Grafit – kolens allotrop: egenskaper, användning och förekomst

Grafit – kolens allotrop: läs om egenskaper, användning och förekomst. Struktur, ledningsförmåga, smörjning, pennbly och gruvor i Kina, Sri Lanka och Kanada.

Grafit är liksom diamant en allotrope av kol. Atomerna sitter i plana, sexkantiga ringar (honeycomb-struktur) bundna med starka kovalenta bindningar inom varje lager, medan lagren hålls ihop av svagare van der Waals-krafter. Detta gör att lagren lätt kan glida över varandra, vilket ger grafit dess mjukhet och smörjande egenskaper. De delokaliserade elektronerna i skikten rör sig fritt i planen, vilket ger god ledningsförmåga för elektricitet i planet men betydligt sämre i riktningen tvärs över lagren. Grafit är dessutom en utmärkt värmeledare i lagrets plan och har hög smält- och sublimeringspunkt under inert atmosfär.

Struktur och fysikaliska egenskaper

Grafit är uppbyggt av platta lager av sp2-hybridiserade kolatomer i hexagonala nätverk. Avstånden mellan atomer i planet är mycket korta, medan avståndet mellan lagren är större (ungefär 3,35 Å). Den anisotropa strukturen ger:

• Hög elektrisk och termisk ledningsförmåga i lagrens plan.
• Låg hårdhet och lätt skivning mellan lagren — därför kännetecknas grafit av en matt gråsvart yta och ger svarta spår (används i skrivdon).
• Hög kemisk stabilitet vid rumstemperatur, men brännbart eller oxiderande vid mycket höga temperaturer i närvaro av syre.

Bildning, syntes och omvandling

Grafit bildas naturligt under geologiska förhållanden med höga temperaturer och tryck; kolrika sediment kan metamorfosera till grafit. Grafit kan också förvandlas till diamant med tillräcklig värme och tryck. Det är samma princip som utnyttjas vid framställning av syntetiska (konstgjorda) diamanter i laboratorier och industriella processer.

Industriellt tillverkas också syntetisk grafit genom grafitisering av koks (t.ex. petroleumkoks) vid temperaturer över 2500 °C. Denna process används för att producera högpuritetsgrafit för elektrokemiska och kärntekniska tillämpningar.

Förekomst och produktion

Den största delen av grafiten som bryts kommersiellt kommer från gruvor i nordöstra Kina. Den finns också i Sri Lanka, Kanada och USA. Naturlig grafit kan förekomma i form av flakgrafit, lumpgrafit eller amorf grafit, beroende på krystalinitet och avlagringsförhållanden. För tekniska tillämpningar används ofta syntetisk grafit för att få kontrollerade egenskaper.

Grafit har historiskt kallats bly svart eftersom den liknar metallen bly i utseende. Namnet gavs av Abraham Gottlob Werner 1789 med ursprung i det grekiska språket.

Användningsområden

Grafits goda egenskaper gör den användbar i många industrier:

• Som smörjmedel i form av pulver eller beläggningar — lagrens lätt att glida gör grafit till ett effektivt torr- eller högtemperatur-smörjmedel (smörjmedel för att få mekaniska apparater att fungera smidigare).
• Som "bly" i blyertspenna — penneblyet är en blandning av grafit och lera där andelen grafit bestämmer hårdheten (t.ex. HB-systemet).
• Elektroder i elektriska bågugnar, batterianslutningar och andra elektrokemiska tillämpningar tack vare god ledningsförmåga och värmetålighet.
• Refraktärmaterial och formmaterial i metallurgi och gjuterier på grund av hög värmetålighet och kemisk stabilitet.
• Grafit med hög renhet används som neutronmoderator i vissa kärnreaktorer, t.ex. RBMK- och AGR-reaktorer, där materialets låga neutronabsorption är viktigt.
• Moderna tillämpningar inkluderar grafen (enkelt lager grafit) för elektronik, kompositer, sensorer och forskning på nano-skala.

Hälsa, säkerhet och miljö

Ren grafit är generellt lågtoxisk, men finfördelade partiklar och damm kan irritera andningsorganen och långvarig exponering kan ge pneumokoniosliknande effekter. Vid hantering i industriella miljöer används därför dammkontroll, lokalutsug och personlig skyddsutrustning. Vid förbränning i närvaro av syre kan grafit oxidera och avger koldioxid. Återvinning av grafit från batterier och elektroder blir allt viktigare ur miljösynpunkt.

Sammanfattning

Grafit är en av kolens viktiga allotroper med unika elektriska, termiska och mekaniska egenskaper tack vare sin lagerstruktur och delokaliserade elektroner. Dess mjukhet, ledningsförmåga och värmetålighet gör den oumbärlig i många industrisektorer — från pennor och smörjmedel till högteknologiska tillämpningar och kärnteknik.

Frågor och svar

F: Vad är grafit?

F: Hur bildas grafit?

F: Varifrån kommer det mesta av grafit?

F: Vad har grafit fått sitt namn efter?

F: Vilka är några vanliga användningsområden för grafit?

Fråga: Kan man förvandla grafit till diamant?

Sök med bokstav