تويت
كربون Carbon - Carbone
الكربون
الكربون carbon عنصر[ر: العنصر الكيمياوي] ذو صفات لا معدنية واضحة، رمزه الكيمياوي C، يوجد في الجدول الدوري في الفصيلة IVA (أو 4 ا). تشمل هذه الفصيلة إضافة إلى الكربون السيلسيوم، والجرمانيوم، والقصدير، والرصاص.
بنيته الإلكترونية [He] 2s2 2P2، تدل [He] على البنية الإلكترونية للغاز الخامل الهليـوم. العـدد الذري للكربون 6، ووزنه الذري مقدراً بوحدة الكتل الذرية 12.011. له تكافؤان +2 و+4. والتكافـؤ +4، سواءَ كان ذلك بخسارة أو بإضافة أربعة إلكترونات استناداً إلى قاعدة «الثمانية»، هو الأثبت. ولتزايد حجم الذرات من أعلى الفصيلة إلى أسفلها؛ تتناقص قوة الجذب بين النواة وإلكترونات التكافؤ، مما يؤدي إلى نقص تدريجي في تقبل العناصر إلكترونات إضافية وتزايد سهولة التخلي عن الإلكترونات بالاتجاه نفسه. ولهذا يكون الكربون لا معدناً[ر. اللامعدن] دوماً، في حين يجمع السيلسيوم والجرمانيوم بين الصفات المعدنية واللامعدنية، ويكون للقصدير والرصاص خواص معدنية[ر. المعدن] واضحة.
تتميز ذرة الكربون من العناصر الأخرى في فصيلته بعدم احتوائها على إلكترونات في المدار d، فيكون التكافؤ الأعظمي للكربون بالنسبة إلى الهالوجينات مساوياً 4 بمساهمة مدار s وثلاثة مدارات P.
وجوده في الطبيعة - أنواعه - خواصه الفيزيائية واستعمالاته
الشكل (1)
يصادف الكربون في الطبيعة، حراً، بشكلين بلوريين: الألماس[ر] والغرافيت، كما أن للكربون أشكالاً متآصلة allotrope بلورية غير موجودة بالطبيعة وإنما تصطنع اصطناعاً، أكثرها شيوعاً البَكْمِنْسْتِرفولِّرين buckminsterfullerene. تتكوَّن جزيئاته من ستين ذرة كربون (صيغة الجزيء C60) وترتبط الذرات في الجزيء بعضها ببعض مكونة كرة، مثل كرة القدم؛ إذ إن الروابط بين الذرات تكون على شكل مضلعات سداسية وخماسية متصلة بعضها ببعض، كما يبين الشكل (1) وسمي هذا المركب نسبة إلى المعماري الأمريكي فولِّر R.Buckminster Fuller؛ لأن بنية الجزيء تشبه التصاميم الهندسية المعقدة التي صمَّمها هذا المعماري.
اكتشف C60 عام 1989؛ وهو أحد أفراد عائلة جديدة أُطلق عليها اسم ضروب الفولِّرين Fullerenes، وأصبح أكثرها شيوعاً البكمنسترفُولِّرين. وقد تم هذا الاكتشاف مصادفة حينما كان الأمريكي سمولي R.E.Smalley يعمل على اصطناع سلاسل خطية طويلة من ذرات الكربون. وقد وجّه سمولي أشعة ليزرية على قرص غرافيتي دوّار في غرفة مخلاّة من الهواء ومملوءة بالهليوم، فأدت شدة تسخين سطح الغرافيت وبسرعة إلى كسر الروابط C−C مما أدى إلى تناثر ذرات الكربون مصحوبة بتجمعات صغيرة منها، وعندما تبرد ذرات الكربون والتجمعات الذرية يتصادم بعضها ببعض وتنتج روابط جديدة بينها.
وأشكال جزيئات ضروب الفُولِّرين متنوعة: تراوح بين كرة قدم سطحها مكوَّن من مضلعات سداسية وخماسية متشابكه شبيهة بوحدات بناء جزيء C60 وبين أنابيب طويلة. وأنابيب النانو الكربونية أخذت اسمها لأنها جزيئات أسطوانية الشكل قطرها من مرتبة جزء من البليون من المتر (وهذا يساوي قطر ذرة ذات حجم متوسط، وطولها يساوي نحو ألف مرة قطرها) وهذه الجزيئات وزنها خفيف إلا أنها قد تكون أمتن نسيج صنِّع.
أما الكربون في الفحم الحجري، والفحوم الأخرى فغير بلوري عموماً. ويُصادف الكربون في الطبيعة على شكل غاز الكربون CO2 في الجو وأملاح كربونات معادن وبشكل حجر كلسي أي كربونات الكلسيوم (في القشرة الأرضية). وبالرغم من أن الكربون لا يشكل أكثر من 0.1% من القشرة الأرضية فإنه العنصر الثاني (بعد الأكسجين) في تركيب الجسم البشري (16.5% كربون). وهو موجود في جميع الأنسجة الحيوانية والنباتية متحداً مع الهدروجين والأكسجين، وفي البقايا الجيولوجية لهذه الأنسجة (الفحم الحجري والبترول).
نصف قطر ذرة الكربون 0.91 أنغستروم، طاقة التشرد الأول 11.2 إلكترون فلط، الكهرسلبية 2.55، الكمون النظامي (إلى CO2) يساوي +0.20 فلط.
