هيكل الجرافيت ، الخصائص: 31 حقائق سريعة كاملة


في هذه المقالة ، تمت مناقشة خصائص "بنية الجرافيت" المختلفة مثل الخصائص الهيكلية ، والخصائص ، والاستخدامات مع بعض الموضوعات ذات الصلة أدناه.

يُعرف الجرافيت أيضًا باسم plumbago أو الرصاص الأسود وهو معدن يتكون من الكربون. لها بنية ثنائية الأبعاد لها حلقات من ست ذرات كربون. يتبلور الجرافيت في أنظمة سداسية. إنه ناعم نسبيًا ولون أسود رمادي.

دعونا نركز على الموضوعات التالية المتعلقة بهيكل الجرافيت.

ما هو هيكل الجرافيت؟

الجرافيت هو في الأساس أحد أكثر تآصلات الكربون استقرارًا. موصل جيد للكهرباء والحرارة بكثافة 2.09-2.23 جم / سم3 مع بنية تساهمية كبيرة حيث يتم ربط كل ذرة كربون بثلاث ذرات كربون متجاورة.

في الجرافيت كل ذرة من الكربون sp2مهجن الذي يشكل طبقة تشبه الهيكل بترتيب سداسي من ذرات الكربون. هذه الطبقات ضعيفة الترابط مع بعضها البعض. بسبب وجود القوة الضعيفة بين الطبقات ، فإنها تنزلق بسهولة شديدة.

يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات تكافؤ وذرة كربون واحدة مرتبطة بثلاث ذرات كربون أخرى ، وبالتالي ، يتم ترك إلكترون تكافؤ واحد ويتم فصل إلكترون التكافؤ هذا في الهيكل.

هيكل الجرافيت
هيكل الجرافيت.
الصورة الائتمان: ويكيميديا ​​كومنز.

كيفية رسم هيكل الجرافيت لويس؟

إلى تعرف لويس هيكل أي جزيء ، يجب أولاً تحديد الذرات المكونة لتلك الجزيئات أولاً. هيكل لويس الفعلي للجرافيت معقد للغاية بسبب وجود هيكل متعدد الطبقات.

يتكون الجرافيت من ذرة كربون فقط حيث ترتبط ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى. لذلك ، يتم ترك واحد من إلكترونات التكافؤ الأربعة كزوج إلكترون غير مترابط. إجمالي 3 * 2 = 6 إلكترونات من كل ذرة كربون متورطة في ربط أزواج الإلكترون.

هيكل لويس من الجرافيت

رسوم رسمية لهيكل الجرافيت لويس

  إلى تعرف الشحنة الرسمية لأي جزيء، تحديد الهيكل إلزامي للغاية. لكن هيكل الجرافيت معقد للغاية لأنه يحتوي على هيكل متعدد الطبقات. وبالتالي ، لتبسيط تحديد هيكل لويس لقد اخترنا جزءًا واحدًا فقط من الجرافيت يحتوي على ثلاث ذرات كربون.

  • الشحنة الرسمية = العدد الإجمالي لإلكترونات التكافؤ - عدد الإلكترونات المتبقية على أنها غير مرتبطة - (عدد الإلكترونات المشاركة في تكوين الرابطة / 2)
  • الشحنة الرسمية لذرة الكربون المركزية = 4 - 1 - (4/2) = 1

وبالتالي ، يتم ترك إلكترون واحد كإلكترونات غير مترابطة ويصبح غير متمركز فوق الهيكل.

زاوية هيكل الجرافيت لويس

تشير الزاوية بشكل أساسي إلى الزاوية بين رابطتين تربطهما الذرة المركزية. تعتمد زاوية الرابطة على تهجين الذرة المركزية لأي جزيء أكثر على عوامل التنافر الموجودة في هذا الجزيء المعين.

عوامل التنافر هذه -

  • تنافر زوج وحيد
  • زوج وحيد - تنافر زوج السندات
  • تنافر زوج السندات والسندات.

التهجين هو العامل الرئيسي لتحديد زاوية الرابطة.

تهجين الذرة المركزية   زاوية السندات
sp1800
sp21200
sp3109.50
sp3d2900

في الجرافيت ، يشارك مداري واحد s واثنان من p في sp2تهجين. يتضح من الجدول أعلاه أن زاوية الرابطة ستكون 1200 وأطوال الرابطة هي 1.421 أ0.

الجرافيت لويس هيكل ثماني القاعدة

قاعدة الثماني هي إحدى أهم القواعد في الكيمياء غير العضوية حيث تنص على أن أي ذرة يجب أن يكون لها مثل هذا التكوين الإلكتروني الذي يشبه التكوين الإلكتروني لأقرب غاز نبيل في الجدول الدوري.

