Графіт

Графіт – це мінерал з класу самородних елементів, одна з аллотропних модифікацій вуглецю. Хімічна формула С.

Графіт має кристалічну структуру, в якій атоми вуглецю утворюють плоскі шестикутники (гексагони), які називають графеном.

Зустрічається в природі у вигляді мінералу. Він є сіруватим або чорним непрозорим матеріалом з металевим блиском. Природний графіт утворюється в результаті метаморфізму органічних речовин, таких як торф або дерево. Він зустрічається в багатьох частинах світу.

Назва графіт походить від давньогрецького γράφειν (graphein), що означає писати. Графіт легко залишає сірий наліт на папері чи інших шорстких поверхнях, коли окремі пластівці стираються, що використовується в олівці.

Фізичні характеристики графіту

1. Кристалічна структура: Має кристалічну структуру, в якій атоми вуглецю утворюють плоскі шестикутники (гексагони), які називають графеном. Графенові шари мають властиву товщину, що складається всього з одного атомного шару.
2. М’якість: Є дуже м’яким матеріалом і легко розмазується або лускається. Ця м’якість робить його корисним для виготовлення олівців і інших письмових інструментів.
3. Чорний колір: Має характерний чорний або сірий колір, який зазвичай пов’язаний з його властивостями абсорбції світла.
4. Провідність електрики: Графіт є добрим провідником електричного струму завдяки структурі його атомів та наявності вільних електронів. Це робить його важливим для виробництва електродів у батареях і електроніці.
5. Теплопровідність: Графіт має добру теплопровідність і використовується у виробництві теплообмінників та інших теплових систем.
6. Матеріал для змащування: Є ефективним матеріалом для змащування, оскільки він має низький коефіцієнт тертя.
7. Стійкість до корозії: Графіт стійкий до дії кисню та багатьох хімічних реагентів, що робить його важливим у багатьох застосуваннях.
8. Властивість змінювати форму: Може бути легко формованим та використовується для виготовлення різних виробів, таких як ковзани, та електродів.
9. Легкість обробки: Може бути оброблений за допомогою різних методів, включаючи фрезерування, свердління та шліфування.

Хімічні характеристики графіту

Хімічні характеристики графіту визначаються його складом і структурою, а саме атомами вуглецю, які утворюють гексагональні кристалічні шари.

Основні хімічні характеристики графіту включають:

1. Склад: Графіт складається виключно з атомів вуглецю (C). Кожний атом вуглецю утворює чотири ковалентні зв’язки з іншими атомами вуглецю, утворюючи мережу вуглецевих атомів.
2. Зв’язки: Має специфічну структуру з вуглецевими атомами, які утворюють ковалентні зв’язки у формі шестикутників, утворюючи плоскі гексагональні шари.
3. Взаємодія з киснем: Графіт стійкий до дії кисню і не горить при нормальних умовах.
4. Хімічна стійкість: Є хімічно стійким і не реагує з багатьма хімічними речовинами, такими як кисень, кислоти та луги, при звичайних умовах.
5. Поверхневі реакції: Може реагувати з оксидуючими агентами за високих температур, утворюючи вуглекислий газ (CO₂).
6. Специфічні реакції: Графіт може піддаватися хімічним модифікаціям для отримання певних хімічних властивостей, наприклад, застосуванням окиснювальних агентів для отримання оксиду графіту, відомого як графен.

Загалом є досить стійким і хімічно нейтральним матеріалом при низьких температурах і зазвичай виходить з реакцій лише при взаємодії з дуже агресивними хімічними середовищами або при високих температурах.

Отримання штучного графіту

Штучний графіт може бути виготовлений різними методами в лабораторних умовах та в промисловому масштабі.

Ось деякі основні методи отримання штучного графіту:

1. Термічне розкладання гідрокарбонів: У цьому методі вуглецевий матеріал, такий як кам’яновугільний та нефтепродукти, піддається високим температурам у вакуумі або атмосфері аргону (піроліз). Під час піролізу відбувається розкладання вуглеводнів, і вуглець утворює графітовий матеріал.
2. Графітізація: Графітізація полягає в нагріванні матеріалу з високим вмістом вуглецю, такого як кокс або вугільні волокна, при високих температурах (понад 2500°C) у вакуумі або у захисній атмосфері. Під час графітізації вугільний матеріал переходить у графіт.
3. Хімічний відкладання з газової фази (CVD): Цей метод включає поступове відкладання вуглецевих атомів з газової фази на підкладку за допомогою хімічних реакцій. Газовий прекурсор, зазвичай метан або ацетилен, подається в реакційну камеру разом з каталізаторами, які сприяють відкладанню вуглецю на підкладку. Цей метод використовується для отримання тонких плівок графіту.
4. Ексфоліація (відшаровування) графену: Графен, один атомний шар графіту, може бути отриманий шляхом ексфоліації графіту або інших вуглецевих матеріалів, таких як графеніт або вугільні нанотрубки. Ця методика включає виділення одного атомного шару з багатошарових матеріалів.
5. Синтез з вугільних сполук: Графіт може бути синтезований з вугільних сполук, таких як карбіди, через взаємодію з металами, наприклад, у реакціях з металічним натрієм.

Застосування

Графіт має широкий спектр застосувань через свої унікальні фізичні і хімічні властивості.

Ось деякі основні галузі та застосування графіту:

1. Олівці: Графіт використовується для виготовлення “графітових” олівців, завдяки своїй м’якості та здатності залишати слід на папері.
2. Електроди: Графіт використовується в електродних системах, таких як акумулятори, виробництво сталі, аноди для електролізу, електроди для хімічних реакцій, та інше.
3. Теплообмінники: Використовується для виготовлення теплообмінників та обладнання для термічних процесів завдяки своїй високій теплопровідності.
4. Змащувачі: Графіт використовується в якості змащувача в машинах та обладнанні завдяки низькому коефіцієнту тертя.
5. Ядерна енергетика: Використовується як модератор у ядерних реакторах для регулювання ядерних реакцій.
6. Електроніка: Графітові плівки та графен використовуються в електроніці для виготовлення транзисторів, сенсорів, термоелементів та інших компонентів.
7. Захисні покриття: Графітові покриття використовуються для захисту металів від корозії та оксидування.
8. Лиття ковзанок: Графіт використовується для лиття ковзанок із ковзанкової сталі.
9. Електролітичні резервуари: Використовується для виготовлення резервуарів і контейнерів для зберігання хімічних речовин.
10. Аерокосмічна промисловість: Графітові композити використовуються в аерокосмічних застосуваннях, таких як ракети і супутники.
11. Матеріали для конструкцій: Графітові композити використовуються для виготовлення легких, міцних та стійких до високих температур матеріалів для конструкцій.
12. Медицина: Графіт використовується у медичних дослідженнях, в тому числі для створення наноматеріалів для доставки ліків та діагностики.

Це лише декілька прикладів застосувань графіту. Його унікальні властивості роблять його важливим матеріалом у багатьох галузях науки, технології та виробництва.