‏Graphite الجرافيت

مقدمة

يعتبر الجرافيت أحد الأشكال المتعددة للكربون، ويتميز بخصائص فريدة تجعله مادة حيوية في العديد من التطبيقات الصناعية والتكنولوجية. يتمتع الجرافيت بقدرة عالية على توصيل الكهرباء، وخصائص كيميائية وفيزيائية مميزة، مما يجعله عنصرًا أساسيًا في مجموعة واسعة من الصناعات، بما في ذلك الإلكترونيات، البطاريات، والمواد المركبة. في هذا البحث، سنستعرض تكوين الجرافيت، تمعدناته، خاماته، أهميته، والمعادن التي تصاحبه في الحقول.

اشتق اسم الجرافيت من الفعل اليوناني Graphein ومعناه يكتب»، إشارة إلى العلامة السوداء التي يتركها عندما يحتك بالورق. ويتواجد الجرافيت كبلورات سداسية، أو ألواح مرنة، أو صفائح رقيقة، أو كتل كبيرة، ويمكن أن يكون حبيبيا، أو مضغوطا، أو ترابيًا. يتكون الجرافيت عن طريق تحول رسوبيات كربونية، مثل الحجر الجيري الغني بالمواد العضوية، وكذلك عن طريق تفاعل مركبات كربونية مع محاليل مائية حارة. يُستخرج الجرافيت تجاريًا في ساباراجامووا، بسریلانکا وسونورا، بالمكسيك وأونتاريو بكندا؛ وكوريا الشمالية ومدغشقر، ونيويورك با لولايات المتحدة الأمريكية. يُستخدم الجرافيت للتشحيم وفي المفاعلات النووية، ولأنه موصل للكهرباء ولا يذوب، فهو يستخدم أيضا لمصابيح الاشتعال، و البطاريات وفرش للمواتير الكهربية.

1. التكوين

يتكون الجرافيت من ذرات الكربون المرتبة في هيكل بلوري خاص. تُنظم هذه الذرات في طبقات، حيث ترتبط الذرات داخل الطبقات بروابط تساهمية قوية، بينما تكون الروابط بين الطبقات ضعيفة. هذا الترتيب الفريد يمنح الجرافيت خصائصه المميزة، مثل:

• - الانزلاق السهل: يمكن للطبقات الانزلاق فوق بعضها بسهولة، مما يجعل الجرافيت مادة مثالية للاستخدام كزيت تشحيم.
• - الموصلية الكهربائية: تعتبر القدرة على توصيل الكهرباء من الخصائص الأساسية للجرافيت، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في التطبيقات الإلكترونية.
• - الصلابة: على الرغم من أن الجرافيت يمكن أن يكون هشًا، إلا أن تركيبته البلورية تمنحه صلابة معينة.

 2. تمعدناته

تتواجد رواسب الجرافيت في شكلين رئيسيين:

• - الجرافيت الطبيعي: يتكون من عمليات جيولوجية طبيعية، وغالبًا ما يتم العثور عليه في الصخور المتحولة مثل الشست. تتشكل هذه الرواسب من خلال التحولات الحرارية والضغط الذي يؤثر على الكربون العضوي الموجود في الصخور.  

• - الجرافيت الصناعي: يُنتج عن طريق معالجة الكربون في درجات حرارة عالية، وعادة ما يتم استخدامه في التطبيقات التي تتطلب خصائص معينة، مثل الجرافيت عالي النقاء.

3. خامات

الجرافيت

تشمل الخامات الرئيسية للجرافيت:

• - الجرانيت: يحتوي على كميات صغيرة من الجرافيت، وغالبًا ما يُستخدم في التطبيقات المعمارية. 
• - الشست: يُعتبر المصدر الرئيسي للجرافيت الطبيعي، حيث تتواجد فيه كميات كبيرة من الجرافيت.
• - الطين: يمكن أن يحتوي على كميات ضئيلة من الجرافيت، وغالبًا ما يُستخدم في صناعة السيراميك.

 4. أهمية الجرافيت

يُستخدم الجرافيت في عدة مجالات، منها:

• - الصناعة: يُستخدم في تصنيع أقلام الرصاص، حيث يُعتبر الجرافيت هو المادة الأساسية المستخدمة في قلب القلم. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم في تصنيع أدوات القطع، حيث توفر خصائص الجرافيت مقاومة عالية للتآكل.

