خصائص الجرافيت

الجرافيت هو معدن يتكون من الكربون، ويتكون الجرافيت من طبقات أفقية تتكون من حلقات من ست ذرات كربون، وهذه الطبقات ليست قريبة من بعضها البعض.

تُستخدم قيمة الجرافيت في العديد من الأشياء، بدءًا من الشحوم وحتى العلوم المتطورة، وتؤثر على مجالات مختلفة.

التركيب الذري للجرافيت

ترتيب الكربون

تخيل قرص العسل غير المصنوع من الشمع بل من ذرات الكربون فقط! التركيب الذري للجرافيت هو طبيعته الأساسية.

ترتبط كل ذرة كربون في طبقة ما بقوة بثلاث ذرات أخرى، مما يخلق شبكة قوية. وتجلس كل ذرة كربون بسعادة في منتصف دائرة سداسية الأضلاع، مكونة العديد من الصفائح السداسية التي تستمر إلى الأبد.

يسمح هذا التركيب، الذي يُسمى التهجين sp²، لكل ذرة كربون بتكوين ثلاث روابط تساهمية قوية مع جيرانها القريبين. وهذا يترك إلكترونًا إضافيًا واحدًا يمكنه الانتقال عبر الورقة بأكملها. هذه الإلكترونات الحرة ضرورية للعديد من السمات الفريدة للجرافيت.

الترابط

على عكس الماس، حيث تقوم كل ذرة كربون بتكوين أربع روابط قوية لربطها معًا في شكل صندوق صلب، فإن روابط الجرافيت تشير إلى اتجاه واحد. والقوى الضعيفة بين الطبقات تجعلها تنزلق مثل الفطائر على الشواية.

يُظهِر هذا الاتصال الفريد أيضًا سبب قدرة الجرافيت على توصيل الكهرباء. يمكن للإلكترونات الحرة التحرك بسهولة عبر الصفائح، لذا فهو اختيار مثالي للبطاريات والأقطاب الكهربائية.

المقارنة مع الأشكال المتآصلة الأخرى

على عكس صلابة الماس، يحتوي الجرافيت على طبقات قابلة للانحناء. وهذا يوضح كيف يمكن أن يكون الكربون مختلفًا في الشكل أو الهيئة (الألوتروبات). في حين أن الماس يتكون من شكل رباعي السطوح حيث ترتبط كل ذرة كربون بأربع ذرات أخرى، فإن البنية السداسية للجرافيت تجعله يتمتع بخصائص مختلفة. عند النظر إلى الجرافيت والفوليرينات، يختلف الشكل الدائري للفوليرينات بشكل كبير عن كيفية تكوين الجرافيت من طبقات.

الخصائص الفيزيائية للجرافيت

اللون والمظهر

يتراوح لون الجرافيت من مظهر معدني لامع إلى ظل رمادي غامق. مظهره الفريد يجعله أكثر جاذبية ويسهل اكتشافه في استخدامات مختلفة. هذا اللون الفريد رائع للأقلام، مما يجعل الصور والرسومات تبدو أكثر عمقًا وإثارة.

الكثافة والثقل النوعي

Even though it’s strong, graphite is surprisingly lighter compared with metal. The density of graphite is about approximately 1.7 g/cm³.  Its many layers and open rooms let it stay on top in water. It also feels as light as a feather when you touch it. Because it’s not heavy, it is perfect for uses where weight is essential, such as airplane pieces and sports gear.

نقاط الانصهار والغليان

على الرغم من أن الجرافيت ممتاز في نقل الحرارة، إلا أنه يحتاج إلى 3500 درجة مئوية ليصبح لينًا ويتحول إلى سائل. هذه النقطة العالية من الانصهار ممتازة للاستخدامات الساخنة مثل الأشياء المصنوعة في مصنع الصب وحتى أجزاء المفاعلات النووية. تخيل وجود قلم رصاص في بركان، هذا هو مدى سخونة الجرافيت.

الموصلية (الكهربائية والحرارية)

ترتبط قدرة الجرافيت على توصيل الكهرباء والحرارة ارتباطًا وثيقًا. تتشارك الإلكترونات المتحركة في طبقاته بسهولة في كل من الحرارة والكهرباء.

وهذا يجعلها أداة سهلة لشحن البطاريات وتسخين الأشياء وحتى العمل مع شاشات اللمس. تخيل أن هاتفك يتحرك بسلاسة، وهذا يرجع إلى موصلية الجرافيت.

خصائص التشحيم

تسمح طبقات الجرافيت له بالتحرك بسهولة بين الطبقات، مما يجعله مادة تشحيم ممتازة. وهذا يجعله شائع الاستخدام في الحالات التي يكون فيها الانزلاق الأقل والحركة السلسة أمرًا مهمًا. وهذا يجعله رائعًا للأقفال والعجلات وحتى الأقلام.

البنية البلورية للجرافيت

ترتيب الشبكة السداسية

تصطف ذرات الكربون في الجرافيت في نمط سداسي داخل طبقات مسطحة. وهذا يجعل البنية جميلة وقوية. ويساعد هذا التكوين في جعل الجرافيت مميزًا، مثل قدرته على توصيل الكهرباء وخصائصه الزلقة.

