Grafiit — definitsioon, omadused ja kasutus
Avasta grafiidi definitsioon, omadused ja praktilised kasutusvõimalused — pehmus, elektrijuhtivus, määrdeaine, pliiatsi täidis ja tuumareaktori neutronmoderaator
Grafiit on sama keemilise elemendi, süsiniku, allotroop, nagu ka teemant. Need allotroopid on üksteisega samast elemendist, kuid molekulide erinevast struktuurist tulenevalt on nende keemilised ja füüsikalised omadused väga erinevad. Grafiit koosneb kihtidest, kus süsinikuaatomid on seotud kolmnurksetes võrkudes (sp2‑hübriidiga). Kihtide vahel on nõrgad Van der Waals’i jõud, mistõttu kihid võivad üksteise peal kergesti libiseda — seetõttu on grafiit pehme ja libe. Värvuselt on grafiit tavaliselt tuhm‑hall kuni must. Tänu kihtide vahel delokaliseeritud elektronidele juhib grafiit hästi elektrit piki kihtide tasandit.
Struktuur ja omadused
Grafiidi peamised omadused lühidalt:
- kihtiline, anisotroopselt juhtiv kristallstruktuur;
- hea elektrijuhtivus ja soojusjuhtivus piki kihte;
- keemiliselt suhteliselt stabiilne, kõrgel temperatuuril õhus oksüdeerub;
- mõõdukalt kõrge sulamistemperatuur (sõltuvalt rõhust ja keskkonnast) ja hea kuumakindlus;
- pehme, libe pind — sobib määrdeainete ja grafiitpulbri kasutusse.
Tekkimine ja tootmine
Grafiit tekib looduslikult kõrge temperatuuri ja rõhu mõjul orgaanilisest ainest, näiteks kivisöest. Teisalt on võimalik sobivate tingimuste korral grafiidist moodustada ka teemant, ning samamoodi valmistatakse kõrge temperatuuri ja rõhuga sünteetilisi teemante. Tänapäeval toodetakse lisaks looduslikule grafiidile ka sünteetilist grafiiti, mis võimaldab täpsemalt kontrollida puhtust ja omadusi tööstuslikeks rakendusteks.
Esinemine
Suurem osa looduslikust grafiidist pärineb Kirde‑Hiinast, kuid leidusid on ka Sri Lankal, Kanadas ning Ameerika Ühendriikides. Grafiiti on rahvapäraselt nimetatud ka pliimustaks, kuna selle välimus meenutab metallilist plii. Nimi anti 1789. aastal Abraham Gottlob Werneri poolt ja pärineb kreeka keelest.
Kasutusalad
Grafiitil on palju praktilisi kasutusi tänu oma elektri- ja soojusjuhtivusele, libedale pinnale ja kuumakindlusele. Peamised kasutusalad:
- Pliiatsid: kõige tuntum kasutus — nii‑öelda "pliiatsipliiats" on tegelikult grafiidist ja savi segust valmistatud südamik; pliiatsi nimetust kasutatakse laialdaselt.
- Määrdeained: grafiiti kasutatakse määrdeainena ja libestina, et muuta mehaaniliste seadmete töö sujuvamaks, eriti kõrgetel temperatuuridel, kus õlil põhinevad määrdeained ebaefektiivsed.
- Elektroodid ja kruvialused: grafeeni‑ ja grafiitseadmed, elektriarukad, metallurgilised elektroodid ja ahjutooted (näiteks kõrgetele temperatuuridele mõeldud küttekambrid).
- Akud ja elektroonika: grafiit toimib anoodina paljudes liitiumioonakudes ja kasutatakse juhtiva täiteainena nii komposiitides kui ka katoodimaterjalides.
- Tuumaenergia: kõrge puhtusastmega grafiiti kasutatakse mõnes tuumareaktoris neutronmoderaatorina, näiteks RBMK‑des ja AGR‑des.
- Muud: piduriklotsid, tihendid, tihendipinnad, komposiitide täitematerjalid ning kõrgtemperatuursed krohvid ja vooderdused.
Ohutus ja keskkond
Üldiselt ei ole grafiit keemiliselt väga toksiline, kuid grafiidipuru ja tolmu sissehingamine võib põhjustada hingamisteede ärritust ning pikaajaline kokkupuude suurtes kontsentratsioonides võib viia kopsuhaigusteni (grafiidi pneumokonioos). Tööstuslikes tingimustes tuleb järgida töökeskkonna ohutusnõudeid: tolmu eemaldamine, isikukaitsevahendid ja ventilatsioon. Grafiidi töötlemisel tekkiv saaste tuleb adekvaatselt käidelda, et vältida tolmu levikut ja vee- ning pinnase saastumist.
Seos teiste materjalidega
Grafiit on lähisugulane molekulaarsel tasandil tuntud materjalile grafeen, mis on üksikute süsinikukihtide monookihi vorm. Grafeenil on erakordsed mehaanilised ja elektrilised omadused ning see on olnud intensiivse teadusuuringu objekt alates selle avastamisest. Grafiiti võib seega pidada grafeeni looduslikuks mitmekihiliseks vormiks.
Kokkuvõtteks — grafiit on mitmekülgne ja praktiline materjal, mille kihiline struktuur määrab tema pehmed, libedad ja hea elektrijuhtivusega omadused ning võimaldab laialdast kasutamist nii lihtsates igapäevatoodetes kui ka kõrgetasemelistes tööstuslikes rakendustes.


Grafiit
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on grafiit?
V: Grafiit on süsiniku allotroop, mis sarnaneb teemandiga. See koosneb süsiniku aatomite kihtidest, mis võivad üksteise peal väga kergesti libiseda, mistõttu on ta pehme ja tuhmalt hall. Samuti juhib see tänu kihtide vahel delokaliseeritud elektronidele hästi elektrit.
K: Kuidas moodustub grafiit?
V: Grafiiti saab moodustada suure kuumuse ja rõhu all olevast kivisöest või seda saab piisava kuumuse ja rõhu all muuta teemandiks. Nii tehakse sünteetilisi teemante.
K: K: Kust pärineb enamik grafiiti?
V: Enamik grafiiti pärineb Hiina kirdeosas asuvatest kaevandustest, kuid seda võib leida ka Sri Lankalt, Kanadast ja Ameerika Ühendriikidest.
K: Mille järgi sai grafiit oma nime?
V: Grafiit sai nime Abraham Gottlob Werner 1789. aastal, mis pärineb kreeka keelest. Seda nimetati ka pliimustaks, sest see näeb välja nagu metall plii.
K: Millised on mõned grafiidi tavalised kasutusalad?
V: Grafiidi tavalised kasutusalad on muu hulgas määrdeaine, mis muudab mehaaniliste seadmete töö sujuvamaks, samuti "plii" pliiatsites (mis on samuti savi). Kõrge puhtusastmega grafiiti kasutatakse ka neutronmoderaatorina mõnes tuumareaktoris, näiteks RBMKs ja AGRides.
K: Kas grafiidist saab teha teemant?
V: Jah, piisava kuumuse ja rõhu korral saab grafiidist teha teemant - nii tehakse sünteetilisi teemante.
Otsige