Δομή του άνθρακα αλλοτρόπου (γραφίτης)

Όταν ένα στοιχείο υπάρχει σε πολλαπλές μορφές και μια από τις μορφές του έχει τις ίδιες χημικές ιδιότητες αλλά διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, τότε αυτή η μορφή ονομάζεται αλλοτρόπο του στοιχείου. Ο γραφίτης είναι ένα από τα αλλότροπα του άνθρακα που σχηματίζει μια δομή αλλοτροπικού άνθρακα.

Ο γραφίτης είναι μαλακός και ολισθηρός λόγω της πολυεπίπεδης δομής του στην οποία διαφορετικά στρώματα συνδέονται με ασθενή δύναμη Van Der Waals, η οποία μπορεί να γλιστρήσει το ένα πάνω στο άλλο. Για αυτόν τον λόγο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συστατικό πολλών λιπαντικών, π.χ., χρησιμοποιείται ως συστατικό λαδιού αλυσίδας ποδηλάτου.

Ο γραφίτης έχει υψηλό σημείο τήξης επειδή κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τρεις ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Είναι επίσης καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για χρήση ως υλικό για ηλεκτρόδια κατά την ηλεκτρόλυση.

Τύποι γραφίτη

• Φυσικός γραφίτης

Είναι μια ένωση που αποτελείται από ορυκτά και φυσικό άνθρακα γραφίτη. Με εύρος σταθερότητας θερμοκρασίας γύρω στους 3650 βαθμούς Κελσίου, είναι ένας από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας και ηλεκτρισμού.

• Φλεβικός γραφίτης

Εμφανίζεται σε ρωγμές ή κατάγματα και εμφανίζεται ως μαζική εστία. Προέρχεται από αργό πετρέλαιο λόγω της εκτεταμένης θερμότητας και θερμοκρασίας και μετατρέπεται σε γραφίτη. Το επίπεδο καθαρότητας είναι περίπου 70 τοις εκατό. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή εφαρμογών υψηλής τριβής, όπως φρένα αυτοκινήτου.

• Συνθετικός γραφίτης

Οι συνθετικοί γραφίτες είναι λιγότερο κρυσταλλικοί από τους φυσικούς και αποτελούνται από οπτάνθρακα και ψίχα.

Υπάρχουν δύο τύποι συνθετικών γραφιτών:-

• Το πρώτο είναι καθαρός άνθρακας που σχηματίζεται με ανατίναξη πίσσας λιθανθρακόπισσας και πυρωμένο πετρέλαιο σε ηλεκτρικό κλίβανο.
• Το δεύτερο παράγεται με εκτεταμένη θέρμανση φρυγμένου πετρελαίου στους περίπου 2800 βαθμούς Κελσίου.

Δομή γραφίτη 

Ο γραφίτης έχει μια πολυεπίπεδη δομή που αποτελείται από εξαγωνικούς δακτυλίους, όπου κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει τρεις δεσμούς με γωνία δεσμού C-C-C 120 μοιρών, αφήνοντας τον τέταρτο απαλλαγμένο και υβριδοποιείται sp2. Μια ασθενής δύναμη έλξης Van der Waals συγκρατεί τα στρώματα του γραφίτη μαζί.

Εφόσον η δύναμη που συγκρατεί τα στρώματα είναι ασθενής, τα στρώματα μπορούν να γλιστρήσουν το ένα πάνω στο άλλο. Τα στρώματα γραφίτη χωρίζονται μεταξύ τους με απόσταση 3,40 Α. Το μήκος δεσμού του δεσμού άνθρακα-άνθρακα είναι 1,41 Α. Είναι μαύρου χρώματος και αδιαφανές με σχετική πυκνότητα 2,3.