من وجهة نظر واحدة ، لا يخضع الجرافيت لقاعدة الثمانيات. وبالتالي ، لا ينبغي أن تكون مستقرة. ولكن من الناحية التجريبية تبين أن استقرار الجرافيت مرتفع للغاية. لأن الإلكترون الإضافي أو غير المترابط في بنية الجرافيت يتم تحديد موقعه على جميع ذرات الكربون.

لذلك ، الجرافيت مستقر على الرغم من أنه لا يفي بقاعدة الثمانيات.

نحن نمثل بشكل أساسي الإلكترون غير الموضعي باعتباره الرابطة المزدوجة ونكتب الهيكل برابطة مزدوجة بديلة. ولكن مع تدوير هذه الرابطة المزدوجة ، تصبح جميع أطوال الرابطة متساوية.

هيكل الجرافيت لويس أزواج وحيدة

لا يحتوي الجرافيت على زوج وحيد من الإلكترونات. الأزواج الوحيدة هي تلك الأنواع من إلكترونات التكافؤ التي لا تشارك في أي تكوين رابطة.

يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي. من بين الإلكترونات الأربعة ، تشارك ثلاثة إلكترونات في تكوين رابطة سيغما الثلاثة. لا يمكن حساب الإلكترون المتبقي على أنه أزواج وحيدة أو إلكترونات غير مرتبطة لأن هذا الإلكترون يشكل رابطة pi مع ذرة الكربون الأخرى. يتم تحديد موقع رابطة pi أو الإلكترون الأيسر على الهيكل بأكمله ويساعد الجرافيت في توصيل الحرارة والكهرباء.

ذوبان الجرافيت

يعتبر الجرافيت من أفضل مصادر الكربون ولكنه غير قابل للذوبان في معظم المذيبات العضوية وغير العضوية. إذا قمنا بعمل صوتنة للجرافيت لفترة طويلة ، فيمكن أن يكون قابل للذوبان في بعض المذيبات العضوية بكمية مناسبة من المواد المضافة.

لكن هذه العملية (صوتنة لوقت طويل) تخلق عيوبًا وتشققات في بنية الجرافيت. إلى جانب ذلك ، الجرافيت في الحالة الصلبة غير قابل للذوبان في معظم المذيبات القطبية أو غير القطبية. لكنها قد تذوب في النيكل المنصهر وحمض الكلوروسولفوريك. يمكن تعليق الجرافيت الصلب بواسطة بعض المستحلب في الزيت أو في الماء.

هل الجرافيت إلكتروليت قوي؟

يمكن تعريف الإلكتروليتات القوية على أنها تلك المواد التي يمكن فصلها إلى أيوناتها المكونة بعد الذوبان في الماء.

لا يمكن إذابة الجرافيت في الماء بسبب تركيبته. وبالتالي ، لا يمكن أن يكون إلكتروليتًا لأنه لا يمكن فصله إلى أيونات. ولكن يمكنها توصيل الكهرباء بسبب الإلكترونات الوحيدة التي تم تحديد موقعها على هيكل الجرافيت بأكمله.

هل الجرافيت حمضي أم أساسي؟

إذا تم معالجة الجرافيت بمؤكسدات وأحماض قوية ، فيمكن الحصول على أكسيد الجرافيت كمنتج كان يُعرف سابقًا باسم أكسيد الجرافيت أو حمض الجرافيت.

في بنية أكسيد الجرافيت ، تتراوح النسبة بين الكربون والأكسجين بين 2.1 و 2.9. في هذا المركب ، يتم الاحتفاظ ببنية طبقات الجرافيت ولكن بمسافات أكبر وغير منتظمة. يظهر الخاصية الحمضية.

هل الجرافيت قطبي أم غير قطبي؟

تعتمد قطبية أي بنية جزيئية على العاملين التاليين-

  1. فرق الكهربية بين الذرات
  2. اتجاه السندات.

يتكون الجرافيت من ذرات الكربون فقط. وبالتالي ، فإن الكهربية لجميع الذرات المكونة متساوية ولا يوجد فرق في الكهربية في بنية الجرافيت.

لهذا السبب ، لا يُظهر الجرافيت أي عزم ثنائي القطب. لذلك ، فهو جزيء غير قطبي.

هل الجرافيت مغناطيسي؟

الجرافيت ليس مكونًا مغناطيسيًا. يمكن تصنيف المكون المغناطيسي إلى الأقسام التالية-

  • متوازي المغنطيسية
  • مغناطيسي
  • المغناطيسية الحديدية
  • المغناطيسية الحديدية

كل ذرة كربون ستة إلكترونات (1 ثانية22s22p2). تعرض ثلاثة من هذه الإلكترونات الستة اتجاه دوران تصاعدي وستة إلكترونات أخرى تعرض اتجاه دوران لأسفل يتم إلغاؤه بواسطة اتجاه الدوران الصاعد. وبالتالي لا تظهر أي مغناطيسية ويتم صدها بواسطة المجال المغناطيسي الخارجي. 

