Γραφίτης

Ο γραφίτης, που ονομάζεται επίσης μαύρος μόλυβδος, είναι μια κρυσταλλική μορφή άνθρακα, που εμφανίζεται συνήθως σε μεταμορφωμένα πετρώματα ως νιφάδες ή κρυσταλλικά στρώματα. Ο γραφίτης σχηματίζεται λόγω της μεταμόρφωσης των ανθρακούχων ιζημάτων. Στη φύση, βρίσκεται επίσης σε πυριγενή πετρώματα, μετεωρίτες και στο ορυκτό plumbago. Είναι ένα ομοιοπολικό στερεό του οποίου τα συστατικά άτομα άνθρακα συγκρατούνται σταθερά με ομοιοπολικούς δεσμούς. Συνήθως, τα ομοιοπολικά στερεά είναι σκληρά και ισχυρά. Ωστόσο, ο μαύρος μόλυβδος είναι μαλακός λόγω της δομής του. Είναι η πιο σταθερή μορφή άνθρακα και όταν υποβάλλεται σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία, μπορεί να μετατραπεί σε διαμάντι, αλλά χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια.

Ο κύριος παραγωγός μαύρου μολύβδου παγκοσμίως είναι η Κίνα, ακολουθούμενη από το Μεξικό και τον Καναδά. Τα αποθέματα μαύρου μολύβδου της Κίνας είναι τα δεύτερα μεγαλύτερα παγκοσμίως, με το πρώτο να είναι αυτό της Τουρκίας. Αυτός ο μαύρος μόλυβδος βρίσκεται στο Τζαμού και Κασμίρ, στο Ρατζαστάν, στην Ορίσα, στη Δυτική Βεγγάλη και στο Μπιχάρ στην Ινδία.

Επισκόπηση:Εισαγωγή στη δομή 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, σχηματίζοντας εξαγωνικούς πλανητικούς δακτυλίους σε ένα μόνο στρώμα. Το τελευταίο ηλεκτρόνιο ελεύθερου σθένους κάθε ατόμου είναι ελεύθερο να κινείται μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων. Το μήκος του ομοιοπολικού δεσμού άνθρακα-άνθρακα είναι 141,5 μ.μ. στους δακτυλίους, υποδηλώνοντας ισχυρό δεσμό. Έτσι, ο μαύρος μόλυβδος έχει δισδιάστατους πολυμερικούς 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 σημαντική απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών στρωμάτων δεν επιτρέπει το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών. Τα διαδοχικά στρώματα μπορούν να γλιστρήσουν το ένα πάνω στο άλλο και συγκρατούνται μεταξύ τους από ασθενείς δυνάμεις van der Waals.

Τεχνητή προετοιμασία

Ο γραφίτης στην καθαρή του μορφή μπορεί να παρασκευαστεί τεχνητά με θέρμανση σε σκόνη οπτάνθρακα αναμεμειγμένη με λίγη άμμο και οξείδιο σιδήρου (III) σε ηλεκτρικό φούρνο σε θερμοκρασία 3000 ℃

Μπορεί να παρασκευαστεί χρησιμοποιώντας σακχαρόζη, θειικό οξύ και διττανθρακικό νάτριο στο εργαστήριο.

Χημικές και φυσικές ιδιότητες

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

• Γλιστερή φύση – Οι αδύναμες δυνάμεις του van der Waals συνδέουν τα διαδοχικά στρώματα στον γραφίτη. Επιτρέπει την ολίσθηση ενός στρώματος πάνω από ένα άλλο. Αυτό επιτρέπει επίσης τη διάσπαση της δομής κατά μήκος των γραμμών των επιπέδων. Κατά συνέπεια, ο μαύρος μόλυβδος είναι μαλακός και ολισθηρός και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως λιπαντικό.
• Υψηλό σημείο τήξης – Τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώμα συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, λόγω των οποίων το σημείο τήξης είναι υψηλό, περίπου 3500℃
• 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 μετατοπισμένα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται υπό την επίδραση θερμικών και ηλεκτρικών πεδίων. Έτσι, κάνει καλό αγωγό θερμότητας και ηλεκτρισμού.
• Χαμηλή πυκνότητα – Η πυκνότητά του είναι 2,26 g/cm3, που είναι υψηλότερη από το διαμάντι λόγω της σημαντικής απόστασης μεταξύ των διαδοχικών στρωμάτων.
• Οι χημικοί δεσμοί στον γραφίτη είναι ισχυρότεροι από αυτούς που αποτελούν ένα διαμάντι. Ο μαύρος μόλυβδος είναι επίσης πολύ ανθεκτικός σε χημικές επιθέσεις και αυτολιπαίνεται.
• Καίει στον αέρα στους 700℃ για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα.

