Ιδιότητες του γραφίτη

Ο γραφίτης είναι μια κρυσταλλική μορφή άνθρακα, που εμφανίζεται συνήθως σε μεταμορφωμένα πετρώματα ως νιφάδες ή κρυσταλλικά στρώματα. Σχηματίζεται από τη μεταμόρφωση ανθρακούχων ιζημάτων. Στη φύση, βρίσκεται επίσης σε πυριγενή πετρώματα, μετεωρίτες και στο ορυκτό plumbago. Τεχνητά, μπορεί να παρασκευαστεί με θέρμανση σε σκόνη οπτάνθρακα αναμεμειγμένη με λίγη άμμο και οξείδιο του σιδήρου.

Ο γραφίτης είναι ένα ομοιοπολικό στερεό καθώς τα συστατικά του άτομα άνθρακα συγκρατούνται ισχυρά από ομοιοπολικούς δεσμούς. Είναι η πιο σταθερή μορφή άνθρακα και όταν υποβάλλεται σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία, μπορεί να μετατραπεί σε διαμάντι, αλλά αυτό απαιτεί εκατομμύρια χρόνια. Οι ιδιότητες του γραφίτη διαφέρουν από άλλα ομοιοπολικά στερεά λόγω της δομής του.

Επισκόπηση

Αν και ο γραφίτης είναι μια μορφή καθαρού άνθρακα, ενός αμέταλλου, εμφανίζει τις ιδιότητες τόσο ενός μετάλλου όσο και ενός αμέταλλου. Οι ιδιότητες του γραφίτη μπορούν να αποδοθούν στην κρυσταλλική του δομή.

Ο γραφίτης έχει μια δισδιάστατη επίπεδη δομή όπου κάθε άνθρακας είναι υβριδισμένος sp2. Σε ένα μόνο στρώμα, κάθε μεμονωμένο άτομο άνθρακα συνδέεται με τρία από τα γειτονικά του άτομα άνθρακα μέσω ομοιοπολικών δεσμών που σχηματίζουν εξαγωνικούς δακτυλίους πλάνης. Το τελευταίο ηλεκτρόνιο ελεύθερου σθένους κάθε ατόμου είναι ελεύθερο να κινείται μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων. Στους δακτυλίους, το μήκος του ομοιοπολικού δεσμού άνθρακα-άνθρακα είναι 141,5 μ.μ., γεγονός που υποδηλώνει ισχυρό δεσμό. Έτσι, ο γραφίτης έχει δισδιάστατους πολυμερείς δακτυλίους που μοιάζουν με φύλλο. Κάθε φύλλο ή στρώμα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα συντηγμένο σύστημα δακτυλίων βενζολίου. Οποιαδήποτε δύο διαδοχικά φύλλα απέχουν περίπου 340 μ.μ. Αυτή η μεγάλη απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών στρωμάτων δεν επιτρέπει το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών. Τα διαδοχικά στρώματα μπορούν να γλιστρήσουν το ένα πάνω στο άλλο λόγω των αδύναμων δυνάμεων του Van der Waals που τα συγκρατούν.

Φυσικές ιδιότητες του γραφίτη

Ο γραφίτης είναι μια γκριζωπή μαύρη, αδιαφανής ουσία με μεταλλική λάμψη. Σημαδεύει ένα μαύρο λεκέ στο χαρτί. Αν και ο γραφίτης είναι εύκαμπτος, δεν είναι ελαστικός. Η δομή του γραφίτη, όπως συζητήθηκε παραπάνω, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει τις χαρακτηριστικές ιδιότητες του γραφίτη ως εξής:

1. Γλιστερή φύση: Τα διαδοχικά στρώματα στον γραφίτη συνδέονται με ασθενείς δυνάμεις Van der Waals, που επιτρέπουν την ολίσθηση ενός στρώματος πάνω στο άλλο. Αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει επίσης τη διάσπαση της δομής κατά μήκος των γραμμών των επιπέδων. Κατά συνέπεια, ο μαύρος μόλυβδος είναι μαλακός και γλιστερός.
2. Λαμπερό: Ο γραφίτης περιέχει αποτοπισμένα ηλεκτρόνια που μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα από διαφορετικά στρώματα του πλέγματος γραφίτη, προκαλώντας ανάκλαση οποιουδήποτε φωτός προσπίπτει σε αυτά. Καθώς αυτή η αντανάκλαση είναι κατοπτρική και δεν είναι διάχυτη, η επιφάνεια φαίνεται γυαλιστερή ή λαμπερή.
3. Υψηλό σημείο τήξης: Τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώμα συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, εξαιτίας των οποίων το σημείο τήξης του γραφίτη είναι υψηλό, περίπου 3500°C.
4. Αγωγιμότητα: Κάθε άνθρακας στον γραφίτη είναι υβριδισμένος sp2. Έτσι, ένα ηλεκτρόνιο σθένους κάθε ατόμου άνθρακα είναι ελεύθερο να μετακινηθεί από το ένα σημείο στο άλλο. Τα μη υβριδισμένα τροχιακά που περιέχουν ένα ηλεκτρόνιο το καθένα επικαλύπτονται πλευρικά για να σχηματίσουν δεσμούς στην ίδια στιβάδα. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αποεντοπίζονται και κινούνται υπό την επίδραση θερμικών και ηλεκτρικών πεδίων. Έτσι, κάνει καλό θερμικό και ηλεκτρικό αγωγό.
5. Χαμηλή πυκνότητα: Η πυκνότητά του είναι 2,26 g/cm3, η οποία είναι μεγαλύτερη από αυτή του διαμαντιού λόγω της μεγάλης απόστασης μεταξύ των διαδοχικών στρωμάτων.
6. Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής: Ο γραφίτης έχει έναν εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να θερμανθεί και να εκτεθεί σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να διαστέλλεται τόσο πολύ. Διατηρεί τη μορφή και τη δύναμή του σε υψηλές θερμοκρασίες.
7. Ο γραφίτης εμφανίζει χαμηλή προσρόφηση ακτίνων Χ και νετρονίων.
8. Οι χημικοί δεσμοί στο μαύρο μόλυβδο είναι ισχυρότεροι από αυτούς που αποτελούν τα διαμάντια.