يُعرف للكربون نظيران هما: c12C ت(98.89%) و c13C ت(1.11%) كما يُعرف له نظير ثالث مشع c14C. ويحوي ثنائي أكسيد الكربون الموجود في الهواء الكربون 14 الذي يتكون نتيجة للتفاعل النووي بين ذرات آزوت (نتروجين) الهواء ونترونات الأشعة الكونية:
وفي عملية التمثيل اليخضوري يدخل الكربون 14 في تركيب النسج النباتية بحيث تكون نسبة عدد ذراته إلى عدد ذرات الكربون 12، وهو النظير المستقر للكربون، كنسبة 1 إلى 1210. غير أن هذه النسبة تتناقص مع الزمن إذا انقطع التبادل الحيوي في المادة النباتية (بفصل هذه المادة أو قطع النبات) بسبب تفكك الكربون 14 بإصدار أشعة β وفق التفاعل النووي:
وزمن نصف التفكك الإشعاعي (أي عمر النصف) للنظير 14 يساوي 5570 سنة تقريباً. ويستفاد من ذلك لتقدير عمر المادة النباتية بقياس إشعاع الكربون المكوّن لها. فعلى سبيل المثال، لتكن سرعة تحلل disintegration الكربون 14 في قطعة خشب حديثة القطع من شجرتها تساوي 15.6 تحلل في الدقيقة، في حين تساوي هذه السرعة 7.8 تحلل/دقيقة في قطعة خشب قديم لها وزن القطعة الأولى نفسه ويبلغ عمرها 5570 سنة تقريباً؛ أي إنه بتحديد سرعة تحلل الكربون 14 في كلتا القطعتين يمكن تعيين تاريخ قطع الخشب الثاني من شجرته بتقريب جيد.
أ - الماس والغرافيت
(الشكل 2-أ) انتظام الذرات في الماس
(الشكل 2-ب) انتظام الذرات في الغرافيت
للماس (الشكل 2أ) خاصتان مهمتان. الأولى قساوته الشديدة فهو أقسى مادة معروفة. والخاصة الثانية التي تميز الماس (أو الألماس[ر]) قرينة انكساره العالية التي تساعد على انكسار الضوء وظهور بريق الماس المعروف.
يتحول الغرافيت بتأثير الضغط العالي والحرارة العالية إلى ماس وقد أمكن صنع الماس بهذه الطريقة، ويستعمل في أغراض صناعية فقط.
وفي الغرافيت (الشكل 2ب) تشكل الذرات طبقات مستوية ويكون ترتيب الذرات في الطبقة الواحدة على هيئة مضلعات سداسية منتظمة، ترتبط كل ذرة كربون فيها بثلاث ذرات أخرى فيمكن اعتبار حصول تهجين من النمط SP2. تبلغ المسافة بين مستويين متجاورين 2.40 أنغستروم، ما يدل على أن المستويات لا ترتبط فيما بينها بروابط مشتركة وإنما بقوى من نوع فان درفالس. كتلته الحجمية 2.25غ/سم3، ودرجة انصهاره 3500 ْس ودرجة غليانه4830 ْس.
الغرافيت ذو لون غامق وعاتم يتصف ببريق معدني، أما الناقلية الكهربائية له فكبيرة (1/1000 من ناقلية النحاس) في الاتجاه الموازي لمستويات الذرات، وهي صغيرة في الاتجاه العمودي على المستويات. فيبدو أن الرابطة المتعددة المراكز في المستويات تشبه نموذج الارتباط في المعادن، حيث يوجد بحر من الإلكترونات (إلكترونات π في الغرافيت). ويعزى البريق المعدني والناقلية الكهربائية للغرافيت إلى سهولة تحرك هذه الإلكترونات.
يتبلور كل من Si وGe وSn حسب البنية البلورية للماس. أما بنية الغرافيت فلا تصادف إلا في الكربون ويعزى ذلك إلى قدرة الكربون على تشكيل روابط مضاعفة.
تنـزلق بلورات الغرافيت بعضها على بعض عند حك الغرافيت فوق قطعة من الورق مثلاً. ولذلك يستعمل في صنع أقلام الرصاص. ويمكن استحضار الغرافيت صناعياً بتسخين الفحم حتى الدرجة 3500 ْس. وبسبب ليونته ومقاومته للحرارة يستعمل في تشحيم بعض الآلات المعرَّضة للحرارة العالية. ويستعمل عاملاً مرجعاً لاستحصال المعادن، وتصنع منه إلكترودات في الاستحصال الكهركيمياوي للعناصر، كما يستعمل معدِّلاً في المفاعلات النووية وفي صنع الألياف الكربونية عالية القوة.
وقد تبين بنتيجة الدراسة بوساطة الأشعة السينية أن للكربون اللابلوري بنية الغرافيت إلا أن سطحه ذو مسام كثيرة.
ب - الفحم الحجري
قبل ملايين السنين، عندما كان مناخ الأرض أشد رطوبة وأكثر أمطاراً مما هو عليه في الوقت الحالي، كانت المملكة النباتية في ازدهار رائع. وكانت هذه النباتات وما ينتج منها من أوراق وأزهار تختلط بالمواد الرسوبية وتتوضع في المستنقعات أو التجمعات المائية، وتتفسخ بعيدة عن أكسدة الهواء، منقلبة إلى نوع من الفحم يحتفظ بكثير من صفاته النباتية يطلق عليه اسم التورب. وتمر على التورب عوامل جيولوجية متنوعة ويتعرض في باطن الأرض إلى ضغط وحرارة شديدين، ويتحول تدريجياً إلى طبقات من الفحم الحجري تختلف أنواعه باختلاف عمره وما عاناه من حوادث. ويُصادَف اللغنيت- وهو حديث المنشأ ولا يزال بني اللون- في مناطق متعددة من الأرض. وهناك الفحم الحجري العادي الذي يسمى الفحم الدسم، وهو النوع المستعمل بكثرة في الصناعة. أما الأنتراسيت فهو نوع قديم العهد كامل التفحم، أندر وجوداً من الفحم الدسم وأنفع منه في الاستعمال المنزلي إذ لا تتسخ به اليد ولا ينشر دخاناً عند احتراقه. يلخص الجدول (1) تركيب هذه الأنواع من الفحوم والسلولوز والخشب والبترول والنفط، كما يبين حرارة احتراق هذه الأنواع[ر. الفحوم الحجرية].
