خواص گرافیت

گرافیت یک ماده معدنی متشکل از کربن است. گرافیت در لایه های افقی با حلقه های شش اتم کربن ساخته شده است و این صفحات به هم نزدیک نیستند.

ارزش گرافیت در بسیاری از چیزها، از گریس گرفته تا علم فانتزی، استفاده می شود و بر حوزه های مختلف تأثیر می گذارد.

ساختار اتمی گرافیت

ترتیب کربن

لانه زنبوری را تصور کنید که از موم ساخته نشده و فقط از اتم کربن ساخته شده است! ساختار اتمی گرافیت ماهیت بنیادی آن است.

هر اتم کربن در یک لایه به شدت به سه اتم دیگر متصل می شود و یک شبکه قوی ایجاد می کند. هر اتم کربن با خوشحالی در وسط یک دایره شش ضلعی قرار می گیرد و صفحات شش ضلعی زیادی را می سازد که برای همیشه ادامه می یابند.

این تنظیم که هیبریداسیون sp² نامیده می شود، به هر اتم کربن اجازه می دهد تا سه پیوند کووالانسی قوی با همسایگان نزدیک خود ایجاد کند. این یک الکترون اضافی باقی می گذارد که می تواند در سراسر صفحه حرکت کند. این الکترون های آزاد برای بسیاری از ویژگی های منحصر به فرد گرافیت ضروری هستند.

پیوند دادن

بر خلاف الماس، که در آن هر اتم کربن چهار پیوند قوی ایجاد می کند تا آنها را به شکل جعبه سفت در کنار هم نگه دارد، اتصالات گرافیت به یک طرف اشاره دارد. نیروهای ضعیف بین لایه‌ها اجازه می‌دهند مانند پنکیک‌های روی سینی از کنار آن‌ها بگذرند.

این اتصال منحصر به فرد همچنین نشان می دهد که چرا گرافیت می تواند الکتریسیته را هدایت کند. الکترون‌های آزاد می‌توانند به راحتی از طریق صفحات حرکت کنند، بنابراین انتخاب مناسبی برای باتری‌ها و الکترودها است.

مقایسه با سایر آلوتروپ ها

بر خلاف سختی الماس، گرافیت دارای لایه هایی است که خم می شوند. این نشان می دهد که کربن چگونه می تواند به شکل یا شکل متفاوت باشد (آلوتروپ). در حالی که یک الماس به صورت چهار ضلعی کنار هم قرار می گیرد و هر اتم کربن به چهار اتم دیگر متصل است، ساختار شش ضلعی گرافیت به آن اجازه می دهد خواص متفاوتی داشته باشد. با نگاهی به گرافیت و فولرن ها، شکل گرد فولرن ها با نحوه تشکیل گرافیت از لایه ها بسیار متفاوت است.

خواص فیزیکی گرافیت

رنگ و ظاهر

رنگ گرافیت از ظاهر فلزی براق تا سایه خاکستری تیره متغیر است. ظاهر منحصر به فرد آن باعث می شود که در مصارف مختلف جذاب تر و به راحتی قابل تشخیص باشد. این رنگ منحصر به فرد برای مدادها عالی است و باعث می شود تصاویر و نقاشی ها عمیق تر و هیجان انگیزتر به نظر برسند.

چگالی و وزن مخصوص

Even though it’s strong, graphite is surprisingly lighter compared with metal. The density of graphite is about approximately 1.7 g/cm³.  Its many layers and open rooms let it stay on top in water. It also feels as light as a feather when you touch it. Because it’s not heavy, it is perfect for uses where weight is essential, such as airplane pieces and sports gear.

نقطه ذوب و جوش

اگرچه گرافیت در حمل گرما عالی است، اما برای نرم شدن و تبدیل شدن به مایع به دمای 3500 درجه سانتیگراد نیاز دارد. این نقطه ذوب بالا برای مصارف گرم مانند چیزهایی که در ریخته گری و حتی بخش هایی از راکتورهای هسته ای ساخته می شوند، عالی است. به داشتن یک مداد در یک آتشفشان فکر کنید، گرافیت اینگونه می تواند داغ شود.

رسانایی (الکتریکی و حرارتی)

توانایی گرافیت در هدایت الکتریسیته و گرما ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. الکترون های متحرک در لایه های آن به راحتی گرما و الکتریسیته را به اشتراک می گذارند.

این آن را به ابزاری آسان برای شارژ باتری ها، گرم کردن اشیا و حتی کار با صفحه نمایش لمسی تبدیل می کند. تصور کنید که گوشی شما در حال حرکت است، این عملکرد نرم به دلیل رسانایی گرافیت است.

خواص روانکاری

لایه‌های گرافیت به آن اجازه می‌دهند به راحتی بین لایه‌ها حرکت کنند و آن را روان‌کننده‌ای عالی می‌کنند. این باعث محبوبیت آن در مواردی می شود که لغزش کمتر و حرکت صاف مهم است. این آن را برای قفل، چرخ و حتی مداد عالی می کند.

ساختار کریستالی گرافیت

چیدمان شبکه شش ضلعی

اتم‌های کربن گرافیت در یک الگوی شش ضلعی در لایه‌های مسطح قرار گرفته‌اند. این ساختار را زیبا و محکم می کند. این تنظیم به خاص شدن گرافیت کمک می کند، مانند توانایی آن در هدایت الکتریسیته و خاصیت لغزنده.