لوحةرسمت بواسطة الجرافيت

• - الإلكترونيات: يُستخدم الجرافيت في تصنيع الموصلات الكهربائية، حيث يُعتبر مادة مثالية لاستخدامها في الدوائر الكهربائية. تُستخدم أيضًا في تصنيع البطاريات القابلة لإعادة الشحن، مثل بطاريات الليثيوم أيون.
• - الطاقة: يُستخدم الجرافيت في إنتاج خلايا الوقود، حيث يلعب دورًا مهمًا في تحسين كفاءة الطاقة.
• - المواد المركبة: يُستخدم الجرافيت في صناعة المواد المركبة، حيث يُضاف لتحسين الخصائص الميكانيكية والحرارية للمواد.

5. المعادن المصاحبة للجرافيت

في الحقول الجيولوجية، يمكن أن يصاحب الجرافيت عدد من المعادن، منها:

• - الكوارتز: غالبًا ما يتواجد مع الجرافيت في الصخور المتحولة، حيث يمكن أن يُشكل جزءًا من التركيبة المعدنية.
• - الميكا: يمكن أن توجد في نفس الرواسب، حيث تعتبر من المعادن الشائعة في الصخور المتحولة.
• - الألمنيوم: يُعتبر من المعادن الشائعة في المناطق التي تحتوي على الجرافيت، وغالبًا ما يتم العثور عليه في شكل معادن مثل الفلسبار.

 6. طرق استخراج الجرافيت

يتم استخراج الجرافيت من خلال تقنيات مختلفة، منها:

• - التعدين السطحي: يُستخدم لاستخراج الجرافيت من الرواسب القريبة من السطح. تتضمن هذه الطريقة إزالة الغطاء السطحي للوصول إلى الرواسب.
• - التعدين تحت الأرض: يُستخدم في حال كانت الرواسب عميقة. تتطلب هذه الطريقة إنشاء أنفاق للوصول إلى الجرافيت، مما يزيد من تكاليف استخراج الجرافيت.

 7. التطبيقات الصناعية للجرافيت

تتعدد التطبيقات الصناعية للجرافيت، ومن أبرزها:

• - صناعة البطاريات: يُستخدم الجرافيت كمادة موصلة في بطاريات الليثيوم أيون، حيث يُعتبر جزءًا أساسيًا في الخلايا الكهربائية.
• - صناعة الألواح الكهربائية: تُستخدم الألواح الكهربائية المصنوعة من الجرافيت في العديد من التطبيقات، بما في ذلك الأجهزة الإلكترونية.
• - صناعة المواد المقاومة للحرارة: يُستخدم الجرافيت في تصنيع المواد المقاومة للحرارة، مثل الطوب الحراري، والذي يُستخدم في الأفران الصناعية.

 8. الجرافيت في مجال التكنولوجيا الحديثة

مع تقدم التكنولوجيا، أصبح للجرافيت دور متزايد الأهمية:

- التحكم في درجة الحرارة: يُستخدم الجرافيت في أنظمة التحكم في درجة الحرارة، حيث يمكن استخدامه كمواد عازلة.

- الطباعة ثلاثية الأبعاد: يُستخدم الجرافيت في صناعة المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يساعد في إنشاء نماذج معقدة.

 9. التأثير البيئي

على الرغم من فوائد الجرافيت، إلا أن استخراج الجرافيت يمكن أن يكون له تأثيرات بيئية سلبية. تشمل هذه التأثيرات:

- تدمير المواطن الطبيعية: يمكن أن يؤدي التعدين السطحي إلى تدمير المواطن الطبيعية للنباتات والحيوانات.

- تلوث المياه: يمكن أن يتسبب استخراج الجرافيت في تلوث المياه الجوفية والسطحية، مما يؤثر على البيئة المحلية.

 10. المستقبل والتوجهات الجديدة

مع تزايد الطلب على المواد المستدامة، يُتوقع أن يتزايد استخدام الجرافيت في المستقبل. يُعتبر الجرافيت مادة مثالية لتلبية احتياجات الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. كما يُتوقع أن يستمر البحث في تطوير تقنيات جديدة لاستخراج الجرافيت بشكل أكثر استدامة.

 

خاتمة

يعتبر الجرافيت مادة مهمة في العديد من التطبيقات الصناعية والتكنولوجية. إن فهم تكوينه وخصائصه واستخداماته يساعد في تعزيز استغلاله بشكل فعال، مما يساهم في تطوير الصناعات المختلفة. مع التوجه نحو الاستدامة، يُتوقع أن يستمر الطلب على الجرافيت في الارتفاع، مما يعكس أهميته في المستقبل.

المراجع

1. Mineral Resources of the United States

2. Journal of Materials Science

3. Mining Weekly Publications

4. Materials Research Bulletin

5.كتاب الاحجار الكريمة. 

6.كتاب موسوعة الصخور والمعادن .

7.كتاب موسوعة الكيمياء.