الوقود كربون هدروجين أكسجين حرارة الاحتراق (حريرة/غرام)
سلولوز 44.5% 6.2% 49.3% 4200
خشب 50.0 6.0 44.0 4100
تورب 60.0 5.9 34.1 5500
ليغنيت 67.0 5.2 27.8 6500
فحم دسم 88.4 5.6 6.0 8300
أنتراسيت 94.1 3.4 2.5 8700
نفط 58.5 14.2 0.3 11000
صفاته الكيمياوية
يختلف الكربون عن باقي عناصر فصيلته بكون عدده التساندي لا يتجاوز 4 (لعدم وجود مدارات d في الطبقة الثانية) وبمقدرته على تشكيل روابط مضاعفة (C≡N, C≡C, C==C) وسلاسل. وتكوين السلاسل يعني أن ذراته تترابط بعضها ببعض مكونة سلاسل. وتظهر هذه الخاصة في الملايين من مركبات الكربون سواء الموجودة في الطبيعة أو مركباته المصطنعة في المختبرات. ومركبات الكربون كثيرة جداً لذلك أُفرِد لدراستها فرع خاص في الكيمياء هو الكيمياء العضوية[ر]. وللكربون أيضاً مركبات بسيطة مثل CO وCO2 وضروب الكربونات وغيرها.
الكربون، بشكليه الماس والغرافيت، خامل كيمياوياً بدرجة الحرارة العادية. أما في الدرجات العالية من الحرارة فهو يتفاعل مع أغلب العناصر المعدنية واللامعدنية. والكربون غير البلوري أكثر نشاطاً (فاعلية) من الغرافيت والماس.
يكوِّن الكربون مع الأكسجين أكسيدين هما أحادي أكسيد الكربون CO وثنائي أكسيد الكربون CO2، إضافة إلى أكاسيد أخرى غير شائعة مثل C3O2 وC5O2 وC12O9.
الشكل (3) خطورة التسمم بأحادي أكسيد الكربون
حسب تركيزه في الهواء
وللكربون مع الكبريت مركب كبريتيد الكربون CS2 الذي ينتج من تفاعل الكربون اللابلوري (الكوك والفحم الخشبي) المسخّن مع بخار الكبريت. ويتفاعل الكربون مع الآزوت بدرجة عالية من الحرارة مكوّناً C2N2 (السيانوجين) وهذا التفاعل ماص للحرارة ولا يجري إلا بصورة محدودة. ويكوّن الكربون مع الهالوجينات مركبات من نوع CX4. يمكن استحصال CF4 بالتفاعل المباشر بين الكربون وغاز الفلور على خلاف المركبات المماثلة التي لا تحضر إلا بطرق غير مباشرة.
لا يتفاعل الكربون مع المعادن إلا بدرجات حرارة عالية. ويعدّ ثنائي كربيد الكلسيوم CaC2 وكربيد التنغستين WC وكربيد ثنائي التنغستين W2C من أهم مركبات الكربون مع المعادن.
أكاسيد الكربون وحموضه: أحادي أكسيد الكربون CO هو بلا ماء حمض النمل (الفورميك) HCOOH. وهو في الظروف الطبيعية، غاز لا لون له ولا رائحة، تساوي كتلته الحجمية 1.25غ/لتر، أما كثافته النسبية (مقارنة بالهواء) فتساوي 0.967. وهو قليل الانحلال في الماء (35سم3/ل عند الدرجة صفر سلسيوس مئوية). ولا يتفاعل مع الماء أو الحموض أو الأسس. وهو سام جداً إذ يتحد مع هيموغلوبين الدم ويشكل مركباً معقداً يمنع الدم من التفاعل مع الأكسجين. لذا يؤدي استنشاق الهواء الملوث بأحادي أكسيد الكربون إلى تسمم متفاوت الخطورة حسب تركيز الغاز CO في الهواء وطول فترة الاستنشاق (الشكل-3).
يقوم أحادي أكسيد الكربون بتفاعلات ضم وتفاعلات إرجاع، إلا أن هذه التفاعلات لا تتم إلا بدرجات عالية من الحرارة. فهو يتفاعل مع الأكسجين، ومع الهالوجينات، والكبريت ومع بعض المعادن أيضاً مكوّناً مركبات ضم.
يحترق بأكسجين الهواء بدرجة 700 س بلهب أزرق وينتج ثنائي أكسيد الكربون:
وتنتشر كمية حرارة قدرها 564.3 كيلو جول، ولذلك يستعمل وقوداً لدفع الصواريخ والمركبات الفضائية لضخامة كمية الحرارة الناتجة من هذا التفاعل.
يتحد مع الهالوجينات مكوّناً مركبات صيغتها COX2 كما يتحد مع الكبريت مكوّناً كبريتيد الكربونيل COS. ويرجِع أكاسيد معدنية عدة بدرجات مرتفعة من الحرارة؛ ويستعمل لهذا الغرض في عمليات تعدين لإرجاع كثير من الأكاسيد مثل CuO، وAg2O، وFe2O3.
ثنائي أكسيد الكربون (غاز الكربون) CO2 غاز لا لون له، وله طعم حمضي خفيف، وهو قليل الانحلال في الماء، ويزداد انحلاله بزيادة الضغط مما يفسر استعماله في المشروبات الغازية.
يتحول غاز الكربون CO2 إلى سائل تحت ضغط يناهز 60 جواً وبدرجة الحرارة العادية. ويمتص ثنائي أكسيد الكربون السائل كمية كبيرة من الحرارة عندما يتبخر مما يؤدي إلى انخفاض في درجة حرارة السائل الباقي وتحوله إلى جسم صلب أبيض يشبه الثلج. يتسامى ثنائي أكسيد الكربون الصلب ببطء بالدرجة -78 ْس تحت الضغط الجوي. يحتوي الجو على 0.03% حجماً من غاز الكربون وهو غير سام إلا إذا وجد بنسبة عالية جداً. وهو مركب ثابت لا يتفكك إلا بتسخينه إلى 2000 ْس على الأقل.
يستعمل CO2 في الحالة السائلة تحت ضغط مرتفع في أجهزة الإطفاء لعدم قابليته للاحتراق أو الإحراق، كما أنه يبرد الأجسام المشتعلة ويفصلها عن الأكسجين لكثافته العالية. ومن مزايا الإطفاء بغاز الكربون أنه يتبخر من دون أن يترك آثاراً في الأجسام المجاورة.
