Grafit: definícia, vlastnosti a použitie alotropu uhlíka

Grafit — alotrop uhlíka: vlastnosti, štruktúra a použitie od ceruziek a mazív po vodivý materiál a jadrové reaktory. Objavte jeho využitie.

Grafit je, rovnako ako diamant, alotrop uhlíka. Oba materiály sú zložené výhradne z atómov uhlíka, no líšia sa usporiadaním týchto atómov v kryštalickej štruktúre, čo výrazne ovplyvňuje ich chemické a fyzikálne vlastnosti. Grafit tvorí súvislé vrstvy uhlíkových atómov v hexagonálnych sieťach; v rámci vrstvy sú atómy spojené pevnými kovalentnými väzbami (sp2), medzi vrstvami pôsobia slabé van der Waalsove sily. V dôsledku toho sú vrstvy ľahko posúvateľné jedna voči druhej, čo dáva grafitu jeho typickú mäkkosť a mazateľnosť.

Delokalizované elektróny v rámci uhlíkových vrstiev zabezpečujú, že grafit veľmi dobre vedie elektrický prúd pozdĺž vrstiev, zatiaľ čo priečne (medzi vrstvami) je vodivosť výrazne menšia. Tento anizotropný charakter platí aj pre prenos tepla — grafit dobre vedie teplo v rovine vrstiev. Má matný sivý až čierno-sivý vzhľad a nízku hustotu v porovnaní s kovmi.

Grafit sa prirodzene vyskytuje v rôznych formách: vločkový (flake), žilný (vein), kusový (lump) a amorfný (priemyselný). Z grafitu možno použiť jednotlivé vrstvy (jednovrstvový uhlík) — tzv. graphene — ktoré majú výnimočné mechanické a elektrické vlastnosti a sú predmetom intenzívneho výskumu a priemyselného využitia.

Grafit sa môže tvoriť metamorfózou uhlia vystaveného vysokému teplu a tlaku v zemskej kôre. Pri ešte vyšších teplotách a tlakoch je možné uhlík usporiadať do štruktúry diamantu; podobné podmienky a techniky (vysokotlaké vysokoteplotné HPHT procesy) sa používajú pri výrobe syntetických (umelých) diamantov. Syntetický grafit sa zase vyrába z uhlíkových predlôh procesmi grafitizácie pri vysokých teplotách.

Hlavné ložiská prírodného grafitu sú v severovýchodnej Číne; významné náleziská sú tiež na Srí Lanke, v Kanade a v Spojených štátoch. Názov materiálu pochádza z gréčtiny a do modernej geológie ho v roku 1789 zaviedol Abraham Gottlob Werner; preto sa grafit niekedy označuje aj ako olovnato čierny, pretože svojím vzhľadom a leskom pripomína kovové olovo.

Využitie grafitu je veľmi široké:

• Najbežnejšie v každodennom živote je využitie ako „olovo“ v ceruzke, kde sa grafit mieša s hlinkou (ílom) na dosiahnutie požadovanej tvrdosti stopy.
• Grafit sa používa ako mazivo na zabezpečenie hladšieho chodu mechanických zariadení, najmä tam, kde by kvapalné mazivá neboli vhodné (vysoké teploty, vákuum).
• Vysokočistý grafit sa používa ako neutrónový moderátor v niektorých jadrových reaktoroch, ako sú RBMK a AGR, kde spomaľuje neutróny a umožňuje udržanie reaktivity paliva.
• Priemyselné použitie zahŕňa elektródy do oblúkových pecí, taviace kelímky a výmurovky odolné voči vysokým teplotám (refraktárne materiály), brzdové a trenie diely, tesniace materiály a kontakty v elektrických aplikáciách.
• V moderných technológiách je grafit dôležitý ako anódový materiál v lítiových batériách, ako súčasť kompozitných materiálov pre letecký a automobilový priemysel a ako výchozí materiál pri výrobe grafénu a ďalších uhlíkových nanomateriálov.

Bezpečnosť a životné prostredie: pri spracovaní grafitu môže jemný prach predstavovať riziko pri vdýchnutí (chronické expozície môžu viesť k pľúcnym ochoreniam); preto v priemyselných podmienkach platia ochranné opatrenia (odsávanie, ochranné masky). Samotný grafit je chemicky pomerne inertný pri bežných podmienkach, ale pri vysokých teplotách sa môže oxidovať na CO alebo CO2. Ťažba a spracovanie grafitu majú environmentálne dopady, ktoré sa snažia zmierniť recykláciou a zlepšenými ťažobnými postupmi.

Zhrnutie: Grafit je všestranný alotrop uhlíka s jedinečnou vrstvenou štruktúrou, ktorá mu dáva kombináciu dobrého elektrického a tepelnému vodivosti v rovine vrstiev, mechanickej mazateľnosti a odolnosti voči vysokým teplotám. Vďaka týmto vlastnostiam má široké spektrum využitia od jednoduchých ceruziek až po kľúčové priemyselné a technologické aplikácie.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to grafit?

Otázka: Ako vzniká grafit?

Otázka: Odkiaľ pochádza väčšina grafitu?

Otázka: Podľa čoho bol grafit pomenovaný?

Otázka: Aké sú niektoré bežné spôsoby použitia grafitu?

Otázka: Dá sa z grafitu vyrobiť diamant?

Hľadajte podľa písmena