Τύπος σύνδεσης σε γραφίτη

Ο γραφίτης έχει μια δισδιάστατη επίπεδη δομή. Κάθε άνθρακας σε αυτό είναι υβριδισμένος sp2. Κάθε μεμονωμένο άτομο άνθρακα συνδέεται με τρία από τα γειτονικά του άτομα άνθρακα μέσω ομοιοπολικών δεσμών που σχηματίζουν εξαγωνικούς πλανητικούς δακτυλίους σε ένα μόνο στρώμα. Το τελευταίο ηλεκτρόνιο ελεύθερου σθένους κάθε ατόμου είναι ελεύθερο να κινείται μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων.

Οι ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί, που υπάρχουν μεταξύ των ατόμων άνθρακα, απαιτούν τεράστια ποσότητα εισροής ενέργειας για να σπάσουν. Είναι διατεταγμένο σε διαφορετικά εξαγωνικά στρώματα. Ωστόσο, υπάρχουν μόνο ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων γραφίτη. Αυτό εξηγεί γιατί ο γραφίτης χρησιμοποιείται στα μολύβια.

Δεν απαιτείται πολλή ενέργεια για να σπάσουν οι δεσμοί μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων γραφίτη καθώς γλιστρά το ένα δίπλα στο άλλο με ευκολία. Ο γραφίτης ξεχωρίζει μόνο λόγω του χαρακτηριστικού του να αγώγει τον ηλεκτρισμό. Ένας άνθρακας σε γραφίτη συνδέεται με 3 άλλους (μπορεί να συνδεθεί με έως και τέσσερις λόγω του σθένους του), πράγμα που σημαίνει ότι ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να τρέξουν σε όλη τη δομή. Καθώς ο ηλεκτρισμός ορίζεται ως η ροή των ηλεκτρονίων, επομένως, αυτή η ιδιότητα του γραφίτη είναι που τον κάνει καλό αγωγό.

Εφαρμογές σύνδεσης γραφίτη: 

1. Χρησιμοποιείται σε αισθητήρες 
2. Χρησιμοποιείται στη θερμική διαχείριση
3. Χρησιμοποιείται σε μπαταρίες

Όλες αυτές οι εφαρμογές απαιτούν τη συγκόλληση του γραφίτη σε ένα πλήθος υλικών.

Χρήση γραφίτη

1. Πυρίμαχα υλικά:Λόγω της υψηλής ανοχής του στη θερμότητα και της αμετάβλητης χρήσης, είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πυρίμαχο υλικό. Ο γραφίτης χρησιμοποιείται στη μεταποιητική βιομηχανία καθώς επίσης βοηθά στην παραγωγή γυαλιού και χάλυβα.
2. Πυρηνικοί αντιδραστήρες:Ο γραφίτης απορροφά τα γρήγορα κινούμενα νετρόνια. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται σε αντιδραστήρες για τη σταθεροποίηση των πυρηνικών αντιδράσεων.
3. Φύλλα γραφενίου:Ο γραφίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή φύλλων γραφενίου, τα οποία είναι σχεδόν 100 φορές ισχυρότερα από τον χάλυβα. Αυτά τα φύλλα γραφενίου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ελαφρού και ισχυρού αθλητικού εξοπλισμού. Αυτά τα φύλλα έχουν χρησιμοποιηθεί και στην αεροδιαστημική βιομηχανία.

Συμπέρασμα 

Τα αλλότροπα του άνθρακα είναι οι διαφορετικές μορφές άνθρακα που έχουν παρόμοιες χημικές αλλά διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Ο άνθρακας έχει πολλά αλλότροπα επειδή έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό του κέλυφος, τα οποία συνδέονται με άλλα άτομα άνθρακα για να φτάσουν σε αδρανή κατάσταση. Υπάρχουν δύο τύποι αλλοτρόπων άνθρακα – τα κρυσταλλικά αλλότροπα και τα άμορφα αλλότροπα. Σε αυτό το άρθρο, έχετε αποκτήσει γνώσεις για τον γραφίτη, μια από τις κρυσταλλικές δομές αλλοτροπικού άνθρακα, και τη σημασία του. Έχουμε επίσης συζητήσει τη δομή του γραφίτη, τη σύνδεση στον γραφίτη, τις ιδιότητες, τους τύπους και τις διαφορετικές χρήσεις του στη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή.