لماذا تتميز درجة انصهار الكربون بدرجة انصهار عالية؟

في مجال الكيمياء وعلوم المواد، اجتذب الكربون الكثير من الاهتمام بسبب خصائصه الفريدة وانتشاره الواسع. وتمنحه درجة انصهاره العالية للغاية ثباتًا في البيئات القاسية. كما أنه يلعب دورًا رئيسيًا في علم المعادن الحرارية وتصنيع المواد المقاومة للحرارة والمواد فائقة الصلابة.

هيكلية الكربون

يحتوي الكربون على مجموعة متنوعة من المتآصلات في الطبيعة، مثل الماس, الجرافيت والفوليرين. نظرًا لاختلاف ترتيب الذرات، تختلف الخصائص الفيزيائية والكيميائية اختلافًا كبيرًا.

الماس عبارة عن بلورة ذرية وذرات كربون مرتبطة بروابط تساهمية لبناء بنية شبكية ثلاثية الأبعاد. وتتصل كل ذرة كربون وذرات الكربون الأربع المحيطة بها لتكوين رباعي الأوجه منتظم، ويكون الهيكل العام مستقرًا.

الجرافيت عبارة عن طبقات، وتشكل ذرات الكربون في الطبقة شبكة سداسية ذات روابط تساهمية، والروابط التساهمية قوية. تتأثر الطبقة بقوة فان دير فال الضعيفة. وهذا يجعل الجرافيت يتمتع بتوصيلية جيدة وتزييت جيد في الاتجاه الموازي للطبقة، ويتمتع بثبات معين.

ممثلة بـ C60، كان الفوليرين على شكل كرة قدم ويتكون من 60 ذرة كربون على شكل كرة. وكانت كل ذرة كربون متصلة بثلاث ذرات كربون مجاورة من خلال الرابطة التساهمية. واستنادًا إلى الرابطة التساهمية، كان للفوليرين ثبات معين.

أسباب ارتفاع درجة انصهار الكربون

الترابط التساهمي

ترجع درجة الانصهار العالية للكربون بشكل أساسي إلى الرابطة التساهمية القوية بين ذراته. ففي الماس، تشكل كل ذرة كربون رابطة تساهمية قوية مع ذرات الكربون الأربع المحيطة بها. والروابط التساهمية هي الروابط التي تتشكل من خلال مشاركة الإلكترونات بين الذرات، وهي في الأساس عبارة عن تجاذب قوي للنواة مع زوج من الإلكترونات المشتركة. في بنية الماس، يمكن أن تكون هذه الروابط التساهمية عالية جداً. ويتطلب كسر هذه الروابط التساهمية وفصل ذرات الكربون الكثير من الطاقة.

لنأخذ الماس كمثال، فالرابطة C-C الخاصة به تبلغ حوالي 347 كيلوجول/مول. عند تسخينه، يجب أن تكون الطاقة التي يوفرها العالم الخارجي كافية للتغلب على ارتباط هذه الروابط التساهمية. لتغيير الموضع النسبي لذرة الكربون وبالتالي التحول من مادة صلبة إلى سائلة. وعلى النقيض من ذلك، تتفاعل بعض جزيئات المادة، مثل الثلج، مع قوة فان دير فال من خلال روابط هيدروجينية أضعف ودرجة انصهار تساهمية 0. وعندما يذوب الثلج لا يحتاج إلى تدمير هذه القوى الضعيفة بين الجزيئات إلا دون تدمير الروابط التساهمية الموجودة داخل جزيئات الماء؛ ومن ثَمَّ، يتطلب طاقة أقل.

في الجرافيت، على الرغم من وجود قوة فان دير فال ضعيفة بين الطبقات. تشكل ذرات الكربون في كل طبقة شبكة مستوية مستقرة من خلال الروابط التساهمية. تتمتع الرابطة التساهمية في هذه الطبقة أيضًا بطاقة رابطة عالية. لذلك عند تسخين الجرافيت، يمكن الحفاظ على بنية الطبقة مستقرة نسبيًا عند تسخين الجرافيت. وتتطلب درجة حرارة أعلى لجعل البنية بأكملها تتغير بشكل كبير.

ذرات الكربون معبأة بإحكام

وبالإضافة إلى عمل الروابط التساهمية، يؤدي التراكم المحكم للذرات في البنية البلورية للكربون أيضًا دورًا مهمًا في درجة انصهاره العالية. في الشبكة ثلاثية الأبعاد للماس، يتم ترتيب ذرات الكربون بطريقة منظمة ومضغوطة للغاية. ويؤدي هذا التراكم المحكم إلى جعل المسافة بين الذرات صغيرة جدًا، ويزيد التفاعل بين الذرات بشكل أكبر.