ينحل ثنائي أكسيد الكربون في الماء بمقدار 0.04 مول في اللتر في الشروط العادية ويكون 99.63% منه على شكل جزيئات CO2 والباقي على شكل H2CO3. وللمحلول الناتج خاصة حمضية إذ تبلغ قيمة قوة الحموضة (الباهاء) pH ت 3.8. تفسَّر هذه الخاصة بالتفاعل الجزئي بين غاز الكربون والماء وتشكل حمض الكربون H2CO3 :
يكوّن حمض الكربون نوعين من الأملاح عندما يتفاعل مع محاليل أساسية: أملاح حمضية محتوية على الأيون وأملاح معتدلة محتوية على أيون الكربونات وأملاح الكربونات ضعيفة الانحلال في الماء باستثناء كربونات الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم.
أما أملاح الكربونات الحمضية فتنحل في الماء أكثر من انحلال الأملاح المعتدلة، وتكون لمحاليل هذه الأملاح خاصة قاعدية (أساسية) كما أنها تسلك سلوك أملاح الكربونات المعتدلة نفسه مع الحموض القوية.
يقوم الغلاف الجوي بدور مخزن لثنائي أكسيد الكربون. ففي أثناء الاصطناع الضوئي، تحوِّل النباتات الغاز إلى سكاكر ومن ثم إلى جزيئات أعقد. والحيوانات التي تستهلك النباتات تدمج مركبات كربونية عديدة مدخلة إياها في بناها أو تستعملها منبعاً طاقياً. ويرجع ثنائي أكسيد الكربون إلى الجو بطرق عدة، فبعضه تزفره الحيوانات في أثناء تنفسها، وينطلق قسم منه نتيجة تلف المركبات العضوية. كما ينطلق CO2 إلى الجو نتيجة احتراق الوقود مثل الخشب والخُث والفحم والبترول، ومعظم O2 المنطلق بهذه الطريقة سببه الإنسان: للتدفئة، وطبخ الطعام، وتسيير المركبات، وللاستعمال في الصناعة.
ازداد تركيز ثنائي أكسيد الكربون في القرون الماضية في الغلاف الجوي ازدياداً بطيئاً، ولكن ازداد هذا التركيز سريعاً منذ السنوات العشرين الأخيرة من القرن العشرين للازدياد الهائل في عدد سكان الأرض، ما أدى إلى زيادة انبعاثات غاز الكربون، ولاسيما نتيجة احتراق الوقود. وهذه الزيادة أكبر مما يمتصه النبات أو يذوب في المحيطات. وإحدى نتائج زيادة هذا الغاز هو مفعول الدفيئة. فالضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس تصل إلى سطح الأرض فوتوناتٍ أطوال أمواجها قصيرة. يصدر الإشعاع من سطح الأرض بمجال الأشعة تحت الحمراء التي هي ذات أمواج أطول بكثير. ويمتص غاز الكربون CO2 كمية مميزة من هذا الإشعاع، وهكذا كلما ازدادت كمية هذا الغاز في الجو قلَّت الطاقة المتسربة إلى الفضاء. وينجم عن ذلك أن درجة حرارة الجو ترتفع. ومن الملاحظ فعلاً أن وسطي درجات حرارة الجو بدأت بالارتفاع، وسيكون لذلك تأثير ملحوظ على المناخ. ويصعب تحليل المفعول الدقيق لزيادة تركيز غاز الكربون لأن النظام الجوي معقد لدرجة كبيرة، أما إذا استمر ارتفاع درجة الحرارة، فمن المؤكد حصول تغيرات جذرية.
أهم مركبات الكربون
من أكثر مركبات الكبريت مع الكربون شيوعاً ثنائي كبريتيد الكربون CS2، وهو سائل بالشروط العادية إلا أنه يتبخر بسهولة ابتداء من الدرجة 46 ْس وهو لا لون له ولا ينحل في الماء. بخاره سام، وهو يشتعل بسهولة ويحترق في الأكسجين حسب التفاعل:
وهو محل جيد للشحوم والزيوت والمطاط واليود والكبريت والفسفور. لذلك يستعمل لاستخلاص المركبات الدسمة من المواد الطبيعية كما أنه يستعمل بكثرة في صناعة النسيج (تحضير الحرير الاصطناعي) وفي مكافحة الحشرات.
سيانيد الهدروجين HCN سائل سام جداً (يكفي 50مغ منه لقتل إنسان في بضع ثوان)، لا لون له سهل التطاير ذو رائحة خاصة، ينصهر بالدرجة - 13 ْس ويغلي بالدرجة 26 ْس. محلوله في الماء حمضي. يستعمل، بصفة رئيسة في تحضير المركبات العضوية، في حين تدخل أملاحه في عملية استخلاص الذهب من خاماته الفقيرة.
السيانوجين C2N2[ر. الهالوجين] غاز لا لون له رائحته تشبه رائحة اللوز المر وهو سام جداً. تبلغ درجة انصهاره -34.4 ْ س ودرجة غليانه -21 ْْس. ينحل السيانوجين ببطء وبكمية صغيرة في الماء أو الكحول أو الإيتر. يستعمل السيانوجين في كثير من التفاعلات العضوية؛ مثال ذلك تفاعله مع النشادر:
يعد رباعي كلوريد الكربون CCl4 أهم المركبات الهالوجينية للكربون، وهو - في الشروط الطبيعية - سائل لا لون له ذو رائحة خاصة قليل الانحلال في الماء (0.8غ في اللتر بالدرجة 20 ْس). ويتميز بخموله الكيمياوي الملحوظ. يستعمل مذيباً للشحوم والزيوت والراتنجات. ويستعمل مادة منظفة وهو يفضل على ثنائي كبريتيد الكربون CS2 إذ إنه غير قابل للاشتعال، فاستعماله، لذلك، أقل خطورة عملياً ويستخدم CCl4 في إطفاء الحرائق ومخدراً في الطب.
