نوک مداد و الماس هر دو عمدتاً از عنصر کربن ساخته شدهاند، اما یکی نرم و رسانای جریان الکتریکی است و دیگری سخت و نارسانا. این تفاوت از نوع اتم نیست؛ از شیوه اتصال و آرایش اتمهای کربن میآید. کربن میتواند ساختارهای گوناگونی مانند الماس، گرافیت، گرافن و فولرن بسازد که «دگرشکل» نام دارند. در این مقاله با تکیه بر پیوند کووالانسی، تعداد همسایههای هر اتم و حرکت الکترونها، رابطه ساختار و خواص این مواد را بررسی میکنیم و یاد میگیریم در پرسشهای مقایسهای بهجای حفظ فهرست کاربردها، از مدل ذرهای نتیجه بگیریم.
دگرشکل یعنی یک عنصر با بیش از یک ساختار
دگرشکلها شکلهای ساختاری متفاوت یک عنصر در یک حالت فیزیکی هستند. در هر دگرشکل، نوع اتم یکسان است اما نحوه پیوند و آرایش فضایی اتمها تفاوت دارد. الماس و گرافیت هر دو جامدهای کربنیاند؛ بنابراین تفاوت خواص آنها را نباید به حضور عنصر دیگری نسبت داد.
دگرشکل با ایزوتوپ یکسان نیست. ایزوتوپهای کربن تعداد پروتون برابر و تعداد نوترون متفاوت دارند، در حالی که در دگرشکلها موضوع اصلی چگونگی اتصال شمار زیادی اتم به یکدیگر است. دگرشکل با ایزومر نیز فرق دارد: ایزومرها ترکیبهایی با فرمول مولکولی یکسان و اتصال متفاوتاند، اما دگرشکلها صورتهای متفاوت خود یک عنصر هستند.
- عنصر سازنده دگرشکلها یکسان است
- نوع پیوند و آرایش اتمها میتواند متفاوت باشد
- ایزوتوپ: تفاوت در شمار نوترونهای هسته
- دگرشکل: تفاوت در ساختار ماده عنصری
الماس یک شبکه سهبعدی محکم میسازد
در الماس، هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند کووالانسی دارد. این پیوندها در جهتهای فضایی گسترش مییابند و یک شبکه سهبعدی پیوسته میسازند. در نتیجه برای خراشیدن یا تغییر شکل این شبکه باید تعداد زیادی پیوند کووالانسی محکم شکسته یا جابهجا شود؛ همین ساختار سختی بسیار زیاد الماس را توضیح میدهد.
چهار الکترون ظرفیتی هر کربن در پیوندهای موضعی شبکه به کار گرفته میشوند و الکترون آزادانه متحرک اندکی برای حمل بار وجود دارد؛ ازاینرو الماس خالص رسانای الکتریکی خوبی نیست. سختی و رسانایی دو ویژگی جدا هستند: مادهای میتواند بسیار سخت باشد اما جریان برق را عبور ندهد. سختی الماس استفاده از آن را در ابزارهای برش و سایش ممکن میکند.
- هر کربن در الماس چهار همسایه کربنی دارد
- شبکه کووالانسی در سه بعد امتداد یافته است
- پیوندهای محکم شبکه سبب سختی زیاد میشوند
- نبود حامل بار متحرک، رسانایی الکتریکی را کم میکند
گرافیت از لایههایی تشکیل شده که روی هم میلغزند
در گرافیت، هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند دارد و شبکهای تخت از حلقههای ششعضوی میسازد. پیوندهای درون هر لایه محکماند، اما جاذبه میان لایهها در مقایسه با پیوند کووالانسی درون لایه ضعیفتر است. بنابراین لایهها میتوانند روی یکدیگر بلغزند یا از هم جدا شوند؛ این ویژگی نرمی گرافیت و باقیماندن رد آن روی کاغذ را توضیح میدهد.
پس از تشکیل سه پیوند برای هر کربن، بخشی از الکترونها میتوانند در گستره لایه حرکت کنند. این الکترونهای ناموضعی به انتقال بار کمک میکنند و گرافیت را در راستای لایهها رسانای الکتریکی میسازند. به همین دلیل گرافیت، برخلاف الماس، در الکترودها کاربرد دارد. عبارت «پیوندهای گرافیت ضعیفاند» دقیق نیست؛ پیوند درون لایه قوی و نیروی میان لایهها ضعیفتر است.
- هر کربن در گرافیت سه همسایه کربنی دارد
- پیوند درون لایهها کووالانسی و محکم است
- جاذبه ضعیفتر میان لایهها امکان لغزش میدهد
- الکترونهای ناموضعی به رسانایی در امتداد لایه کمک میکنند
گرافن یک لایه منفرد از ساختار گرافیت است
گرافن را میتوان یک صفحه تکلایه از اتمهای کربن دانست که در الگویی ششضلعی به هم متصل شدهاند. در نتیجه، پیوندهای درون صفحه و الکترونهای ناموضعی آن با همان منطق یک لایه گرافیت توضیح داده میشوند. تفاوت مهم این است که گرافن بهجای رویهمقرارگرفتن لایههای فراوان، فقط یک لایه با ضخامت اتمی است.