Σε χύμα, είναι άφλεκτο αλλά εύφλεκτο.

1. Ο γραφίτης δεν αντιδρά γρήγορα με το νερό ή τον αέρα. Έχει μια βίαιη αντίδραση με το φθόριο, το διοξείδιο του χλωρίου και το υπεροξείδιο του καλίου, ισχυρούς οξειδωτικούς παράγοντες.

Γραφένιο

Το γραφένιο είναι ένα αλλοτρόπο άνθρακα που σχηματίζεται από ένα μόνο στρώμα γραφίτη, το «μητρικό υλικό». Αποτελείται από ένα στρώμα από sp2 υβριδισμένα άτομα άνθρακα συνδεδεμένα ομοιοπολικά σε μια δομή εξαγωνικού πλέγματος. Οι ιδιότητες του γραφενίου ξεπερνούν το μητρικό του υλικό καθώς είναι το ισχυρότερο υλικό στο γνωστό σύμπαν, σαράντα φορές ισχυρότερο από το διαμάντι, εξαιρετικός αγωγός θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας. Το 2003, ανακαλύφθηκε ότι το Graphene έχει πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στη νανοτεχνολογία, τη βιοτεχνολογία, τους οπτικούς αισθητήρες και άλλες χρήσεις.

Χρήσεις

• Με βαζελίνη για να σχηματιστεί μαύρο γράσο μολύβδου, λιπαντικό.
• Για την κατασκευή ηλεκτροδίων ηλεκτρικών κλιβάνων.
• Για την κατασκευή χωνευτηρίων για την τήξη μετάλλων λόγω του υψηλού σημείου τήξης του.
• Για την κατασκευή βουρτσών άνθρακα για ηλεκτρικούς κινητήρες 
• Για την κατασκευή καλωδίων μολυβιού επειδή μπορεί να σημαδέψει μαύρο χρώμα στο χαρτί (τα καλώδια μολυβιού παράγονται με ανάμειξη μαύρου μολύβδου με μεταβλητές ποσότητες πηλού).
• Χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ως συντονιστές για την επιβράδυνση της ταχύτητας των νετρονίων.
• Χρησιμοποιείται για την κατασκευή γραφενίου, του ισχυρότερου υλικού στο γνωστό σύμπαν, με πολλές υποσχόμενες νανοτεχνολογίες και βιοϊατρικές εφαρμογές.
• Ως τυπική κατάσταση για τον ορισμό του σχηματισμού θερμότητας των ενώσεων άνθρακα, βρίσκει γενικά χρήση στη θερμοχημεία.

Συμπέρασμα

Ο γραφίτης, ή μαύρος μόλυβδος, είναι ένα γκριζωπό μαύρο αδιαφανές ομοιοπολικό κρυσταλλικό στερεό κατασκευασμένο από άνθρακα. Βρίσκεται φυσικά ανάμεσα σε μεταμορφωμένα πετρώματα και μπορεί να παρασκευαστεί τεχνητά χρησιμοποιώντας άμμο και κοκ σε σκόνη. Έχει δισδιάστατη δομή, με ομοιοπολικά συνδεδεμένα άτομα άνθρακα σε εξαγωνικούς επίπεδους δακτυλίους που σχηματίζουν τα στρώματά του, και ασθενείς δυνάμεις van der Waals κρατούν τα γειτονικά στρώματα μαζί.

Λόγω της δομής του, ο μαύρος μόλυβδος είναι μαλακός και ολισθηρός, έχει υψηλό σημείο τήξης, είναι καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού, έχει υψηλή χημική αντοχή και χαμηλή πυκνότητα. Παραδείγματα γραφίτη είναι το λιπαντικό, οι αγωγοί μολυβιού, το ηλεκτρόδιο για ηλεκτρικούς κλιβάνους και το πιο πολλά υποσχόμενο, ισχυρότερο υλικό στο σύμπαν, το γραφένιο.