الطبقات والقوى بين الجزيئات

تتمتع صفائح الجرافيت، مثل القطع المكدسة، بقوة انحناء مذهلة وحركة لأن الروابط الضعيفة بين الجزيئات تجعلها متماسكة. تساعد هذه القوى الطبقات على التحرك بسهولة فوق بعضها البعض. وهذا يجعل الجرافيت يتصرف بطريقة فريدة، والتي يمكن استخدامها في مختلف الشركات.

الخواص الميكانيكية للجرافيت

القوة والصلابة

الجرافيت قوي وصلب، مما يجعله يدوم طويلاً للعديد من الاستخدامات. بنيته القوية تتكون من طبقات عديدة. كل رابطة بين ذرتين من الكربون في صفيحة قوية، وتبقى معًا تحت الضغط.

المرونة والمرونة

على الرغم من أن الماس صلب وينكسر بسهولة، إلا أن الطبقات الخاصة للجرافيت تجعله قابلاً للانحناء بشكل مدهش.

يتمدد الجرافيت وينحني بسهولة، مما يجعل من الصعب كسره في مواقف مختلفة. تساعد هذه المرونة في الحماية من الإجهاد أو التلف عندما تتحرك الأشياء. تسمح القوى الضعيفة بين الصفائح بثنيها والالتواء دون كسرها. هذا يجعلها رائعة للحشيات والشحوم وحتى مخففات الصدمات.

الطبيعة المتباينة

الجرافيت ليس مادة عادية. تتغير خصائصه وفقًا لما إذا كنت تدفعه أو تسحبه بطرق مختلفة. إنه قوي وثابت على طول الخطوط ولكنه ضعيف ويسهل الانزلاق بينها. هذه الخاصية "ذات الاتجاه الواحد" ممتازة للاستخدامات التي تتطلب تفاصيل اتجاهية خاصة، مثل البوصلات والممحاة الكهربائية.

الخصائص الكيميائية للجرافيت

التفاعل مع الأكسجين

الجرافيت، وهو جزء هادئ عادة من العالم الكيميائي، قد يتعرض لمشاكل مع الأكسجين عندما تكون الأشياء ساخنة.

عندما تزيد درجة الحرارة عن 700 درجة، تتقشر هذه المادة على شكل طبقات وتتحول إلى ثاني أكسيد الكربون. يساعد هذا في إشعال النيران وتشغيل الأفران الكبيرة التي تذيب الأشياء. تعمل هذه الخاصية على تقوية المادة وتدوم في أماكن مختلفة، وخاصة حول الهواء.

مقاومة الأحماض والقواعد

إن الروابط القوية بين الكربون والكربون والبنية الطبقية التي يتمتع بها يصعب كسرها بواسطة معظم الأحماض والقواعد.

وهذا يجعلها مثالية للاستخدامات مثل الجدران الداخلية للمفاعلات الكيميائية وحتى الحاويات التي يمكنها التعامل مع المعادن الساخنة. وهذه الميزة تجعلها أفضل في الأماكن الضارة، مما يساعد على استخدام المزيد من أنواع الأشياء.

الأكسدة والتآكل

يتغير الجرافيت كثيرًا عندما يصبح ساخنًا جدًا، ولكن عادةً، في الظروف القياسية، يكون هذا التغيير بطيئًا وثابتًا.

يصدأ المعدن ببطء أو يتآكل بمرور الوقت. ومع مرور الوقت، يكوّن الأكسجين المحيط به تدريجيًا طبقة رقيقة من ثاني أكسيد الكربون على سطحه. ولا يؤدي هذا التآكل البطيء إلى تغيير خصائصه الرئيسية، مما يجعله مادة قوية وجديرة بالثقة.

الأسئلة الشائعة

1. لماذا يستخدم الجرافيت كمواد تشحيم؟

يستخدم الجرافيت كشيء زلق لأن طبقاته يمكن أن تتحرك فوق بعضها البعض. يحدث هذا لأن القوى الضعيفة تربط الجرافيت معًا. لذا، فهو يتمتع بخاصية الانزلاق ويُستخدم كشيء انزلاقي صلب.

2. لماذا يستطيع الجرافيت أن يحمل الكهرباء ولكن الماس لا يستطيع ذلك؟

الجرافيت هو مادة غير معدنية نادرة يمكنها حمل الكهرباء. في الجرافيت، ترتبط ذرة كربون واحدة بثلاث ذرات كربون أخرى، وإذا كانت هناك بقعة حرة أو فضفاضة يمكنها توصيل الكهرباء.

3. ما هي الخصائص الكيميائية الرئيسية للجرافيت؟

نظرًا لأن الرابطة بين ذرتي الكربون في الجرافيت قوية، فإنه يتمتع بنقطة انصهار وغليان عالية. ونحن نعلم أن الروابط التساهمية أقوى من غيرها.

المزيد من الموارد:

الجرافيت – المصدر: ويكيبيديا

الجرافيت والكربون – المصدر: بريتانيكا

ما هو الجرافيت – المصدر: BYJUS