گرافیت: الماسی نرم که جریان برق را میبرد
کربن: بازیگری با چهرههای مختلف
عنصر کربن یکی از شگفتانگیزترین عناصر جدول تناوبی است. اتم کربن میتواند با آرایشهای مختلفی به اتمهای دیگر کربن متصل شود و در نتیجه، مواد کاملاً متفاوتی با خواص فیزیکی و شیمیایی متضاد ایجاد کند. به این مواد مختلف با فرمول یکسان، آلوتروپ2 میگویند. دو آلوتروپ معروف کربن، الماس و گرافیت هستند که یکی سختترین ماده طبیعی شناخته شده و دیگری نرم است!
| ویژگی | گرافیت | الماس |
|---|---|---|
| ساختار اتمی | لایههای ششضلعی (هگزاگونال)3 با پیوند ضعیف بین لایهها | شبکه سهبعدی بسیار محکم و یکنواخت |
| سختی (در مقیاس موس) | 1-2 (بسیار نرم) | 10 (سختترین) |
| رسانایی الکتریکی | رسانای خوب | نارسانا |
| کاربرد نمونه | مغز مداد، روانساز، الکترود باتری | جواهر، سرمته حفاری، ابزار برش |
ساختار گرافیت: راز نرمی و رسانایی
ساختار اتمی گرافیت، کلید درک خواص منحصر به فرد آن است. در گرافیت، اتمهای کربن در یک صفحه به شکل حلقههای ششضلعی (مانند لانه زنبور) با پیوندهای کووالانسی قوی به هم متصل میشوند. این یک لایه تشکیل میدهد. اما بین این لایهها، نیروی جاذبه ضعیفی به نام نیروی واندروالسی4 وجود دارد.
رسانایی الکتریکی گرافیت نیز از همین ساختار نشأت میگیرد. در هر لایه، هر اتم کربن سه الکترون از چهار الکترون ظرفیت خود را برای پیوند با اتمهای مجاور به اشتراک میگذارد. الکترون چهارم که برای تشکیل پیوند استفاده نمیشود، آزاد است و میتواند در سطح آن لایه حرکت کند. این الکترونهای آزاد، بار الکتریکی را حمل میکنند و گرافیت را به یک رسانای الکتریکی تبدیل میکنند. جالب اینجاست که رسانایی فقط در راستای موازی با لایهها خوب است و در جهت عمود بر لایهها، رسانایی بسیار کمتر است.
از مداد تا باتری: گرافیت در زندگی ما
شاید فکر کنید کاربرد گرافیت فقط به مغز مداد محدود میشود. اما این ماده ساده، نقش بسیار مهمی در فناوریهای مدرن ایفا میکند. در اینجا به چند نمونه ملموس اشاره میکنیم:
۱. باتریهای لیتیوم-یونی: اگر تلفن همراه یا لپتاپ دارید، باید از گرافیت تشکر کنید! در این باتریها، از گرافیت به عنوان الکترود منفی (آند)5 استفاده میشود. ساختار لایهای گرافیت مانند یک مهمانخانه برای یونهای لیتیوم عمل میکند. هنگام شارژ باتری، یونهای لیتیوم بین لایههای گرافیت قرار میگیرند و هنگام دشارژ (استفاده از باتری)، از آن خارج میشوند. این فرآیند قابل بازگشت است و به باتری امکان شارژ مجدد میدهد.
۲. روانسازها: همان خاصیت لغزیدن لایهها روی هم، گرافیت را به یک روانساز خشک عالی تبدیل کرده است. در قفلهای زنگزده، چرخدندههای برخی ماشینآلات و حتی در بعضی از رشتههای ورزشی مانند پرتاب نیزه برای کاهش اصطکاک از پودر گرافیت استفاده میشود.
۳. الکترود در صنعت: نقطه ذوب بسیار بالا (بالای 3500 درجه سانتیگراد) و رسانایی الکتریکی خوب، گرافیت را برای ساخت الکترودهای کورههای قوس الکتریکی در صنعت فولادسازی ایدهآل میکند. همچنین در صنایع شیمیایی مثل تولید کلر و سود سوزآور از سلولهای الکترولیتی با الکترود گرافیتی استفاده میشود.
۴. کامپوزیتها: برای افزایش استحکام و رسانایی، گرافیت را با مواد دیگر مانند پلاستیک ترکیب میکنند. این مواد کامپوزیتی در بدنه برخی خودروها، راکتهای تنیس و حتی چوب گلف به کار میروند.
گرافیت در آزمایشگاه و فرمولهای شیمیایی
در درس شیمی با مفهوم آلوتروپ آشنا میشوید. گرافیت و الماس هر دو از اتمهای کربن خالص ساخته شدهاند. فرمول شیمیایی هر دو $C$ است، اما آرایش فضایی اتمها کاملاً متفاوت است. میتوان این رابطه را به صورت زیر نشان داد:
یک آزمایش ساده برای اثبات وجود کربن در گرافیت، سوزاندن مغز مداد است. اگر مغز چوبی مداد را بسوزانید، چوب تبدیل به خاکستر (مواد معدنی) میشود، اما بخش گرافیتی آن در حضور اکسیژن کافی میسوزد و گاز دیاکسید کربن تولید میکند.
سوالات متداول و باورهای نادرست
پاسخ: خیر. هر دو حاوی کربن هستند اما یکسان نیستند. گرافیت یک شکل بلوری و خالص از کربن است. زغال (چوب، سنگ یا ...) یک ماده بیشکل و ناخالص است که عمدتاً از کربن به همراه مقادیر زیادی مواد دیگر (مانند هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد) تشکیل شده است. رسانایی الکتریکی زغال بسیار کمتر از گرافیت خالص است.
پاسخ: همانطور که گفته شد، در ساختار الماس، هر اتم کربن با چهار پیوند کووالانسی قوی به چهار اتم کربن دیگر متصل شده و یک شبکه سهبعدی محکم تشکیل داده است. در این ساختار، هیچ الکترون آزادی برای حرکت و حمل بار الکتریکی وجود ندارد. همه الکترونهای ظرفیت در تشکیل پیوندها مشارکت کردهاند. بنابراین الماس یک نارسانای عالی است.
پاسخ: گرافیت خالص در دسته مواد کمخطر قرار میگیرد. اما استنشاق طولانیمدت گرد و غبار آن (مثلاً در محیطهای صنعتی) میتواند برای ریهها تحریککننده باشد. نکته مهم این است که مغز مدادهای معمولی از گرافیت خالص ساخته نمیشوند، بلکه مخلوطی از گرافیت و خاک رس هستند که بیخطر محسوب میشوند.
پاورقی و واژهنامه
1 گرافیت (Graphite): آلوتروپی از کربن با ساختار لایهای هگزاگونال که نرم، سیاه، چربمانند و رسانای الکتریسیته است.
2 آلوتروپ (Allotrope): پدیدهای که در آن یک عنصر شیمیایی میتواند به دو یا چند شکل متفاوت در حالت فیزیکی یکسان (جامد، مایع، گاز) ظاهر شود. مانند الماس، گرافیت و فولرن برای کربن.
3 ساختار هگزاگونال (Hexagonal): ساختاری بلوری که سلول واحد آن به شکل ششضلعی است.
4 نیروی واندروالسی (Van der Waals force): نیروی جاذبه ضعیف بین مولکولها یا لایههای غیرقطبی.
5 آند (Anode): الکترودی است که در آن اکسایش (از دست دادن الکترون) رخ میدهد. در باتریهای لیتیومی هنگام دشارژ، آند قطب منفی است.
