Grafit

Grafit jako minerał należy do grupy pierwiastków rodzimych. Jest to grupa minerałów występujących w przyrodzie, które to minerały mają budowę jednorodną oraz składają się z atomów tego samego pierwiastka. Grafit jest jedną z odmian alotropowych węgla. Alotropia to szczególny przypadek polimorfizmu znanego jako różnopostaciowość substancji. Sama alotropia to zjawisko występowania dwóch lub większej ilości odmian tego samego pierwiastka z których każda z nich posiada różnice we właściwościach fizycznych bądź chemicznych. W przypadki węgla rozróżnia się pięć podstawowych odmian alotropowych takich jak grafit, diament, grafen oraz fulereny i nanorurki węglowe.

Grafit występuje w postaci minerału i w tej postaci posiada ciemnoszary kolor oraz stan stały. Rysunek poniżej przedstawia grafit amorficzny.

Twardość grafitu w skali Mohsa wynosi 1, można więc powiedzieć, że jest on bardzo miękki. Posiada bardzo dobre przewodnictwo zarówno elektryczne jak i cieplne. Gęstość wynosi w przybliżeniu 2,1 – 2,3 g/cm³ . Charakterystyczną cechą jest wysoka łupliwość oraz tłusta w dotyku powierzchnia.

W skali atomowej grafit zbudowany jest z równoległych warstw co zobrazowane jest na rysunek 2.

Na rysunku powyżej wyraźnie widać, że grafit jest strukturą składającą się z wielu warstw sześcioczłonowych układów cyklicznych. Każda monoatomowa warstwa (grafen), składa się z heksagonalnych pierścieni atomów węgla. Przerwa pomiędzy równoległymi płaszczyznami wynosi 670 pm. Długość wiązania między atomami węgla to 142 pm nanometry, natomiast kąt pomiędzy wiązaniami na płaszczyźnie to 120°. Grafit tworzy wiązania o obszarach zlokalizowanych orbitali π, dzięki czemu posiada wysokie przewodnictwo elektryczne, zostało to przedstawione na rysunku 3.

Między warstwami grafitu występują słabe oddziaływania, co umożliwia łatwe ścieranie kolejnych warstw przy mechanicznym kontakcie grafitu z innym obiektem. Monokryształy grafitu są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego w kierunku równoległym do warstw w przeciwieństwie do kierunku prostopadłego, wykazują więc anizotropie właściwości elektrycznych.

Za tak wyjątkową budową grafitu idzie mnogość jej zastosowań. Grafit składa się z dużej ilości monokryształów co powoduje jego wysoką odporność mechaniczną na ściskanie, lecz niską na rozciąganie i ścinanie. Jest to minerał o dużej twardości i łupliwości, ale ma też dużą tendencję do ścierania. Przykładem zastosowania jest smar na bazie grafitu, maszyny posiadające koła zębate ścierają warstwy grafitu uzyskując dzięki temu efekt supersmarowania czyli minimalizacji zachodzącego tarcia.

---