هل يبقى الألماس للأبد؟ – (انتالبية التشكل)

ترجمة بتصرف: ميشيل رحال، الكيمياء العربي

نسمع كثيراً الجملة: الألماس يبقى إلى الأبد، حتى أنها كانت تقال في روايات وأفلام جميس بوند.

تحت معظم الشروط، فإنّ فكرة أن يبقى الألماس إلى الأبد واقعياً، أو أقرب إلى “الأبد” لا يشكل أي فرق. لكن هل ذلك هو ما يحدث بالمطلق على أرض الواقع؟.

ما هو الألماس

الألماس هو أحد تآصلات الكربون في الطبيعة، الشكل التآصلي الآخر هو الغرافيت. (هناك شكل تآصلي غير معروف كثيراً يسمى كرات بوكي). إذا أردنا مراقبة الألماس على سلم زمني طويل – في حالتنا هذه مليارات من السنين – سوف نلاحظ تغيراً بسيط في لمعان، وشفافية الألماس إلى غرافيت عاتم ورمادي اللون. يحدث هذا الانقلاب كون الألماس تيرموديناميكياً أقل ثباتية، وبشكل نسبي من الغرافيت.

كيف يتكون الألماس

إن تسخين الغرافيت وتعريضه لضغوط مرتفعة جداً سوف يعطي الالماس. الطاقة اللازمة لتحويل 1 مول من الغرافيت إلى ألماس هي 2.4 كيلو جول/مول. نسمي “انتالبية التشكيل Enthalpy of formation” ΔH_f^o للألماس وهي +2.4 كيلو جول/مول. كون الغرافيت هو الحالة القياسية للكربون (الغرافيت هو المادة الأساسية التي ننتقل بها إلى المركبات الكربونية الأخرى).

تعرَّف انتالبية التشكل القياسية (المرجعية) standard enthalpy of formation على أنّها تغير الانتالبية المشاركة في تشكل 1 مول من اي مركب بدءاً من عناصره الأولية (الذرات المشكلة له)، عندما يتواجد كل عنصر ضمن حالته القياسية.

يجب تحديد كلاً من الضغطP  ودرجة الحرارةT ، لأن هذين المتغيرين يؤثران على مقدار الانتالبية.

تشير معظم الكتب والجداول، إلى ΔH_f^o، عند الضغط القياسي P^o وعند درجة الحرارة 298 كلفن.

سوف يظهر لنا وبوضوح بأنّ لبعض المركبات انتالبية تشكل معدومة. تستنبط هذه القيمة من التعريف الذي اخترناه أعلاه: تتعلق انتالبية تشكل مركب بدءاً من عناصره الأولية، يمكن الاستنتاج أنّ لبعض العناصر المكونة للمركب انتالبية تشكل معدومة. وذلك في حال تواجده في حالته القياسية.  بشكل مصادف يمكن تفسير لماذا انتالبية تشكل البروم السائل معدومة ΔH_f^o(Br₂, l) = 0KJ/mol، بينما انتالبية البروم الغاز ΔH_f^o(Br2, g) = 29.5KJ/mol، وذلك كون البروم السائل هو الحالة الأكثر استقراراً عند درجة حرارة وضغط قياسيين.

شروط تكون الألماس؟ هل يحتاج لظروف معينة وقياسية؟

من أجل كمال الفكرة، سوف نشترط بأنه على العناصر التواجد ضمن حالتها القياسية. هذه الفقرة الفرعية ضرورية، لأنه حين تتواجد معظم العناصر في شكل واحد عند درجة حرارة وضغط قياسيين، (والتي تكون انتالبية تشكلهم معدومة)، سوف يكون لبعض العناصر كالكربون، الكبريت، والفوسفور، تآصلات. إنّ انتالبية تشكل التآصل الأكثر استقراراً هو دوما الصفر. لكن انتالبية تشكل التآصلات الأقل استقراراً هي مغايرة للصفر.

في الواقع، تشير انتالبية تشكل التآصلات غير المستقرة إلى الأخذ بعين الاعتبار للتآصل المستقر. كمثال: انتالبية تشكل الفوسفور الأبيض هي معدومة وذلك حسب التعريف، (هو أثبت تآصل عند درجة حرارة وضغط قياسيين) لكن انتالبية تشكل الفوسفور الأحمر بدءاً من الفوسفور الأبيض 15.9 كيلوجول/مول.

إذا تم تحديد قيمة انتالبية التشكل من الحرارة والضغط القياسيين والتآصل القياسي، نطلق على الانتالبية بانتالبية التشكل القياسية، والتي نشير إليها بالرمز (^o) مثل ΔH_f^o.

كخلاصة “هل الألماس يبقى للأبد؟” الإجابة ستكون لا، وذلك لأنه سوف يتحول ببطء إلى الغرافيت، والذي هو الشكل الأكثر استقراراً للكربون. يملك الغرافيت طاقة منخفضة أكثر من أية تآصل للكربون، ولن يتحول إلى الألماس دون إمداده بالطاقة.

 المصدر:

Monk, Paul M. S, Physical Chemistry Understanding our Chemical World, Chichester: John Wiley & Sons; 2004,  142-144.

ملحق: قيم انتالبيات التشكل لبعض المركبات الكيميائية عند الشروط القياسية.