ووفقًا لنظرية التركيب البلوري، يمكن أن يؤدي التراكم الكثيف للذرات إلى تحسين كثافة البلورات واستقرارها. في الماس، تكون طاقة الشبكة أكبر بسبب التراكم الكثيف للذرات. تشير الطاقة الشبكية إلى الطاقة التي تمتصها البلورة الأيونية إلى أيونات موجبة غازية وأيونات سالبة غازية في الظروف القياسية. بالنسبة إلى البلورات الذرية، يمكنك مقارنتها بالطاقة اللازمة لكسر البنية البلورية. كلما كانت طاقة الشبكة أكبر، كلما كانت البلورة أكثر استقرارًا، كلما زادت درجة الانصهار.

على الرغم من وجود فجوة معينة بين طبقات الجرافيت، إلا أن ذرات الكربون في كل طبقة مرتبة بإحكام. ويساعد هذا التراكم المحكم في الطبقة أيضًا على تحسين ثبات الجرافيت ودرجة انصهاره. في كل طبقة من طبقات الجرافيت، يجعل التركيب الشبكي السداسي الذي تشكله ذرات الكربون التفاعل بين الذرات يصل إلى حالة التوازن. وهذا يتطلب طاقة عالية لكسر هذا التوازن.

مقارنة درجة انصهار الكربون بالعناصر الأخرى

وبالمقارنة مع العناصر الأخرى، تتميز درجة انصهار الكربون بمزايا كبيرة مقارنة بالعناصر الأخرى.

إذا أخذنا الحديد كمثال، فإن درجة انصهاره تبلغ حوالي 1538 درجة مئوية، وهو عبارة عن بلورة فلزية مرتبطة بروابط فلزية. ويتم التغلب على التفاعل بين كاتيونات الفلز والإلكترونات الحرة عند انصهاره.

وغالبًا ما يوجد الكبريت في S8 الجزيئات والبلورات الجزيئية. وبواسطة قوة فان دير فال الضعيفة بين الجزيئات، تبلغ درجة الانصهار 115.21 درجة مئوية فقط.

الكربون، سواء كان ماسًا أو متآصلًا مكافئًا للجرافيت، بسبب الرابطة التساهمية بين الذرات وبنية التعبئة القريبة، فإن درجة انصهاره أكثر بكثير من العديد من العناصر الشائعة. وتبلغ درجة انصهار الكربون حوالي 3550 درجة مئوية (3824 كلفن) ， فهو مستقر للغاية في درجات الحرارة العالية، ويصبح مادة أساسية في التطبيقات الخاصة.

التطبيق العملي لنقطة الانصهار العالية للكربون

المواد الحرارية:

يمكنك استخدام الكربون على نطاق واسع في تصنيع المواد الحرارية بسبب درجة انصهاره العالية. في صناعة المعادن، يجب أن تكون بطانة الأفران عالية الحرارة مقاومة لدرجات الحرارة العالية والتآكل. يمكن للمواد المركبة المحتوية على الجرافيت والكربون أن تتحمل البيئة القاسية وتحمي جسم الفرن وتطيل عمر الفرن. على سبيل المثال، يمكن لبوتقة الجرافيت أن تتحمل ذوبان الفولاذ المصهور بدرجة حرارة عالية في صناعة الصلب.

مواد فائقة الصلابة:

أصبح الماس، باعتباره أحد متآصلات الكربون، الخيار الأول لتصنيع المواد فائقة الصلابة بسبب صلابته العالية ونقطة انصهاره العالية. يمكنك استخدام أدوات الماس في الآلات ومعالجة الأحجار وغيرها من المجالات. عند القطع بسرعة عالية، فإن نقطة الانصهار العالية تجعله مستقرًا تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع. تحسين دقة وكفاءة المعالجة. يمكنك أيضًا استخدام الماس الاصطناعي لتصنيع أدوات الحفر للتنقيب عن النفط والتنقيب الجيولوجي.

الأجهزة الإلكترونية:

في مجال الأجهزة الإلكترونية، تلعب نقطة الانصهار العالية للكربون دورًا مهمًا. أشباه الموصلات يتطلب التصنيع بيئة ذات درجة حرارة عالية لنمو البلورات والمنشطات وغيرها من العمليات. نظرًا لنقطة الانصهار العالية والتوصيل الكهربائي الجيد والاستقرار الكيميائي، يمكنك استخدامه لتصنيع عناصر التسخين والبوتقة والمكونات الأخرى. لضمان التحكم الدقيق في عملية تصنيع أشباه الموصلات وإنتاج عالي الجودة.

الخاتمة

ترجع درجة الانصهار العالية للكربون إلى بنيته الفريدة، فالروابط التساهمية بين الذرات قوية ومكتظة بإحكام، ويتطلب الانصهار الكثير من الطاقة. وبالمقارنة مع العناصر الأخرى، فإن هذه الخاصية تجعله مفيدًا في العديد من المجالات. وستساعد أيضًا في تطوير المزيد من المواد عالية الأداء القائمة على الكربون في المستقبل.