Grafīts — oglekļa alotrops: definīcija, īpašības un pielietojumi

Grafīts — oglekļa alotrops: definīcija, īpašības un pielietojumi. Uzzini par struktūru, elektrisko vadītspēju, ražošanu un izmantošanu zīmuļos, rūpniecībā un kodolenerģētikā.

Grafīts, tāpat kā dimants, ir oglekļa alotrops. Abas formas sastāv tikai no oglekļa atomiem, taču atšķirīgā atomu saikņu un telpiskās izkārtošanās dēļ tām ir ļoti atšķirīgas ķīmiskās un fizikālās īpašības. Grafīta kristālstruktūra veidojas no plakaniem, paralēli izvietotiem oglekļa atomu slāņiem, kuros oglekļa atomi ir hibridizējušies kā sp2 un starp kuriem pastāv delokalizēti π-elektroni (elektroni). Šie slāņi var viegli slīdēt viens virs otra, tāpēc grafīts ir mīksts un labi darbojas kā smērviela.

Īpašības

Grafīts pēc izskata ir blāvi pelēks līdz melns un bieži spīdīgs slāņa virsmas dēļ. Tā blīvums ir apmēram 2,1–2,3 g/cm³, cietība Mohs skalā ir zema (aptuveni 1–2). Pateicoties delokalizētajiem elektroniem slāņu plaknē, grafīts ļoti labi vada elektrību un siltumu paralēli slāņiem, taču vadītspēja normālvirzienā (perpendikulāri slāņiem) ir daudz zemāka — tas rada stipru anizotropiju. Grafīts nešķīst un nerūsē kā metāli, bet gaisā augstākā temperatūrā tas oksidējas; vakuumā vai inertā gāzē tas iztur ļoti augstas temperatūras un sublimerē, nevis kuļas parasti zem parastā spiediena.

Iegūšana un alotropu veidi

Grafīts var izveidoties dabiski metamorfiskos procesos no organiskām vielām (piemēram, akmeņoglēm), kas darbobojas ilgu laiku zem augsta spiediena un temperatūras. Ir vairāki galvenie grafīta veidi: flake (šķembu), venozs (grauškains) un amorfs grafīts. Sintētiskais grafīts tiek iegūts, apstrādājot ogļūdeņraža izcelsmes izejvielas (piemēram, naftas koksa) ļoti augstā temperatūrā; tā izstrādā arī speciālus grafīta materiālus ar kontrolētiem parametriem.

Vienslāņa grafīta struktūru sauc par grafēnu — tas ir viena oglekļa atomu plakne ar izcilām mehāniskajām, elektriskajām un optiskajām īpašībām, un to iegūst eksfoliējot vai sintezējot no grafīta.

Kur to atrod un vēsture

Lielākā daļa rūpnieciskā grafīta pamatā nāk no raktuvēm Ķīnas ziemeļaustrumos — Ķīna dominē pasaules ražošanā. Grafītu atrod arī Šrilankā, Kanādā un ASV, kā arī citviet pasaulē. To tautā mēdz saukt par svina melno, jo tas izskatās līdzīgi metālam svins. Nosaukumu grafīts 1789. gadā no grieķu valodas ieguva Abraham Gottlob Werner.

Pielietojumi

• Ikdienišķs un vispopulārākais pielietojums ir kā "svins" zīmulim, kurā ir arī māls — grafīta un māla attiecība nosaka zīmuļa cietību (piem., HB, 2B utt.).
• Kā smērviela grafīts tiek izmantots mehāniskās ierīcēs, slēdzenēs un vietās, kur eļļas vai šķidri smērvielu nedrīkst lietot.
• Grafīta elektrodi un konstrukcijas tiek izmantotas metālapstrādē, smēķēšanas krāsnīs un kā sadegšanas elementu materiāli augstās temperatūrās.
• Augstas tīrības grafīts tiek lietots kā kodolreaktoros, piemēram, RBMK un AGR, kā neitronu moderatoru (samazina neitronu enerģiju). Šādam grafītam jābūt ļoti tīram, jo piesārņojumi (piem., bors) absorbē neitronus.
• Grafīts ir svarīgs akumulatoru nozarē: to izmanto kā anoda materiālu litija jonu baterijās, kas ir viens no galvenajiem pieprasījuma virzītājiem mūsdienās.
• To izmanto arī kā siltuma vadītāju elektronikas un dzesēšanas risinājumos, kā arī kā pastiprinošu vai vadītspējīgu piejaukumu kompozītmateriālos, bremžu sastāvos, oglekļa šķiedru izstrādājumos un elektrodu materiālos.
• Grafīta oksīds un tā atvasinājumi tiek pētīti membrānām, katalizatoru atbalstiem un jaunām materiālu lietojumprogrammām (piemēram, grafēna ražošanai).

Drošība un vides aspekti

Grafīts kopumā nav smagi toksisks, taču smalks putekļveida grafīts var radīt elpošanas ceļu kairinājumu un ilgstoša ieelpošana var izraisīt darba vidē saistītas plaušu problēmas (pneumokoniozes riska posmi). Rūpnieciskā ražošanā un apstrādē jāievēro atbilstoši drošības pasākumi — ventilācija, putekļu nosūkšana un personīgā aizsardzība.

Grafīta ražošana un ieguve var ietekmēt vidi, tāpēc arvien vairāk uzmanības pievērš pārstrādei, atkritumu samazināšanai un sintētiskā grafīta izmantošanas optimizācijai, it īpaši bateriju nozarē, kur pieaug pieprasījums un nepieciešama ilgtspējīga izejvielu pārvaldība.

Kopumā grafīts ir daudzpusīgs oglekļa alotrops ar unikālām elektriskām, termiskām un mehāniskām īpašībām, kas padara to par vērtīgu materiālu gan tradicionālajās, gan augsto tehnoloģiju lietojumprogrammās.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir grafīts?

J: Kā veidojas grafīts?

J: No kurienes nāk lielākā daļa grafīta?

J: Pēc kā nosaukts grafīta nosaukums?

J: Kādi ir daži grafīta izmantošanas veidi?

Vai grafītu var pārvērst dimantā?

Meklēt pēc burta