Δομή γραφίτη και χρήσεις

Ο γραφίτης, κοινώς γνωστός ως plumbago ή μαύρος μόλυβδος, είναι ένα ορυκτό με βάση τον άνθρακα. Είναι μια φυσική μορφή άνθρακα με εξαγωνικό σύστημα δομής. Το όνομα γραφίτης προέρχεται από την ελληνική λέξη «graphein», η έννοια της οποίας είναι «γράφω». Ο γραφίτης υπάρχει σε πυριγενή και μεταμορφωμένα πετρώματα. Είναι γκριζομαύρου χρώματος, το οποίο είναι αδιαφανές και έχει λάμψη. Είναι ένα μαλακό ορυκτό και έχει πολύ χαμηλό ειδικό βάρος. Χρησιμοποιείται στα μολύβια, τη μεταλλουργία και την κατασκευή. Ο γραφίτης σχηματίζεται όταν ο άνθρακας υποβάλλεται σε επεξεργασία με θερμότητα και πίεση στην επιφάνεια της Γης. Ο γραφίτης είναι ένα μοναδικό υλικό αφού έχει μεταλλικές και μη μεταλλικές ιδιότητες.

Ταξινόμηση γραφίτη:

Ο γραφίτης μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο κύριες κατηγορίες:

1. Φυσικός γραφίτης

2. Συνθετικός γραφίτης

• Φυσικός γραφίτης: 

Ο φυσικός γραφίτης είναι ένα ορυκτό που σχηματίζεται φυσικά στον φλοιό της Γης. Αποτελείται από άνθρακα γραφίτη. Αυτός ο γραφίτης εξάγεται από ορυχεία και αν βρεθεί αναμεμειγμένος με άλλα ορυκτά. Απαιτεί επεξεργασία ορυκτών όπως επίπλευση και διήθηση.

Ο φυσικός γραφίτης μπορεί να είναι σταθερός σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και είναι ένας εξαιρετικός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού.

Με βάση την κρυσταλλικότητα, αυτό το ορυκτό μπορεί να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες:

• Υψηλό κρυσταλλικό
• Άμορφο
• Νιφάδα

1. Ο γραφίτης με υψηλή περιεκτικότητα σε κρυστάλλους παράγεται από αποθέματα αργού πετρελαίου που πρέπει να μετατραπούν σε γραφίτη λόγω χρόνου, πίεσης και θερμοκρασίας.
2. Άμορφος:ο άμορφος γραφίτης είναι η ελάχιστη ποιότητα του φυσικού γραφίτη. Είναι ακόμα κρυστάλλινα. Βρίσκονται σε μεσόμορφα πετρώματα όπως σχιστόλιθος, άνθρακας κ.λπ. Εξάγονται με εξόρυξη.
3. Γραφίτης νιφάδων:μπορούν να βρεθούν σε μεταμορφωμένα πετρώματα. Η συγκέντρωση άνθρακα αυτού είναι 5% έως 40%. Εξάγονται με τη διαδικασία επίπλευσης αφρού. Βρίσκονται σε όλο τον κόσμο.

• Συνθετικός γραφίτης:

Οπτάνθρακας και πίσσα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συνθετικού γραφίτη. Είναι λιγότερο κρυσταλλικοί από τον φυσικό γραφίτη, αλλά είναι πιο καθαροί.

Υπάρχουν δύο είδη συνθετικού γραφίτη:

1. Ηλεκτρογραφίτης:είναι καθαρός άνθρακας που παράγεται από λιθανθρακόπισσα και οπτάνθρακα.
2. Πρόκειται για συνθετικό γραφίτη που παράγεται με θέρμανση πυρωμένου πετρελαίου.

Δομή του γραφίτη:

Ο γραφίτης έχει ομοιοπολική δομή, που σημαίνει ότι κάθε άτομο άνθρακα ενώνεται με τρία άλλα άτομα άνθρακα με ομοιοπολικούς δεσμούς. Τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε ένα εξαγωνικό σχέδιο, σχηματίζοντας μια δομή σαν φύλλο και τα φύλλα συνδέονται μεταξύ τους με ασθενείς δυνάμεις.