هيام بيرقدار
الكربون
الكربون carbon عنصر[ر: العنصر الكيمياوي] ذو صفات لا معدنية واضحة، رمزه الكيمياوي C، يوجد في الجدول الدوري في الفصيلة IVA (أو 4 ا). تشمل هذه الفصيلة إضافة إلى الكربون السيلسيوم، والجرمانيوم، والقصدير، والرصاص.
بنيته الإلكترونية [He] 2s2 2P2، تدل [He] على البنية الإلكترونية للغاز الخامل الهليـوم. العـدد الذري للكربون 6، ووزنه الذري مقدراً بوحدة الكتل الذرية 12.011. له تكافؤان +2 و+4. والتكافـؤ +4، سواءَ كان ذلك بخسارة أو بإضافة أربعة إلكترونات استناداً إلى قاعدة «الثمانية»، هو الأثبت. ولتزايد حجم الذرات من أعلى الفصيلة إلى أسفلها؛ تتناقص قوة الجذب بين النواة وإلكترونات التكافؤ، مما يؤدي إلى نقص تدريجي في تقبل العناصر إلكترونات إضافية وتزايد سهولة التخلي عن الإلكترونات بالاتجاه نفسه. ولهذا يكون الكربون لا معدناً[ر. اللامعدن] دوماً، في حين يجمع السيلسيوم والجرمانيوم بين الصفات المعدنية واللامعدنية، ويكون للقصدير والرصاص خواص معدنية[ر. المعدن] واضحة.
تتميز ذرة الكربون من العناصر الأخرى في فصيلته بعدم احتوائها على إلكترونات في المدار d، فيكون التكافؤ الأعظمي للكربون بالنسبة إلى الهالوجينات مساوياً 4 بمساهمة مدار s وثلاثة مدارات P.
وجوده في الطبيعة - أنواعه - خواصه الفيزيائية واستعمالاته
الشكل (1)
يصادف الكربون في الطبيعة، حراً، بشكلين بلوريين: الألماس[ر] والغرافيت، كما أن للكربون أشكالاً متآصلة allotrope بلورية غير موجودة بالطبيعة وإنما تصطنع اصطناعاً، أكثرها شيوعاً البَكْمِنْسْتِرفولِّرين buckminsterfullerene. تتكوَّن جزيئاته من ستين ذرة كربون (صيغة الجزيء C60) وترتبط الذرات في الجزيء بعضها ببعض مكونة كرة، مثل كرة القدم؛ إذ إن الروابط بين الذرات تكون على شكل مضلعات سداسية وخماسية متصلة بعضها ببعض، كما يبين الشكل (1) وسمي هذا المركب نسبة إلى المعماري الأمريكي فولِّر R.Buckminster Fuller؛ لأن بنية الجزيء تشبه التصاميم الهندسية المعقدة التي صمَّمها هذا المعماري.
اكتشف C60 عام 1989؛ وهو أحد أفراد عائلة جديدة أُطلق عليها اسم ضروب الفولِّرين Fullerenes، وأصبح أكثرها شيوعاً البكمنسترفُولِّرين. وقد تم هذا الاكتشاف مصادفة حينما كان الأمريكي سمولي R.E.Smalley يعمل على اصطناع سلاسل خطية طويلة من ذرات الكربون. وقد وجّه سمولي أشعة ليزرية على قرص غرافيتي دوّار في غرفة مخلاّة من الهواء ومملوءة بالهليوم، فأدت شدة تسخين سطح الغرافيت وبسرعة إلى كسر الروابط C−C مما أدى إلى تناثر ذرات الكربون مصحوبة بتجمعات صغيرة منها، وعندما تبرد ذرات الكربون والتجمعات الذرية يتصادم بعضها ببعض وتنتج روابط جديدة بينها.
وأشكال جزيئات ضروب الفُولِّرين متنوعة: تراوح بين كرة قدم سطحها مكوَّن من مضلعات سداسية وخماسية متشابكه شبيهة بوحدات بناء جزيء C60 وبين أنابيب طويلة. وأنابيب النانو الكربونية أخذت اسمها لأنها جزيئات أسطوانية الشكل قطرها من مرتبة جزء من البليون من المتر (وهذا يساوي قطر ذرة ذات حجم متوسط، وطولها يساوي نحو ألف مرة قطرها) وهذه الجزيئات وزنها خفيف إلا أنها قد تكون أمتن نسيج صنِّع.
أما الكربون في الفحم الحجري، والفحوم الأخرى فغير بلوري عموماً. ويُصادف الكربون في الطبيعة على شكل غاز الكربون CO2 في الجو وأملاح كربونات معادن وبشكل حجر كلسي أي كربونات الكلسيوم (في القشرة الأرضية). وبالرغم من أن الكربون لا يشكل أكثر من 0.1% من القشرة الأرضية فإنه العنصر الثاني (بعد الأكسجين) في تركيب الجسم البشري (16.5% كربون). وهو موجود في جميع الأنسجة الحيوانية والنباتية متحداً مع الهدروجين والأكسجين، وفي البقايا الجيولوجية لهذه الأنسجة (الفحم الحجري والبترول).
نصف قطر ذرة الكربون 0.91 أنغستروم، طاقة التشرد الأول 11.2 إلكترون فلط، الكهرسلبية 2.55، الكمون النظامي (إلى CO2) يساوي +0.20 فلط.