ولكن إذا كان الجرافين ملتويًا أو مكدسًا ، فيمكن تطوير شكل نادر من المغناطيسية.

هل الجرافيت معدني أم غير معدني؟

الجرافيت هو واحد من تآصل الكربون. وبالتالي ، فهي مادة غير معدنية. لها بنية طبقات مرتبطة تساهميًا.

لكن من أهم خصائص المعدن توصيل الكهرباء والحرارة. يمكن للجرافيت أيضًا توصيل الحرارة والكهرباء بسبب الإلكترون غير المحدد. يتمثل الاختلاف الرئيسي مع المعدن في أن الإلكترونات الحرة موجودة أيضًا في المعادن ويتم تحديد موقعها من خلال الهيكل بأكمله. لكن الإلكترونات الحرة من إحدى الطبقات يتم فصلها عن طبقة واحدة من بنية الجرافيت وليس في الطبقة الأخرى.

هل الجرافيت هش؟

الجرافيت هو بطبيعة الحال مركب هش للغاية بسبب بنيته.

في الجرافيت ، ترتبط ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى بواسطة ثلاث روابط تساهمية في "طبقة شبكية" ثنائية الأبعاد. تكون الطبقات الفردية قوية بسبب وجود ثلاث روابط تساهمية قوية ، ولكن يمكن فصل طبقات الجرافيت عن طريق تطبيق أقل اضطراب لأن الطبقات متصلة ببعضها البعض بواسطة قوة فان دير فال الضعيفة.

وبالتالي ، فإن الجرافيت مادة ناعمة وهشة.

هل الجرافيت متبلور أم غير متبلور؟

الجرافيت هو تآصل بلوري من الكربون مثل الماس.

المركبات البلورية هي تلك التي ترتبط فيها العديد من الذرات (أكثر من 1000 ذرة) بنمط متكرر. في الجرافيت أيضًا يتم اتباع نمط هيكلي معين. توجد طبقة واحدة فوق طبقة أخرى ومرفقة بقوة weal van der Waals. في جزء واحد من الجرافيت ، يتم إرفاق كربون واحد مع ذرات الكربون الثلاث المجاورة له بواسطة ثلاث روابط تساهمية قوية.

هل الجرافيت أخف من الفولاذ؟

أعمدة الجرافيت أخف بكثير من الفولاذ وأكثر تكلفة أيضًا. الأعمدة المصنوعة من الفولاذ أثقل من الجرافيت.

أحد الأسباب الرئيسية لكون الفولاذ ثقيلًا هو أنه سبيكة من الكربون والحديد. وبالتالي ، توجد مادة معدنية واحدة في الفولاذ. لكن الجرافيت هو فقط تآصل الكربون. وبالتالي فهو أخف من الفولاذ بسبب عدم وجود أي مادة معدنية.

هل الجرافيت مشع؟

الجرافيت العادي أقل نشاطًا إشعاعيًا. لأن جرام واحد من الكربون يوجد جرام بيكو واحد (10-12) كمية الكربون النشطة إشعاعيًا (كربون -14). هذه 14C نشطة الراديو لأنها تنبعث منها أشعة بيتا لتصبح 14N.

يستخدم الجرافيت

للجرافيت استخدامات مختلفة في الصناعة مثل-

  • مواد الكتابة - أقلام الرصاص مصنوعة من الجرافيت.
  • كمواد تشحيم
  • الحراريات
  • المفاعلات النووية
  • بطاريات
  • أوراق الجرافين
  • واجهات مسبك
  • بطانات الفرامل

في الختام

يحتوي الجرافيت على بنية ذات طبقات وهو أحد أكثر تآصلات الكربون ثباتًا. يمكن لهذه المادة غير المعدنية توصيل الكهرباء بسبب إلكتروناتها الحرة غير المحددة التمركز. إنه مركب ناعم وهش مع الكثير من الاستخدامات في الصناعة.

أديتي روي

مرحبًا ، أنا Aditi Ray ، شركة كيمياء صغيرة ومتوسطة الحجم على هذه المنصة. لقد أكملت تخرجي في الكيمياء من جامعة كلكتا وبعد التخرج من جامعة تكنو إنديا مع تخصص في الكيمياء غير العضوية. أنا سعيد جدًا لكوني جزءًا من عائلة Lambdageeks وأود أن أشرح الموضوع بطريقة مبسطة. دعنا نتواصل من خلال LinkedIn-https: //www.linkedin.com/in/aditi-ray-a7a946202

آخر المقالات