Υπάρχουν πολλά φύλλα συνδεδεμένα μεταξύ τους παράλληλα. Στον γραφίτη, τα άτομα εμφανίζουν υβριδισμό sp2. Τα μεμονωμένα στρώματα γραφίτη είναι γνωστά ως γραφένιο. Τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώμα είναι οργανωμένα σε ένα κυψελοειδές πλέγμα του οποίου το μήκος δεσμού είναι 0,142 nm και ένας επίπεδος διαχωρισμός 0,335 nm. Η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων είναι 2,5 η απόσταση μεταξύ των ατόμων κάθε στιβάδας.

Τρία από τα ηλεκτρόνια κάθε ατόμου άνθρακα χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία απλών δεσμών με τα τρία πλησιέστερα γειτονικά ηλεκτρόνια του. Το τέταρτο ηλεκτρόνιο παραμένει στο επίπεδο σύνδεσης. Τα «εφεδρικά» ηλεκτρόνια κάθε ατόμου άνθρακα μετατοπίζονται σε ολόκληρο το φύλλο ατόμων σε ένα στρώμα.

Η δομή του γραφίτη φαίνεται παρακάτω:

Χρήσεις και εφαρμογές γραφίτη:

Υπάρχουν πολλές χρήσεις του γραφίτη σε διαφορετικούς τομείς:

Πυρίμαχη ουσία:

Λόγω της σταθερότητάς του σε υψηλή θερμοκρασία και της χημικής αδράνειας, ο γραφίτης χρησιμοποιείται στην ανθρωπότητα πολλά πυρίμαχα αντικείμενα όπως πυρίμαχο υλικό και πυρίμαχα τούβλα Mag-carbon. Χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή χωνευτηρίων, καλουπιών και κουτάλων.

Ο γραφίτης χρησιμοποιείται στην παραγωγή υψικαμίνων για την παραγωγή σιδήρου.

Τα ηλεκτρόδια του γραφίτη χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικούς μεταλλουργικούς κλίβανους και σε φούρνους που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία του χάλυβα.

Χημική Βιομηχανία:

Στις χημικές βιομηχανίες, ο γραφίτης χρησιμοποιείται για την παραγωγή καρβιδίου του ασβεστίου και φωσφόρου σε καμίνους τόξου. Ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως άνοδος σε ηλεκτρολυτικές διεργασίες.

Πυρηνική βιομηχανία:

Ο γραφίτης χρησιμοποιείται για την κατασκευή ράβδων συντονισμού και εξαρτημάτων ανακλαστήρα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα.

Ηλεκτρολογική βιομηχανία:

Στην κατασκευή βουρτσών άνθρακα και ηλεκτροκινητήρων.

Μηχανικές χρήσεις:

Το υλικό γραφίτη χρησιμοποιείται στους τομείς της μηχανικής για την κατασκευή ρουλεμάν ώσης και κορμού, δακτυλίων εμβόλου και πτερυγίων.

Άλλες εφαρμογές γραφίτη:

Μεταλλουργία

Ως λιπαντικά

Στην παραγωγή χρωμάτων.

Στην παραγωγή μολυβιών.

Συμπέρασμα:

Ο γραφίτης είναι μια μαλακή και φυσική ορυκτή μορφή άνθρακα. Υπάρχουν δύο τύποι γραφίτη που είναι ο φυσικός γραφίτης και ο συνθετικός γραφίτης. Ο γραφίτης έχει γκριζωπό μαύρο χρώμα. Βρίσκεται φυσικά στον φλοιό της γης. Ο γραφίτης μπορεί να βρεθεί στην πάνω επιφάνεια της γης. Χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία, στην επίστρωση, στην κατασκευή χρωμάτων κ.λπ. Ο δομικός σχεδιασμός του γραφίτη είναι κυψελοειδής που συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρούς δεσμούς και σχηματίζουν φύλλα. Πολλά φύλλα συνδέονται με ασθενείς δεσμούς.