يُعرف للكربون نظيران هما: c12C ت(98.89%) و c13C ت(1.11%) كما يُعرف له نظير ثالث مشع c14C. ويحوي ثنائي أكسيد الكربون الموجود في الهواء الكربون 14 الذي يتكون نتيجة للتفاعل النووي بين ذرات آزوت (نتروجين) الهواء ونترونات الأشعة الكونية:
وفي عملية التمثيل اليخضوري يدخل الكربون 14 في تركيب النسج النباتية بحيث تكون نسبة عدد ذراته إلى عدد ذرات الكربون 12، وهو النظير المستقر للكربون، كنسبة 1 إلى 1210. غير أن هذه النسبة تتناقص مع الزمن إذا انقطع التبادل الحيوي في المادة النباتية (بفصل هذه المادة أو قطع النبات) بسبب تفكك الكربون 14 بإصدار أشعة β وفق التفاعل النووي:
وزمن نصف التفكك الإشعاعي (أي عمر النصف) للنظير 14 يساوي 5570 سنة تقريباً. ويستفاد من ذلك لتقدير عمر المادة النباتية بقياس إشعاع الكربون المكوّن لها. فعلى سبيل المثال، لتكن سرعة تحلل disintegration الكربون 14 في قطعة خشب حديثة القطع من شجرتها تساوي 15.6 تحلل في الدقيقة، في حين تساوي هذه السرعة 7.8 تحلل/دقيقة في قطعة خشب قديم لها وزن القطعة الأولى نفسه ويبلغ عمرها 5570 سنة تقريباً؛ أي إنه بتحديد سرعة تحلل الكربون 14 في كلتا القطعتين يمكن تعيين تاريخ قطع الخشب الثاني من شجرته بتقريب جيد.
أ - الماس والغرافيت
(الشكل 2-أ) انتظام الذرات في الماس
(الشكل 2-ب) انتظام الذرات في الغرافيت
للماس (الشكل 2أ) خاصتان مهمتان. الأولى قساوته الشديدة فهو أقسى مادة معروفة. والخاصة الثانية التي تميز الماس (أو الألماس[ر]) قرينة انكساره العالية التي تساعد على انكسار الضوء وظهور بريق الماس المعروف.
يتحول الغرافيت بتأثير الضغط العالي والحرارة العالية إلى ماس وقد أمكن صنع الماس بهذه الطريقة، ويستعمل في أغراض صناعية فقط.
وفي الغرافيت (الشكل 2ب) تشكل الذرات طبقات مستوية ويكون ترتيب الذرات في الطبقة الواحدة على هيئة مضلعات سداسية منتظمة، ترتبط كل ذرة كربون فيها بثلاث ذرات أخرى فيمكن اعتبار حصول تهجين من النمط SP2. تبلغ المسافة بين مستويين متجاورين 2.40 أنغستروم، ما يدل على أن المستويات لا ترتبط فيما بينها بروابط مشتركة وإنما بقوى من نوع فان درفالس. كتلته الحجمية 2.25غ/سم3، ودرجة انصهاره 3500 ْس ودرجة غليانه4830 ْس.
الغرافيت ذو لون غامق وعاتم يتصف ببريق معدني، أما الناقلية الكهربائية له فكبيرة (1/1000 من ناقلية النحاس) في الاتجاه الموازي لمستويات الذرات، وهي صغيرة في الاتجاه العمودي على المستويات. فيبدو أن الرابطة المتعددة المراكز في المستويات تشبه نموذج الارتباط في المعادن، حيث يوجد بحر من الإلكترونات (إلكترونات π في الغرافيت). ويعزى البريق المعدني والناقلية الكهربائية للغرافيت إلى سهولة تحرك هذه الإلكترونات.
يتبلور كل من Si وGe وSn حسب البنية البلورية للماس. أما بنية الغرافيت فلا تصادف إلا في الكربون ويعزى ذلك إلى قدرة الكربون على تشكيل روابط مضاعفة.
تنـزلق بلورات الغرافيت بعضها على بعض عند حك الغرافيت فوق قطعة من الورق مثلاً. ولذلك يستعمل في صنع أقلام الرصاص. ويمكن استحضار الغرافيت صناعياً بتسخين الفحم حتى الدرجة 3500 ْس. وبسبب ليونته ومقاومته للحرارة يستعمل في تشحيم بعض الآلات المعرَّضة للحرارة العالية. ويستعمل عاملاً مرجعاً لاستحصال المعادن، وتصنع منه إلكترودات في الاستحصال الكهركيمياوي للعناصر، كما يستعمل معدِّلاً في المفاعلات النووية وفي صنع الألياف الكربونية عالية القوة.
وقد تبين بنتيجة الدراسة بوساطة الأشعة السينية أن للكربون اللابلوري بنية الغرافيت إلا أن سطحه ذو مسام كثيرة.
ب - الفحم الحجري
قبل ملايين السنين، عندما كان مناخ الأرض أشد رطوبة وأكثر أمطاراً مما هو عليه في الوقت الحالي، كانت المملكة النباتية في ازدهار رائع. وكانت هذه النباتات وما ينتج منها من أوراق وأزهار تختلط بالمواد الرسوبية وتتوضع في المستنقعات أو التجمعات المائية، وتتفسخ بعيدة عن أكسدة الهواء، منقلبة إلى نوع من الفحم يحتفظ بكثير من صفاته النباتية يطلق عليه اسم التورب. وتمر على التورب عوامل جيولوجية متنوعة ويتعرض في باطن الأرض إلى ضغط وحرارة شديدين، ويتحول تدريجياً إلى طبقات من الفحم الحجري تختلف أنواعه باختلاف عمره وما عاناه من حوادث. ويُصادَف اللغنيت- وهو حديث المنشأ ولا يزال بني اللون- في مناطق متعددة من الأرض. وهناك الفحم الحجري العادي الذي يسمى الفحم الدسم، وهو النوع المستعمل بكثرة في الصناعة. أما الأنتراسيت فهو نوع قديم العهد كامل التفحم، أندر وجوداً من الفحم الدسم وأنفع منه في الاستعمال المنزلي إذ لا تتسخ به اليد ولا ينشر دخاناً عند احتراقه. يلخص الجدول (1) تركيب هذه الأنواع من الفحوم والسلولوز والخشب والبترول والنفط، كما يبين حرارة احتراق هذه الأنواع[ر. الفحوم الحجرية].
