Grafit
Grafit – pospolity i szeroko rozpowszechniony minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Stosowany jako naturalny suchy smar. Jest – obok diamentu i fulerytu – odmianą alotropową węgla. Nazwa pochodzi od gr. graphein = pisać, nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału.
 próbka minerału | |
| Właściwości chemiczne i fizyczne | |
| Skład chemiczny |
C |
|---|---|
| Twardość w skali Mohsa |
w zakresie 0,5–2[8] |
| Łupliwość |
doskonała, jednokierunkowa |
| Układ krystalograficzny |
heksagonalny lub trygonalny (w zależności od politypu) |
| Gęstość |
2,09 do 2,23 g/cm³ |
| Właściwości optyczne | |
| Barwa |
czarna, ciemnoszara |
| Rysa |
ciemnoszara, czarna, błyszcząca |
| Połysk |
półmetaliczny |
Właściwości
edytuj- Dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło
- Odporny na wysoką temperaturę
- Jest kruchy
W przyrodzie bardzo rzadko spotyka się dobrze wykształcone kryształy grafitu. Najczęściej występuje w postaci agregatów łuseczkowych, blaszkowych lub w formie zbitej masy o szaroczarnej barwie. Jest to minerał giętki, ale nie sprężysty. Krajalny i nieprzezroczysty, w dotyku tłusty i brudzący.
Występowanie
edytujPowstaje w wyniku zmetamorfizowania skał, jako produkt końcowy przemiany substancji organicznych bogatych w węgiel. Pojawia się także w pegmatytach i żyłach hydrotermalnych. Niekiedy bywa znajdowany wśród granitów, porfirów, gabr, granulitów. Współwystępuje z pirytem, markasytem, kalcytem.
Miejsca występowania w Polsce: Tworzy znaczne nagromadzenia w postaci łupków grafitowych w okolicach Stronia Śląskiego oraz wkładki skał grafitowych napotykane koło Strzelina, Dzierżoniowa, Wałbrzycha i Bystrzycy Kłodzkiej. Występuje w wielu różnych skałach metamorficznych (m.in. w łupkach krystalicznych Tatr Zachodnich).
Miejsca występowania w świecie: Sri Lanka – największe złoża grafitu, Madagaskar, Rosja – Syberia, USA – Ogdensburg, Edison, Alabama (najpiękniejsze kryształy grafitu pochodzą ze Sterling Hill w New Jersey), Kanada – Quebec, Meksyk – Sonora, Niemcy – Bawaria.
Budowa grafitu i jego właściwości
edytujStruktura grafitu składa się z warstw, w których występują sprzężone, sześcioczłonowe aromatyczne układy cykliczne, podobne do wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych o wielkiej liczbie skondensowanych pierścieni.
Podobnie jak w benzenie, każde wiązanie C−C w warstwie ma charakter zdelokalizowanego wiązania 1,5-krotnego. Wiązania te tworzą obszary zdelokalizowanych orbitali π, które, podobnie jak to się dzieje w metalach, umożliwiają swobodny ruch elektronów równolegle do warstw, dzięki czemu grafit wykazuje stosunkowo wysokie przewodnictwo elektryczne.
Między warstwami występują jedynie słabe oddziaływania. Ich charakter, tradycyjnie określany jako oddziaływania Van der Waalsa, w istocie jest słabym oddziaływaniem metalicznym. Metaliczny charakter wiązania w połączeniu z relatywnie małą ilością biorących w nim udział elektronów (ok. 1 na 10 tys. atomów) i relatywnie dużą ruchliwością powoduje, że siła wiązania warstw jest zbliżona do tej charakterystycznej dla oddziaływań Van der Waalsa, a jednocześnie przewodność elektryczna w kierunku prostopadłym do płaszczyzn grafitowych jest o kilka rzędów wielkości większa od przewodności charakterystycznej dla kryształów Van der Waalsa (kryształów molekularnych)[9].
Odległości między sąsiednimi atomami węgla w jednej warstwie wynoszą 1,415 Å (czyli 141,5 pm), zaś między warstwami 3,354 Å (335,4 pm)[10]. Powoduje to, że grafit wykazuje znaczną anizotropię (czyli kierunkowość) różnych własności fizycznych. Np. monokryształy grafitu przewodzą dobrze prąd elektryczny w kierunku równoległym do warstw i znacznie gorzej w kierunku prostopadłym.
Ze względu na to, że grafit techniczny jest zlepkiem niewielkich monokryształów, wykazuje on wysoką odporność mechaniczną na ściskanie i niewielką na rozciąganie i ścinanie. Jest więc jednocześnie twardy, łupliwy i podatny na ścieranie. Te szczególne własności mechaniczne powodują, że grafit posiada wyjątkowe dobre własności smarujące. Podczas poddawania go siłom ścinającym, jakie występują między obracającymi się kołami zębatymi, lub kołami zębatymi i łańcuchem, ulega on rozdrobnieniu do postaci proszku, o mikrometrycznych rozmiarach drobin. Każda z tych drobin zachowuje jednak dużą odporność na ściskanie co prowadzi do zjawiska supersmarowania.
Mikrokryształy grafitu są głównym składnikiem sadzy. Również w strukturze węgla kamiennego występują grafitopodobne struktury przedzielone fazą amorficzną. Czysty grafit otrzymuje się w przemyśle przez kontrolowaną pirolizę antracytu w atmosferze azotu.
Zastosowanie
edytuj- ma znaczenie naukowe – służy do określania genezy skał metamorficznych.
- do wyrobu suchych smarów
- do wyrobu cegieł ogniotrwałych
- grafit do ołówków
- czarne farby chroniące ołów przed korozją
- naczynia ognioodporne
- elektrody
- jako zbrojenie materiałów kompozytowych
- trzonki kijów golfowych typu driver
- tygle ogniotrwałe
- część ślizgowa pantografów
- środki polerskie
- jest dobrym moderatorem neutronów stosowanym w reaktorach jądrowych.
Przypisy
edytuj- ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 86. Boca Raton, Ann Arbor, Londyn, Tokio: CRC Press, Inc., 2006, s. 12-212.
- ↑ MOHS HARDNESS SCALE. [dostęp 2009-10-29].
- ↑ „Encyklopedia fizyki” praca zbiorowa PWN 1973 t. 1.
- ↑ Graphite. [dostęp 2009-10-28].
- ↑ Abrasives. [dostęp 2009-10-28].
- ↑ George S. Brady: Materials handbook. The McGraw-Hill Companies. ISBN 0-07-136076-X.
- ↑ Rustu S. Kalyoncu: Graphite. 1998. [dostęp 2009-10-28].
- ↑ Przykładowe wartości: 0,5[1]; 0,5–0,9[2], 1[3]; 1–1,5[4]; 0,5–1[5]; grafit naturalny: 1–2, czasami mniej niż 1[6]; 1–2[7]
- ↑ Franciszek Rozpłoch, Jaromir Patyk, Jan Stankowski. Graphenes Bonding Forces in Graphite. „Acta Physica Polonica A”. 112 (3), s. 557–562, 2007. Institute of Physics, Polish Academy of Science. ISSN 0587-4246. [dostęp 2010-09-19]. (ang.).
- ↑ N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the elements. Oxford; New York: Pergamon Press, 1984, s. 275. ISBN 0-08-022057-6.