ما الصيغة الكيميائية للجرافيت؟

الجرافيت وصيغته الكيميائية

الجرافيت، مثل الماس وأنابيب الكربون النانوية، هو أحد متآصلات الكربون. الصيغة الكيميائية للجرافيت (الرمز ) هي C. C في المجموعة 14 من الجدول الدوري. ويتألف من ذرات كربون ذات بنية طبقية سداسية مستوية الشكل، وهو معدن غير فلزي. يمكن لهذه الطبقات أن تنزلق بسهولة فوق بعضها البعض، مما يجعل الجرافيت شديد التزليق.

يحتوي الجرافيت على شكلين للتعبئة: أحدهما هو نظام بلوري سداسي الشكلوالأخرى نظام بلوري تقويمي. يمثل النظام البلوري المتعامد 20%-30% من الجرافيت الطبيعيوستصبح بلورات سداسية الشكل بعد معالجتها في درجة حرارة عالية تبلغ 3000 درجة مئوية. يعتقد العلماء أنه لا يوجد شيء اسمه بلورات جرافيتية ذات بنية مثالية إلى حد كبير.

الخواص الفيزيائية للجرافيت

لون الجرافيت رمادي غامق، والمادة ناعمة وناعمة ودهنية. الصلابة 1-2، والجاذبية النوعية 1.9-2.3. في ظل عزل الأكسجين، تكون درجة انصهاره أعلى من 3000 درجة مئوية، وهو أحد أكثر المعادن مقاومة لدرجات الحرارة.

علاوة على ذلك، يؤدي تركيبها الطبقي إلى خصائص فيزيائية فريدة من نوعها. حيث تعمل قوى فان دير فال الضعيفة على تثبيت طبقات الكربون معًا، مما يسمح لها بالانزلاق فوق بعضها البعض بسهولة. وهذه الخاصية تجعل الجرافيت مادة تشحيم فعالة. علاوة على ذلك، يتميز أيضًا بدرجة انصهار عالية واستقرار حراري جيد بسبب الروابط التساهمية القوية داخل طبقة الكربون.

التوصيل الكهربائي والحراري

تستمد الموصلية الكهربائية للجرافيت من بنيته البلورية الفريدة. وتتكون كل ذرة كربون داخل الجرافيت من طبقات سداسية الشكل، وترتبط كل ذرة كربون داخل الجرافيت تساهمياً بثلاث ذرات أخرى. ويتمتع إلكترون الغلاف الخارجي الرابع لكل ذرة كربون بحرية الحركة على طول الطبقات، مما يشكل "بحرًا" من الإلكترونات غير المتمركزة. وتعد هذه الإلكترونات جزءًا لا يتجزأ من الموصلية الكهربائية العالية، مما يتيح نقل الكهرباء بفعالية عند تطبيق الجهد الكهربائي.

وبالمثل، فإن بنيتها الفريدة مسؤولة عن توصيلها الحراري الملحوظ. حيث تسهّل الطبقات المنتظمة والسداسية لذرات الكربون النقل الفعال للطاقة الحرارية من خلال اهتزازات هذه الذرات. وهذه الظاهرة، أي التوصيل الفونوني، هي المسؤولة عن خصائص التوصيل الحراري الممتازة.

وتجدر الإشارة إلى أن التوصيلية الحرارية للجرافيت متباينة الخواص مما يعني أنها تختلف مع اتجاه تدفق الحرارة. فهو يُظهر موصلية حرارية عالية موازية للطبقات، وذلك بسبب ذرات الكربون المعبأة بإحكام والتوصيل الفونوني الفعال. وعلى العكس من ذلك، تكون الموصلية الحرارية منخفضة نسبيًا بشكل عمودي على الطبقات بسبب التباعد الأوسع بين هذه الطبقات والتفاعلات الذرية الأقل.

استخدامات الجرافيت

من أقلام الرصاص إلى البطاريات

يمكن إرجاع المجموعة الواسعة من تطبيقات الجرافيت إلى تركيبته الكيميائية. فهو يعمل كمادة تزييت، لذا يمكنك استخدامه في صناعة قلم رصاص - حيث تنزلق طبقة الكربون على الورق تاركةً أثرًا من علامات الكربون (علامات قلم الرصاص). وفي الإلكترونيات، تؤدي موصليته في الإلكترونيات إلى استخدامه في البطاريات وكأقطاب كهربائية.

الاستخدامات الصناعية والتكنولوجية المتطورة

أعطى ثبات الجرافيت في درجات الحرارة العالية ومقاومته للتآكل استخدامًا خاصًا في التطبيقات الصناعية، مثل أقطاب الجرافيت لصناعة الصلب eaf وصهر المعادن أو السبائك الأخرى.

عند استخدام الجرافيت كقطب كهربائي، هناك ثلاثة أنواع: أقطاب الجرافيت RP وHP وUHP. يمكن أن تستخدمها مصانع الصلب في أفران القوس الكهربائي، وأفران التكرير المغرفة وأفران القوس المغمورة لصناعة الصلب.

في التكنولوجيا، يمكنك استخدامه في المشتتات الحرارية لتبديد الحرارة من المكونات الإلكترونية. حتى في مجال الطاقة النووية، يتم استخدامه كمهدئ نيوتروني في بعض أنواع المفاعلات النووية.

في الختام

الجرافيت هو شكل فريد من أشكال الكربون، وتدل صيغته الكيميائية، C، على تركيبته، حيث ترتبط كل ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى في بنية شبكية سداسية. ويمنح هذا الترتيب الجرافيت خصائص استثنائية، مثل قابلية التشحيم والتوصيل الكهربائي والاستقرار الحراري.

تساعد معرفة كيمياء صيغة الجرافيت الكيميائية على فهم تركيبه الجزيئي وتسلط الضوء على أهميته في علم المعادنوالصناعات الكيميائية، والإلكترونيات، وتخزين الطاقة، وغيرها من المجالات الصناعية. من خلال الخوض في معادلة الجرافيت الكربوني، نكتسب تقديرًا أعمق لهذه المادة الرائعة ومجموعة استخداماتها المتنوعة.