الوقود كربون هدروجين أكسجين حرارة الاحتراق (حريرة/غرام)
سلولوز 44.5% 6.2% 49.3% 4200
خشب 50.0 6.0 44.0 4100
تورب 60.0 5.9 34.1 5500
ليغنيت 67.0 5.2 27.8 6500
فحم دسم 88.4 5.6 6.0 8300
أنتراسيت 94.1 3.4 2.5 8700
نفط 58.5 14.2 0.3 11000
صفاته الكيمياوية
يختلف الكربون عن باقي عناصر فصيلته بكون عدده التساندي لا يتجاوز 4 (لعدم وجود مدارات d في الطبقة الثانية) وبمقدرته على تشكيل روابط مضاعفة (C≡N, C≡C, C==C) وسلاسل. وتكوين السلاسل يعني أن ذراته تترابط بعضها ببعض مكونة سلاسل. وتظهر هذه الخاصة في الملايين من مركبات الكربون سواء الموجودة في الطبيعة أو مركباته المصطنعة في المختبرات. ومركبات الكربون كثيرة جداً لذلك أُفرِد لدراستها فرع خاص في الكيمياء هو الكيمياء العضوية[ر]. وللكربون أيضاً مركبات بسيطة مثل CO وCO2 وضروب الكربونات وغيرها.
الكربون، بشكليه الماس والغرافيت، خامل كيمياوياً بدرجة الحرارة العادية. أما في الدرجات العالية من الحرارة فهو يتفاعل مع أغلب العناصر المعدنية واللامعدنية. والكربون غير البلوري أكثر نشاطاً (فاعلية) من الغرافيت والماس.
يكوِّن الكربون مع الأكسجين أكسيدين هما أحادي أكسيد الكربون CO وثنائي أكسيد الكربون CO2، إضافة إلى أكاسيد أخرى غير شائعة مثل C3O2 وC5O2 وC12O9.
الشكل (3) خطورة التسمم بأحادي أكسيد الكربون
حسب تركيزه في الهواء
وللكربون مع الكبريت مركب كبريتيد الكربون CS2 الذي ينتج من تفاعل الكربون اللابلوري (الكوك والفحم الخشبي) المسخّن مع بخار الكبريت. ويتفاعل الكربون مع الآزوت بدرجة عالية من الحرارة مكوّناً C2N2 (السيانوجين) وهذا التفاعل ماص للحرارة ولا يجري إلا بصورة محدودة. ويكوّن الكربون مع الهالوجينات مركبات من نوع CX4. يمكن استحصال CF4 بالتفاعل المباشر بين الكربون وغاز الفلور على خلاف المركبات المماثلة التي لا تحضر إلا بطرق غير مباشرة.
لا يتفاعل الكربون مع المعادن إلا بدرجات حرارة عالية. ويعدّ ثنائي كربيد الكلسيوم CaC2 وكربيد التنغستين WC وكربيد ثنائي التنغستين W2C من أهم مركبات الكربون مع المعادن.
أكاسيد الكربون وحموضه: أحادي أكسيد الكربون CO هو بلا ماء حمض النمل (الفورميك) HCOOH. وهو في الظروف الطبيعية، غاز لا لون له ولا رائحة، تساوي كتلته الحجمية 1.25غ/لتر، أما كثافته النسبية (مقارنة بالهواء) فتساوي 0.967. وهو قليل الانحلال في الماء (35سم3/ل عند الدرجة صفر سلسيوس مئوية). ولا يتفاعل مع الماء أو الحموض أو الأسس. وهو سام جداً إذ يتحد مع هيموغلوبين الدم ويشكل مركباً معقداً يمنع الدم من التفاعل مع الأكسجين. لذا يؤدي استنشاق الهواء الملوث بأحادي أكسيد الكربون إلى تسمم متفاوت الخطورة حسب تركيز الغاز CO في الهواء وطول فترة الاستنشاق (الشكل-3).
يقوم أحادي أكسيد الكربون بتفاعلات ضم وتفاعلات إرجاع، إلا أن هذه التفاعلات لا تتم إلا بدرجات عالية من الحرارة. فهو يتفاعل مع الأكسجين، ومع الهالوجينات، والكبريت ومع بعض المعادن أيضاً مكوّناً مركبات ضم.
يحترق بأكسجين الهواء بدرجة 700 س بلهب أزرق وينتج ثنائي أكسيد الكربون:
وتنتشر كمية حرارة قدرها 564.3 كيلو جول، ولذلك يستعمل وقوداً لدفع الصواريخ والمركبات الفضائية لضخامة كمية الحرارة الناتجة من هذا التفاعل.
يتحد مع الهالوجينات مكوّناً مركبات صيغتها COX2 كما يتحد مع الكبريت مكوّناً كبريتيد الكربونيل COS. ويرجِع أكاسيد معدنية عدة بدرجات مرتفعة من الحرارة؛ ويستعمل لهذا الغرض في عمليات تعدين لإرجاع كثير من الأكاسيد مثل CuO، وAg2O، وFe2O3.
ثنائي أكسيد الكربون (غاز الكربون) CO2 غاز لا لون له، وله طعم حمضي خفيف، وهو قليل الانحلال في الماء، ويزداد انحلاله بزيادة الضغط مما يفسر استعماله في المشروبات الغازية.
يتحول غاز الكربون CO2 إلى سائل تحت ضغط يناهز 60 جواً وبدرجة الحرارة العادية. ويمتص ثنائي أكسيد الكربون السائل كمية كبيرة من الحرارة عندما يتبخر مما يؤدي إلى انخفاض في درجة حرارة السائل الباقي وتحوله إلى جسم صلب أبيض يشبه الثلج. يتسامى ثنائي أكسيد الكربون الصلب ببطء بالدرجة -78 ْس تحت الضغط الجوي. يحتوي الجو على 0.03% حجماً من غاز الكربون وهو غير سام إلا إذا وجد بنسبة عالية جداً. وهو مركب ثابت لا يتفكك إلا بتسخينه إلى 2000 ْس على الأقل.
يستعمل CO2 في الحالة السائلة تحت ضغط مرتفع في أجهزة الإطفاء لعدم قابليته للاحتراق أو الإحراق، كما أنه يبرد الأجسام المشتعلة ويفصلها عن الأكسجين لكثافته العالية. ومن مزايا الإطفاء بغاز الكربون أنه يتبخر من دون أن يترك آثاراً في الأجسام المجاورة.