لایه ها و نیروهای بین مولکولی

صفحات گرافیت، مانند قطعات روی هم، استحکام خمشی و حرکت شگفت انگیزی دارند زیرا اتصالات ضعیف بین مولکول ها آنها را به هم نگه می دارد. این نیروها به لایه ها کمک می کنند تا به راحتی یکی روی دیگری حرکت کنند. این باعث می شود گرافیت به روشی منحصر به فرد عمل کند که می تواند در مشاغل مختلف استفاده شود.

خواص مکانیکی گرافیت

قدرت و سختی

گرافیت قوی و سخت است که باعث می شود برای بسیاری از مصارف دوام زیادی داشته باشد. ساختار قوی آن دارای لایه های زیادی است. هر پیوند بین دو اتم کربن در یک ورقه قوی است و تحت فشار کنار هم می‌ماند.

انعطاف پذیری و کشش

اگرچه الماس سخت است و به راحتی می شکند، لایه های ویژه گرافیت آن را به طرز شگفت انگیزی خم می کند.

گرافیت به راحتی کشیده و خم می شود و شکستن آن را در موقعیت های مختلف سخت می کند. این انعطاف‌پذیری به محافظت در برابر فشار یا آسیب هنگام حرکت وسایل کمک می‌کند. نیروهای ضعیف بین ورق ها به آنها اجازه می دهد بدون شکستگی خم شوند و بپیچند. این آن را برای واشرها، گریس ها و حتی ضربه گیرها عالی می کند.

طبیعت ناهمسانگرد

گرافیت ماده متوسط شما نیست. ویژگی‌های آن بر اساس اینکه شما به روش‌های مختلف هل می‌دهید یا می‌کشید تغییر می‌کند. در امتداد خطوط قوی و محکم است اما ضعیف است و به راحتی بین آنها می لغزد. این ویژگی "یک طرفه" برای استفاده هایی که به جزئیات جهت خاص نیاز دارند، مانند قطب نما و پاک کن های الکتریکی، عالی است.

خواص شیمیایی گرافیت

واکنش پذیری با اکسیژن

گرافیت که معمولاً بخش آرامی از دنیای شیمیایی است، وقتی همه چیز داغ است، ممکن است با اکسیژن دچار مشکل شود.

هنگامی که حرارت بیش از 700 درجه باشد، این ماده لایه لایه می شود و به دی اکسید کربن تبدیل می شود. این به تغذیه آتش و نیرو دادن به کوره های بزرگی که اشیا را ذوب می کنند کمک می کند. این ویژگی باعث تقویت مواد و ماندگاری در مکان های مختلف به خصوص در اطراف هوا می شود.

مقاومت در برابر اسیدها و بازها

پیوندهای قوی کربن- کربن و ساختار لایه ای آن توسط اکثر اسیدها و بازها به سختی شکسته می شود.

این آن را برای استفاده هایی مانند دیواره های داخلی راکتورهای شیمیایی و حتی ظروف که می توانند فلزات داغ را تحمل کنند، عالی می کند. این ویژگی باعث بهتر شدن آن در مکان های مضر می شود که به استفاده از انواع بیشتری از چیزها کمک می کند.

اکسیداسیون و خوردگی

گرافیت زمانی که بسیار گرم می شود تغییر زیادی می کند، اما معمولاً در شرایط استاندارد، این تغییر آهسته و پیوسته است.

به آرامی زنگ می زند یا به مرور زمان فرسوده می شود. با گذشت زمان، اکسیژن اطراف آن به تدریج لایه نازکی از دی اکسید کربن را روی سطح آن ایجاد می کند. این فرسودگی آهسته ویژگی های اصلی آن را تغییر نمی دهد و آن را به ماده ای قوی و قابل اعتماد تبدیل می کند.

سوالات متداول

1. چرا از گرافیت به عنوان روان کننده استفاده می شود؟

گرافیت به عنوان یک چیز لغزنده استفاده می شود زیرا لایه های آن می توانند از کنار یکدیگر حرکت کنند. این به این دلیل اتفاق می افتد که نیروهای ضعیف گرافیت را کنار هم نگه می دارند. بنابراین خاصیت لغزنده دارد و به عنوان یک چیز کشویی جامد استفاده می شود.

2. چرا گرافیت می تواند الکتریسیته را حمل کند اما الماس نمی تواند؟

گرافیت یک غیر فلز کمیاب است که می تواند الکتریسیته را حمل کند. در گرافیت، یک اتم کربن به سه اتم کربن دیگر متصل است، و اگر یک نقطه آزاد یا شل وجود داشته باشد که بتواند الکتریسیته را هدایت کند.

3. ویژگی های شیمیایی اصلی گرافیت چیست؟

از آنجا که پیوند بین دو اتم کربن در گرافیت قوی است، نقطه ذوب و جوش بالایی دارد. ما می دانیم که پیوندهای کووالانسی قوی تر از سایر پیوندها هستند.

منابع بیشتر:

گرافیت – منبع: ویکی پدیا

گرافیت-کربن – منبع: BRITANNICA

گرافیت چیست؟ – منبع: BYJUS