شبکه پیوسته پیوندهای کربنـکربن استحکام کششی زیادی به صفحه میدهد و الکترونهای متحرک نیز رسانایی الکتریکی را ممکن میکنند. در عین حال یک ورقه آزاد میتواند خم شود؛ انعطافپذیری با ضعیفبودن پیوندهای درون صفحه یکسان نیست. ویژگیهای گرافن سبب شده است در پژوهش درباره حسگرها، رساناهای نازک و مواد مرکب بررسی شود، اما ویژگی ماده آزمایشگاهی را نباید بدون توجه به روش ساخت به هر محصول واقعی تعمیم داد.
- گرافن یک شبکه دوبعدی و تکلایه است
- الگوی پیوندی آن با یک لایه گرافیت ارتباط دارد
- استحکام درون صفحه و قابلیت خمشدن با هم ناسازگار نیستند
- کاربرد عملی به کیفیت، اندازه و روش ساخت ماده وابسته است
فولرن و نانولوله، شبکه کربنی را خمیده میکنند
فولرنها از مولکولهای مجزایی ساخته شدهاند که اتمهای کربن در آنها پوستههای بسته و توخالی تشکیل میدهند. فولرن C₆₀ نمونه شناختهشدهای است که آرایش حلقههای پنج و ششعضوی، شکلی تقریباً کروی به آن میدهد. برخلاف الماس و گرافیت که شبکههای گسترده دارند، در C₆₀ میتوان از یک مولکول با تعداد معین اتم سخن گفت.
نانولوله کربنی را میتوان در یک مدل ساده، صفحه گرافنی لولهشده تصور کرد. جهت لولهشدن، قطر و نقصهای ساختاری بر خواص آن اثر میگذارند؛ بنابراین همه نانولولهها رفتار الکتریکی کاملاً یکسانی ندارند. این مثال یادآوری میکند که حتی با عنصر سازنده یکسان، هندسه و آرایش پیوندها میتواند رفتار ماده را تغییر دهد.
- C₆₀ یک فولرن مولکولی و توخالی است
- حلقههای پنجعضوی به خمشدن شبکه کمک میکنند
- نانولوله ساختاری استوانهای از شبکه کربنی دارد
- هندسه و نقص ساختاری بر خواص نانومواد اثر میگذارند
ساختار را با چهار پرسش به خواص پیوند بده
برای مقایسه دگرشکلها ابتدا بپرس هر اتم کربن چند همسایه دارد. سپس مشخص کن ساختار، مولکولی است یا شبکهای گسترده و این شبکه در یک، دو یا سه بعد امتداد دارد. در گام سوم، پیوندهای درون ساختار را از نیروهای میان لایهها یا میان مولکولها جدا کن. سرانجام بررسی کن آیا الکترونهای ناموضعی یا حامل بار متحرک وجود دارند.
با این مسیر میتوان چند خاصیت را بدون حفظ پراکنده پیشبینی کرد. شبکه سهبعدی الماس در برابر تغییر شکل مقاومت میکند؛ لایههای گرافیت آسانتر روی هم میلغزند؛ و وجود الکترونهای ناموضعی در گرافیت و گرافن با رسانایی آنها سازگار است. چگالی، رسانایی گرمایی یا رفتار دقیق مکانیکی به جزئیات بیشتری نیاز دارند و نباید فقط از یک ویژگی ساختاری نتیجهگیری قطعی کرد.
مثال حلشده و تمرین مقایسهای
مثال: دو نمونه جامد خالص A و B فقط از کربن ساخته شدهاند. A بسیار سخت و نارسانای برق است؛ B نرم است، روی کاغذ رد میگذارد و جریان الکتریکی را عبور میدهد. A با شبکه سهبعدی و چهار پیوند برای هر کربن با الماس سازگار است. B به دلیل لغزش لایهها و الکترونهای ناموضعی، گرافیت است. یکسانبودن عنصر سازنده مانع تفاوت خواص نشده، زیرا ساختارها متفاوتاند.
تمرین: چرا جمله «گرافیت نرم است، پس همه پیوندهای آن ضعیفاند» نادرست است؟ پاسخ: نرمی گرافیت بیشتر از لغزش لایهها روی یکدیگر میآید. پیوندهای کووالانسی کربنـکربن درون هر لایه محکماند، اما نیروهای میان لایهها ضعیفترند. برای پاسخ کامل، هم نوع پیوند درون لایه و هم جاذبه میان لایهها را نام ببر.
- نوع اتم بهتنهایی خواص ماده را تعیین نمیکند
- تعداد همسایه و بُعد شبکه را بررسی کن
- پیوند درون شبکه را از نیروی میان بخشها جدا کن
- برای رسانایی، وجود حامل بار متحرک را بسنج
- الماس: سخت و نارسانای الکتریکی
- گرافیت: لایهای، نرم و رسانای الکتریکی
برای مقایسه دگرشکلهای کربن از ساختار آغاز کن. در الماس، هر کربن به چهار کربن متصل و شبکه در سه بعد پیوسته است؛ بنابراین ماده سخت و از نظر الکتریکی نارساناست. در گرافیت، هر کربن سه همسایه دارد، لایهها با نیروی ضعیفتری کنار هم قرار میگیرند و الکترونهای ناموضعی در لایه حرکت میکنند؛ پس گرافیت نرم و رساناست. گرافن یک لایه منفرد از این شبکه و فولرن نمونهای مولکولی و خمیده است. در هر سؤال، تعداد همسایهها، بُعد شبکه، قدرت اتصال میان بخشها و امکان حرکت بار را به ترتیب بررسی کن تا از ساختار به خاصیت برسی.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.