ينحل ثنائي أكسيد الكربون في الماء بمقدار 0.04 مول في اللتر في الشروط العادية ويكون 99.63% منه على شكل جزيئات CO2 والباقي على شكل H2CO3. وللمحلول الناتج خاصة حمضية إذ تبلغ قيمة قوة الحموضة (الباهاء) pH ت 3.8. تفسَّر هذه الخاصة بالتفاعل الجزئي بين غاز الكربون والماء وتشكل حمض الكربون H2CO3 :
يكوّن حمض الكربون نوعين من الأملاح عندما يتفاعل مع محاليل أساسية: أملاح حمضية محتوية على الأيون وأملاح معتدلة محتوية على أيون الكربونات وأملاح الكربونات ضعيفة الانحلال في الماء باستثناء كربونات الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم.
أما أملاح الكربونات الحمضية فتنحل في الماء أكثر من انحلال الأملاح المعتدلة، وتكون لمحاليل هذه الأملاح خاصة قاعدية (أساسية) كما أنها تسلك سلوك أملاح الكربونات المعتدلة نفسه مع الحموض القوية.
يقوم الغلاف الجوي بدور مخزن لثنائي أكسيد الكربون. ففي أثناء الاصطناع الضوئي، تحوِّل النباتات الغاز إلى سكاكر ومن ثم إلى جزيئات أعقد. والحيوانات التي تستهلك النباتات تدمج مركبات كربونية عديدة مدخلة إياها في بناها أو تستعملها منبعاً طاقياً. ويرجع ثنائي أكسيد الكربون إلى الجو بطرق عدة، فبعضه تزفره الحيوانات في أثناء تنفسها، وينطلق قسم منه نتيجة تلف المركبات العضوية. كما ينطلق CO2 إلى الجو نتيجة احتراق الوقود مثل الخشب والخُث والفحم والبترول، ومعظم O2 المنطلق بهذه الطريقة سببه الإنسان: للتدفئة، وطبخ الطعام، وتسيير المركبات، وللاستعمال في الصناعة.
ازداد تركيز ثنائي أكسيد الكربون في القرون الماضية في الغلاف الجوي ازدياداً بطيئاً، ولكن ازداد هذا التركيز سريعاً منذ السنوات العشرين الأخيرة من القرن العشرين للازدياد الهائل في عدد سكان الأرض، ما أدى إلى زيادة انبعاثات غاز الكربون، ولاسيما نتيجة احتراق الوقود. وهذه الزيادة أكبر مما يمتصه النبات أو يذوب في المحيطات. وإحدى نتائج زيادة هذا الغاز هو مفعول الدفيئة. فالضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس تصل إلى سطح الأرض فوتوناتٍ أطوال أمواجها قصيرة. يصدر الإشعاع من سطح الأرض بمجال الأشعة تحت الحمراء التي هي ذات أمواج أطول بكثير. ويمتص غاز الكربون CO2 كمية مميزة من هذا الإشعاع، وهكذا كلما ازدادت كمية هذا الغاز في الجو قلَّت الطاقة المتسربة إلى الفضاء. وينجم عن ذلك أن درجة حرارة الجو ترتفع. ومن الملاحظ فعلاً أن وسطي درجات حرارة الجو بدأت بالارتفاع، وسيكون لذلك تأثير ملحوظ على المناخ. ويصعب تحليل المفعول الدقيق لزيادة تركيز غاز الكربون لأن النظام الجوي معقد لدرجة كبيرة، أما إذا استمر ارتفاع درجة الحرارة، فمن المؤكد حصول تغيرات جذرية.
أهم مركبات الكربون
من أكثر مركبات الكبريت مع الكربون شيوعاً ثنائي كبريتيد الكربون CS2، وهو سائل بالشروط العادية إلا أنه يتبخر بسهولة ابتداء من الدرجة 46 ْس وهو لا لون له ولا ينحل في الماء. بخاره سام، وهو يشتعل بسهولة ويحترق في الأكسجين حسب التفاعل:
وهو محل جيد للشحوم والزيوت والمطاط واليود والكبريت والفسفور. لذلك يستعمل لاستخلاص المركبات الدسمة من المواد الطبيعية كما أنه يستعمل بكثرة في صناعة النسيج (تحضير الحرير الاصطناعي) وفي مكافحة الحشرات.
سيانيد الهدروجين HCN سائل سام جداً (يكفي 50مغ منه لقتل إنسان في بضع ثوان)، لا لون له سهل التطاير ذو رائحة خاصة، ينصهر بالدرجة - 13 ْس ويغلي بالدرجة 26 ْس. محلوله في الماء حمضي. يستعمل، بصفة رئيسة في تحضير المركبات العضوية، في حين تدخل أملاحه في عملية استخلاص الذهب من خاماته الفقيرة.
السيانوجين C2N2[ر. الهالوجين] غاز لا لون له رائحته تشبه رائحة اللوز المر وهو سام جداً. تبلغ درجة انصهاره -34.4 ْ س ودرجة غليانه -21 ْْس. ينحل السيانوجين ببطء وبكمية صغيرة في الماء أو الكحول أو الإيتر. يستعمل السيانوجين في كثير من التفاعلات العضوية؛ مثال ذلك تفاعله مع النشادر:
يعد رباعي كلوريد الكربون CCl4 أهم المركبات الهالوجينية للكربون، وهو - في الشروط الطبيعية - سائل لا لون له ذو رائحة خاصة قليل الانحلال في الماء (0.8غ في اللتر بالدرجة 20 ْس). ويتميز بخموله الكيمياوي الملحوظ. يستعمل مذيباً للشحوم والزيوت والراتنجات. ويستعمل مادة منظفة وهو يفضل على ثنائي كبريتيد الكربون CS2 إذ إنه غير قابل للاشتعال، فاستعماله، لذلك، أقل خطورة عملياً ويستخدم CCl4 في إطفاء الحرائق ومخدراً في الطب.
هيام بيرقدار