـ تهجين sp2 : وهنا تقوم ذرة الكربون بدمج فلك s مع فلكين من p لتنتج ثلاثة أفلاك مهجنة متشابهة من نوع sp2 شكلها الهندسي مثلث مسطح يعامده الفلك الذريp المتبقي ، وهنا تكون ذرة الكربون روابط ثنائية .
3 ـ تهجين sp : وهنا تقوم ذرة الكربون بدمج فلك s مع فلك من p لتنتج فلكين مهجنين متشابهين من نوع sp شكلها الهندسي خطي يعامده كلٍ من الفلكين الذريين المتبقيين p ، وهنا تكون ذرة الكربون روابط ثلاثية .
الصور التآصلية للكربون
التآصل : وجود العنصر نفسه على عدّة صور تتشابه في خواصها الكيميائية وتختلف في خواصها الفيزيائية .
يتواجد الكربون في الطبيعة بثلاث صور تآصلية صلبة وهي :
1 ـ الماس ( Diamond ) : صورة تأصلية بلورية للكربون ، وهو عبارة عن شبكة من ذرات الكربون تترابط فيه كل ذرة مع أربع ذرات حولها في شكل رباعي الاوجه بروابط قوية جداً
هذا التركيب البنائي للماس يفسر خواصه ، فهو يعد من 1-أصلب المواد المعروفة ، 2- كثافته عالية 3- درجة انصهاره مرتفعة جداً - أكثر من 3500 C - وللماس قدرة عالية على 4- توصيل الحرارة تفوق معظم المواد بسبب خفة ذرات الكربون وترابطها القوي مما يجعل نقل الحركة الاهتزازية من خلالها عالية جداً .
لا يوصل الماس الكهرباء؟؟؟ بسبب انشغال جميع إلكترونات التكافؤ لذرة الكربون فيه بروابط متوضعة .
الإلكترونات المتموضعة : إلكترونات تشترك فيها ذرتين فقط .
الإلكترونات غير المتوضعة : إلكترونات تشترك فيها أكثر من ذرتين .
معظم استخدامات الماس الصناعية تعتمد على صلابته العالية وارتفاع درجة انصهاره ، فهو يستخدم في مجالات القطع ، والقص ، والحفر ، والتنعيم ، للمواد الصلبة الأخرى .
2 ـ الجرافيت ( Graphite ) : صورة تأصلية بلورية للكربون تترابط فيه ذرات الكربون على صورة طبقات من صفائح ذات أشكال سداسية . ضمن الطبقة الواحدة ترتبط ذرة الكربون مع ثلاث ذرات كربون حولها بروابط تساهمية قوية جداً في أشكال سداسية ، أما الطبقات فهي متباعدة نسبياً وتترابط فيما بينها بروابط قوى تشتت لندن الضعيفة .
هذه البنية للجرافيت تجعل منه مادة هشة سهلة التفتت ، بسبب ضعف الروابط بين الطبقات ، مما يجعلها سهلة الانزلاق فوق بعضها .
يتميز الجرافيت بكثافة أقل من الماس ، بسبب تباعد الطبقات ( الصفائح ) .
يوصل الجرافيت الكهرباء لاحتوائه على إلكترونات غير متموضعة حيث تشارك ذرة الكربون بثلاث إلكترونات تكافؤ فقط بروابط متموضعة .
للجرافيت درجة انصهار مرتفعة ( يشبه الماس ) بسبب قوة الترابط بين ذرات الكربون ضمن الصفائح ووجود الإلكترونات غير المتموضعة والتي تزيد قوة الترابط في الشبكة .
يستخدم الجرافيت في عمليات التشحيم ، وصناعة أقلام الرصاص لسهولة انزلاق طبقاته ، كما يستخدم في صناعة ألياف الجرافيت التي تتميز بقوة وصلابة تفوق الفولاذ وبكثافة منخفضة ، لذا تستخدم في صناعة الأدوات الرياضية وهياكل الطائرات ، كما يستخدم الجرافيت في صناعة الأقطاب الكهربائية لقدرته على التوصيل الكهربائي .
مقارنة بين الألماس والجرافيت :
* فســـــــــر :
1- يستخدم الألماس في مجال قطع المعادن والمواد الصلبة وحفرها وتنعيمها .
بسبب صلابتة الخارقة ودرجة انصهاره المرتفعة .
2- قلة الاستخدامات الصناعية للالماس .
بسبب صلابتة الخارقة ودرجة انصهاره المرتفعة .
3- يستخدم الجرافيت في التشحيم وأقلام الرصاص .
بسبب انزلاق طبقاته بعضها فوق بعض لضعف قوى تشتت لندن بينها .
4- تستخدم ألياف الجرافيت في إنتاج الأدوات الرياضية وهياكل الطائرات .
لأنها صلبة وقوية وخفيفة الوزن .
5- للألماس قدرة كبيرة على توصيل الحرارة .
لصغر كتلة ذرات الكربون والقوى التي تربط بين الذرات شديدة وتتمكن من نقل الحركة الإهتزازية بسهولة خلال الذرات .
6- الألماس لا يوصل الكهرباء .
لأن جميع إلكترونات التكافؤ تكون روابط تساهمية متموضعة وبالتالي لا توجد إلكترونات حرة .
7- الجرافيت موصل جيد للكهرباء .
لوجود إلكترونات غير متموضعة تتحرك بحرية خلال الطبقة .
8- انخفاض كثافة الجرافيت عن الألماس .
بسبب ارتفاع متوسط المسافة بين ذرات الكربون في الجرافيت عما هي عليه في الألماس .
9- انزلاق الطبقات في الجرافيت بسهولة .
لضعف قوى تشتت لندن بينها .
3 ـ الفوليرين ( Fullerene ) : صورة تآصلية صلبة للكربون ، تم اكتشافها حديثاً (عام 1996 ) في السناج الناتج عن الاحتراق غير التام لمركبات الكربون. تترابط ذرّات الكربون في جزيء الفوليرين بأشكال خماسية أو سداسية على صورة أقفاص شبه كروية .
تختلف الفوليرينات عن بعضها بعدد ذرات الكربون المكونة للقفص الكروي ، وأشهرها C60 ، والذي يسمى بكمنستر فوليرين أو كرة باكي .
لا يوجد استخدامات عملية للفوليرينات حتى الآن ، وما زالت قيد الدراسة .
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق