Grafit: definicija, lastnosti in uporaba (svinček, mazivo, reaktorji)

Grafit — alotrop ogljika: lastnosti, nastanek in praktične uporabe kot svinček v svinčniku, mazivo ter moderator v jedrskih reaktorjih.

Grafit je tako kot diamant alotrop ogljika. Kljub temu, da sta sestavljena iz istega elementa, se zaradi različne notranje strukture njune fizikalne in kemijske lastnosti močno razlikujejo. Grafit je zgrajen iz plasti šestčlenskih ogljikovih obročev, kjer ima vsak atom sp2 hibridizacijo in je povezan z dvema sosedoma; elektroni v pi-sistemu so delokalizirani vzdolž sloja. Te ravninske plasti se lahko zelo enostavno zdrsijo ena čez drugo, kar grafitu daje značilno mehkobo in mazljivost. Na videz je temno siv do črn, pogosto z rahlim kovinskim leskom. Zaradi delokaliziranih elektronov v plasteh grafit dobro prevaja elektriko v smeri znotraj slojev, medtem ko je prevodnost pravokotno na plasti bistveno slabša. Toplotna prevodnost je v smeri plasti visoka, v smeri med plastmi pa nizka.

Strukturne in fizikalne lastnosti

• Kristalna zgradba: grafit ima slojno, heksagonalno strukturo; vezi med atomi znotraj plasti so močne kovalentne, med plastmi pa prevladujejo šibkejše van der Waalsove sile.
• Trdota in tekstura: zaradi slojev se plastno cepi in se zlahka lušči; na Mohsovi lestvici trdote je zelo mehka (približno 1–2).
• Gostota: okoli 2,1–2,3 g/cm3 (odvisno od vrste grafita in poroznosti).
• Toplotna stabilnost: grafit je zelo obstojen pri visokih temperaturah; v vakuumu ali inertni atmosferi prenese zelo visoke temperature, v prisotnosti kisika pa se pri povišanih temperaturah oksidira.
• Električne lastnosti: dobro prevaja elektriko vzdolž plasti zaradi prostih elektronov v pi-sistemu.

Nastanek in vrste grafita

Grafit lahko naravno nastane iz premoga in drugih organskega materiala, ki je med geološkimi procesi izpostavljen visokemu tlaku in temperaturi. Z dovolj ekstremnimi pogoji se grafit lahko spremeni v diamant, kar je tudi osnova za proizvodnjo sintetičnih (umetnih) diamantov. Poleg naravnega grafita obstajajo tudi različne komercialne vrste:

• Flaky (listni) grafit: najpogostejši tip, nastaja iz metamorfnega procesiranja organske snovi; ima dobro električno prevodnost.
• Vein (žilni) grafit: compact, zelo čist, najdemo ga v razpokah v kamninah — pogosto se trži kot "lump" ali "vein" graphite.
• Amorfni grafit: manj urejena oblika, večja vsebnost oksidov in drugih primesi; uporablja se na primer v mazivih in za polnjenje.
• Sintetični grafit: pridobivajo ga z visokotemperaturno obdelavo naftnega koksa ali drugih ogljikovih predhodnikov; zelo čist in enakomeren, primeren za elektrode in tehnološke aplikacije.

Viri in rudarjenje

Večina grafita izvira iz rudnikov na severovzhodu Kitajske. Najdemo ga tudi na Šrilanki, v Kanadi in Združenih državah Amerike. Zaradi videza so ga poimenovali tudi svinčevo črn, ker spominja na kovinski svinec. Ime grafit je uvedel Abraham Gottlob Werner leta 1789 in izhaja iz grškega jezika (povezano z besedo za pisanje, ker se material uporablja za označevanje površin).

Uporaba

Grafit ima širok spekter uporabe zaradi svoje kombinacije električne prevodnosti, odpornosti na visoke temperature in mazljivih lastnosti. Najpomembnejše uporabe so:

• Svinčnik: Najpogostejša uporaba grafita je kot "svinec" v svinčniku. V svinčnikih je grafit zmešan z glino; razmerje grafita in gline določa trdoto ali mehkobo svinčnikove jedra (oznake npr. HB, 2B ipd.).
• Mazivo: kot mazivo ali kot sestavina solidnih maziv (priročno pri visokih temperaturah ali v vakuumu), kjer tekoča maziva odpovejo; uporablja se tudi v industriji za zmanjšanje trenja in obrabe.
• Elektrode in obloge: sintetični grafit se uporablja za velike elektroda v proizvodnji jekla in aluminija ter kot obloga v visokotemperaturnih pečeh.
• Baterije in elektronika: grafit je običajen material za anode v litij-ionskih baterijah in se uporablja v drugih električnih ter toplotnih aplikacijah ter kot prevodni pigment ali premaz.
• Jedrski reaktorji: Grafit visoke čistosti se uporablja kot moderator nevtronov v nekaterih jedrskih reaktorjih, kot so RBMK in AGR. Deluje tako, da upočasni hitre nevtrone in jih spremeni v termalne nevtrone, kar omogoča nadaljnje jedrske reakcije.
• Refraktorna in konstrukcijska uporaba: ker prenese visoke temperature, se uporablja za izdelavo loncev, peči, tesnil in drugih komponent pri visoko temperaturnih procesih.
• Drugi izdelki: pigmenti, zaviralci plamena, zavorne obloge, športna oprema (npr. golf palice), kompoziti in elementi za raziskovalne naprave.

Varnost in obdelava

Grafit je kemično dokaj neaktiven pri sobni temperaturi, vendar se pri visokih temperaturah v prisotnosti kisika oksidira. Pri obdelavi lahko nastaja grafitni prah, ki je lahko dražeč za dihalne poti; priporočljiva je uporaba ustrezne zaščite (zračne maske, lokalno prezračevanje). Pri industrijskih procesih je potrebno paziti na požarno varnost pri fino razpršenih delcih in na upravljanje z odpadnimi snovmi.

Povzetek

Grafit je pomemben in vsestranski oblikovni ogljika z edinstvenimi slojnimi lastnostmi: mehak, mazljiv, dober prevodnik elektrike v plasteh in odporen pri visokih temperaturah. Njegove glavne uporabe segajo od svinčnikov in maziv do industrijskih elektrod, baterijskih anod in moderatorjev v jedrskih reaktorjih. Naraven in sintetični grafit imata različna področja uporabe glede na čistost in strukturo.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je grafit?

V: Kako nastane grafit?

V: Od kod prihaja večina grafita?

V: Po čem je grafit dobil ime?

V: Katere so pogoste uporabe grafita?

V: Ali lahko iz grafita naredite diamant?

Išči po črki