Χημικές ιδιότητες του γραφίτη

Ακολουθούν οι χημικές ιδιότητες του γραφίτη:

1. Σε τυπική θερμοκρασία και πίεση, ο γραφίτης είναι γενικά ένα αδρανές υλικό.
2. Δεν αντιδρά γρήγορα με το νερό.
3. Ο γραφίτης είναι επίσης εξαιρετικά πυρίμαχος – ανθεκτικός στη χημική επίθεση, τη θερμότητα και την πίεση.
4. Όταν ο γραφίτης εκτίθεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και ισχυρές οξειδωτικές ατμόσφαιρες, υφίσταται οξείδωση και αποσύνθεση. Καίγεται στον αέρα στους 700°C για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα.

C + ½ O2 → CO

C + O2 → CO2

1. Σε χύμα, είναι άφλεκτο αλλά εύφλεκτο.
2. Δρα ως αναγωγικός παράγοντας. Έχει βίαιες αντιδράσεις με το φθόριο, το διοξείδιο του χλωρίου και το υπεροξείδιο του καλίου, που είναι πολύ ισχυροί οξειδωτικοί παράγοντες.

Χρήσεις γραφίτη

Οι ιδιότητες του γραφίτη τον καθιστούν ένα μοναδικό υλικό που έχει εκτεταμένη χρήση στα ακόλουθα πεδία:-

• Λόγω της μαλακής και ολισθηρής φύσης του γραφίτη, χρησιμοποιείται ως γράσο, ένας τύπος λιπαντικού.
• Λόγω της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του, ο γραφίτης αντανακλάται στην κατασκευή ηλεκτροδίων για ηλεκτρικούς κλιβάνους.
• Το υψηλό σημείο τήξης του γραφίτη τον καθιστά κατάλληλο για την κατασκευή χωνευτηρίων για την τήξη μετάλλων. Χρησιμοποιείται επίσης σε συστήματα πυροπροστασίας με τη μορφή πλακών γραφίτη.
• Ο γραφίτης επισημαίνεται ως εξαιρετικό υλικό για ψύκτες θερμότητας, ανθρακονήματα και εναλλάκτες θερμότητας λόγω της θερμικής αγωγιμότητας και του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής.
• Ο γραφίτης αφήνει ένα μαύρο σημάδι στο χαρτί εξαιτίας του οποίου χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή καλωδίων μολυβιών.

• Οι μηχανικές ιδιότητες του γραφίτη σε υψηλές θερμοκρασίες και η χημικά αδρανής φύση του τον καθιστούν πολύ πολύτιμο σε πυρηνικές εφαρμογές. Χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ως επιβραδυντές για την επιβράδυνση της ταχύτητας των νετρονίων.

Συμπέρασμα

Η μοναδικότητα του γραφίτη μπορεί να αποδοθεί στην κρυσταλλική του δομή. Ο γραφίτης, ή μαύρος μόλυβδος, είναι ένα γκριζωπό μαύρο αδιαφανές ομοιοπολικό κρυσταλλικό στερεό κατασκευασμένο αποκλειστικά από άνθρακα. Αν και δεν είναι μεταλλικός, ο γραφίτης έχει μεταλλική λάμψη και είναι ολισθηρός. Έχει χαμηλή πυκνότητα, υψηλό σημείο τήξης και είναι συντελεστής θερμικής διαστολής. Σε αντίθεση με άλλα αμέταλλα, έχει υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Χημικά, ο γραφίτης είναι αδρανής, ανθεκτικός στη θερμότητα, την πίεση και δεν αντιδρά με το νερό ή τον αέρα σε τυπική θερμοκρασία. Ωστόσο, σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και ισχυρές οξειδωτικές ατμόσφαιρες, ο γραφίτης υφίσταται οξείδωση για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα. Σε χύδην μορφή, είναι άφλεκτο αλλά εύφλεκτο. Δρα ως αναγωγικός παράγοντας, αντιδρώντας βίαια με ισχυρούς οξειδωτικούς παράγοντες.

Λόγω των ευδιάκριτων ιδιοτήτων του, ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως λιπαντικό στην κατασκευή μολυβιών, ηλεκτροδίων για ηλεκτρικούς κλιβάνους, υψηλές θερμικές εφαρμογές, στη βιομηχανία χάλυβα και γυαλιού και σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.