Grafitas – anglies alotropas: savybės, kilmė ir panaudojimas

Sužinokite apie grafito savybes, kilmę ir panaudojimą: nuo pieštukų ir tepalų iki branduolinių reaktorių, elektrinio laidumo ir sintetinių deimantų.

Grafitas, kaip ir deimantas, yra anglies alotropas. Jie labai panašūs vienas į kitą, tačiau skirtinga molekulės struktūra turi įtakos cheminėms ir fizikinėms savybėms. Grafitas sudarytas iš anglies atomų sluoksnių. Šie sluoksniai gali labai lengvai slinkti vienas per kitą. Tai reiškia, kad jis yra labai minkštas. Jo išvaizda yra matinės pilkos spalvos. Dėl delokalizuotų elektronų tarp sluoksnių jis labai gerai praleidžia elektros srovę.

Grafitas gali susidaryti iš akmens anglių, kaitinamų aukštoje temperatūroje ir veikiant dideliam slėgiui. Be to, grafitas gali virsti deimantu, jei jam pakanka karščio ir slėgio. Taip gaminami sintetiniai (dirbtiniai) deimantai.

Daugiausia grafito gaunama iš šiaurės rytų Kinijos kasyklų. Jo taip pat randama Šri Lankoje, Kanadoje ir Jungtinėse Amerikos Valstijose. Jis taip pat vadinamas švino juodąja spalva, nes atrodo kaip metalas švinas. Pavadinimą jam suteikė Abraomas Gotlobas Verneris (Abraham Gottlob Werner) 1789 m., kilęs iš graikų kalbos.

Jis gali būti naudojamas kaip tepalas, kad mechaniniai prietaisai veiktų sklandžiau. Dažniausiai grafitas naudojamas kaip pieštuko "švinas", kurio sudėtyje taip pat yra molio.

Kai kuriuose branduoliniuose reaktoriuose, pavyzdžiui, RBMK ir AGR, didelio grynumo grafitas naudojamas kaip neutronų moderatorius.

Savybės

• Struktūra: atominė anglies tinklo dalis yra sluoksniuota – kiekviename sluoksnyje anglies atomai prisijungę sp2 hibridiniais ryšiais, o tarp sluoksnių vyrauja silpnesni Van der Waals jėgos.
• Elektrinės ir šiluminės savybės: grafitas gerai praleidžia elektros srovę ir šilumą plokštumoje dėl delokalizuotų elektronų. Tai daro jį tinkamu elektrodams ir šiluminiams laidininkams.
• Fizinės savybės: tankis apie 2,2–2,3 g/cm³, kietumas pagal Mohs 1–2 (labai minkštas), aukštas atsparumas temperatūrai (netirpsta ir nekonkretizuotai tirpsta — dešinėjantkyla iki sublimacijos aukštų temperatūrų).
• Išvaizda: tamsiai pilkas arba juodai metalinis blizgesys; sluoksniuota laisva struktūra lemia matinį atspindį.

Kilmė ir gamyba

Natūralus grafitas susidaro metamorfinių procesų metu iš organinių medžiagų (pvz., anglių) veikiant aukštai temperatūrai ir slėgiui. Sintetinis grafitas gaminamas keliais būdais: Achesono procesu (karboterminis procesas, naudojamas grafito elektrodams), aukštos temperatūros apdirbimu (pyrolytinis arba grafitizacija) iš kietų organinių prekursorių, taip pat cheminiu nusodinimu (CVD). Sintetinė grafito forma gali būti labai gryna ir struktūriškai vienodesnė nei daug natūralių rūšių.

Panaudojimas

• Pieštukų "švinai": grafitas sumaišomas su moliu — mišinio proporcija lemia pieštuko kietumą (H–B skalė).
• Elektrodai ir baterijos: grafitas naudojamas kaip elektrodų medžiaga (elektros arkų krosnims, elektrodams) ir kaip anodinė medžiaga ličio jonų baterijose.
• Tepalai ir teflonui alternatyva: dėl sluoksnių slankumo jis naudojamas kaip sausas tepalas ten, kur netinka skystieji.
• Pramoninės dalys ir liejiniai: grafitas naudojamas krosnių formoms, indams, kuriuose reikalingas atsparumas karščiui ir cheminis stabilumas.
• Branduolinė energetika: aukštos grynumo grafitas tarnauja kaip neutronų moderatorius tam tikrų tipų reaktoriuose (pvz., RBMK, AGR).
• Kompozitai ir elektronika: grafitas bei jo dariniai (grafenas, redukuotas grafito oksidas) naudojami laidžiuose kompozituose, elektronikos komponentuose ir kaip šilumos laidininkai.

Grafenas ir kiti dariniai

Vienas grafito sluoksnis vadinamas grafenu — vieno sluoksnio atomine danga, turinti išskirtines elektrines, mechanines ir šiluminės savybes. Iš grafito gaminami ir kiti produktai: grafito oksidas, redukuotas grafito oksidas, grafitės interkaliacijos junginiai — visi jie turi savitų panaudojimo sričių medžiagų moksle ir pramonėje.

Saugumas ir aplinkosauga

Grafitas paprastai nelaikomas labai toksiška medžiaga, tačiau jo smulkus dulkių įkvėpimas gali dirginti kvėpavimo takus. Ilgalaikė sąlytis su smulkiais dalelėmis gali sukelti plaučių problemų, todėl pramoninėse sąlygose būtinos apsaugos priemonės (vėdinimas, dulkių surinkimas, apsaugos kaukės). Kasyba ir perdirbimas gali turėti aplinkos pasekmių — energijos suvartojimas, atliekos ir vietinė tarša, todėl didėjant baterijų ir kitų technologijų paklausai įvyksta spaudimas gerinti atsakingą išgavimą ir perdirbimą.

Įdomybės

• Grafitas buvo žinomas ir naudojamas jau seniai — pieštukų idėja kilo dėl grafito radinių naudojimo žymėjimui.
• Chilėje, Indijoje, Kinijoje ir Afrikoje išgaunamas natūralus grafitas turi skirtingą grynumą ir struktūrą, kas lemia skirtingą pramoninį pritaikymą.
• Išgrafituoti plokščių sluoksniai, t. y. grafenas, turi potencialą keisti elektronikos, energetikos ir kompozitų pramonę dėl savo unikalių savybių.

Jei norite daugiau techninių duomenų (pvz., išsamesnių apie elektrinį laidumą, šilumos laidumą ar gamybos metodus), galiu pateikti lentelę su tipinėmis reikšmėmis ir šaltiniais.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra grafitas?

K: Kaip susidaro grafitas?

K: Iš kur gaunama didžioji dalis grafito?

K: Ko vardu pavadintas grafitas?

K: Kokie yra kai kurie įprasti grafito naudojimo būdai?

Klausimas: Ar galima grafitą paversti deimantu?

Paieška pagal raidę