Графит — алотроп на въглерода: свойства, находища и приложения

Графитът, както и диамантът, е алотроп на въглерода. Те много си приличат, но различните структури на молекулата влияят на химичните и физичните свойства. Графитът е изграден от слоеве от въглеродни атоми, свързани чрез силни ковалентни връзки в рамките на всяки слой (сп2-хибридизация), докато между слоевете връзките са слаби ван дер Ваалсови сили. Тези слоеве могат да се плъзгат един върху друг много лесно, което обяснява защо материалът е мек и лесно се разтрива. На външен вид той е матово сив и често има лъскав метален отблясък. Благодарение на делокализирани електрони между слоевете той може да провежда много добре електричество в равнината на слоевете, а също така проявява добра топлопроводимост в тази посока.

Структурни и физични свойства

Ключови характеристики на графита:

• Анизотропия: електрическата и топлинната проводимост са много по-високи в посока паралелна на слоевете, отколкото перпендикулярно на тях.
• Мекота и пластичност: лесното приплъзване на слоевете го прави добър сух смазочен материал и придава „маслено“ усещане при триене.
• Топлоустойчивост: графитът е стабилен при много високи температури във въглеродна/безкислородна среда; в присъствието на въздух започва да окислява при няколко стотин градуса Целзий.
• Химическа устойчивост: устойчив е към повечето киселини и основи при стайна температура, но реактивността зависи от чистотата и големината на частиците.
• Преход към други форми на въглерод: чрез механично разслояване и химична обработка може да се получи графен — еднослоен въглероден лист с отлични електронни свойства.

Образуване и находища

Графитът може да се образува в природата по различни пътища — метаморфни преобразувания на органични материали (например на въглища) под въздействието на висока температура и налягане, както и чрез кристализация от въглерод-съдържащи разтвори. Графитът може да се образува от въглища, подложени на висока температура и налягане. Също така графитът може да се превърне в диамант при достатъчно топлина и налягане; това явление се използва и при промишленото производство на синтетични диаманти.

По-голямата част от графита идва от мини в североизточен Китай. Намира се и в Шри Ланка, Канада и САЩ, както и в други региони с подходящи геоложки условия. Мините добиват както естествен ламинарен (плочков) графит, така и кристален вид; съществуват и депозити с аморфен графит. Нарича се още оловно черен, защото прилича на метала олово. Името му е дадено от Абрахам Готлоб Вернер през 1789 г. и произлиза от гръцки език.

Производство на синтетичен графит

Синтетичният графит се получава чрез графитизация на карбонови прекурсори (например изкуствено получен кокс) при температури над 2500 °C. Този процес води до висока степен на кристализация и се използва, когато са необходими материали с висока чистота и специфични механични и електрически свойства (например за електроди, рефракторни елементи и технологична графитизация).

Приложения

Графитът има много и разнообразни приложения в промишлеността и ежедневието:

• Писане и рисуване: най-разпространената му употреба е като олово в молива, където графитът е смесен с глина за да се регулира твърдостта и чернотата на следата.
• Смазка: Графитът може да се използва като смазка за по-гладко функциониране на механичните устройства. Под формата на прах или смазки със смоли е полезен в среди с високи температури, където маслените смазки не работят.
• Електроди и пещни компоненти: високо чист графит се използва за електроди в дъгови пещи, за облицовки и тигели, благодарение на добрата му проводимост и стабилност при висока температура.
• Енергетика и батерии: графитът е основен материал за анодите в литиево-йонните батерии поради възможността за интеркалиране на йони в междуслойното пространство.
• Ядрената индустрия: графитът с висока чистота се използва като неутронен забавител в някои ядрени реактори, като например RBMK и AGR. За тази цел материалът трябва да е изключително чист, тъй като примеси като бор могат да поглъщат неутрони и да променят характеристиките на реактора.
• Композитни материали и нанотехнологии: графитните влакна и графеновите слоеве се използват за подсилване на композити и за производство на високоефективни електронни и топлинни интерфейси.

Безопасност и околна среда

Работата с графит предимно крие рискове, свързани с прахообразните частици: вдишването на графитен прах е нехармонично за белите дробове и може да доведе до възпаление или хронични проблеми при продължително излагане без адекватна защита. При горене или преработка е възможно отделяне на фини частици и газове, затова се прилагат мерки за прахоизвличане и вентилация. Екологичният отпечатък от добива включва нарушаване на терена и потребление на ресурси, затова рециклирането и устойчивите практики в индустрията придобиват все по-голямо значение.

Като цяло графитът е многостранен материал с ключова роля в съвременните технологии — от обикновения молив до ядрените реактори и батериите на бъдещето. Неговите свойства продължават да вдъхновяват нови приложения, особено в комбинация с развитието на графена и други въглеродни наноматериали.

Въпроси и отговори

В: Какво е графит?

Въпрос: Как се образува графитът?

В: Откъде идва повечето графит?

В: На какво е кръстен графитът?

В: Какви са някои от обичайните приложения на графита?

Въпрос: Може ли графитът да се превърне в диамант?

Търсене по буква