Grafit – definice, vlastnosti, výroba a použití

Grafit: definice, klíčové vlastnosti, průmyslová výroba a praktické použití — od tužek a maziv po jaderné reaktory a průmyslové aplikace.

Definice a struktura

Grafit je, stejně jako diamant, alotropem uhlíku. Na rozdíl od diamantu má ale jinou vnitřní strukturu: atomy uhlíku jsou v grafitu vázány v rovinách do šestičlenných kruhů připomínajících síť grafenu. Každý atom je v těchto rovinách vázán třemi sousedy (sp2 hybridizace) a mezi vrstvami jsou delokalizované π-elektrony, což vysvětluje, proč grafit snadno vede elektrický proud v rovině vrstev.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Vrstevnatá struktura způsobuje, že jsou jednotlivé plochy mezi sebou drženy jen slabými van der Waalsovými silami, takže se vrstvy mohou navzájem snadno posouvat. To dává grafitu jeho typickou měkkost a mazací vlastnosti. Vzhledově je matně šedý až kovově lesklý, proto se mu lidově říká olověná čerň (vypadá podobně jako olovo), a tradičně se nesprávně označuje jako „olovo“ v tužce.

Mezi další důležité vlastnosti patří:

• vysoká elektrická vodivost v rovině vrstev a výrazná anizotropie vodivosti napříč vrstvami,
• dobrá tepelná vodivost v rovině vrstev,
• chemická odolnost vůči mnoha činidlům za normálních podmínek a stabilita při vysokých teplotách v inertní atmosféře (grafit sublimuje při velmi vysokých teplotách),
• nízká tvrdost (na Mohsově stupnici přibližně 1–2) a hustota kolem 2,2 g·cm−3.

Výroba a výskyt

Grafit může vznikat přeměnou organických látek (např. uhlí) vystavených vysokému žáru a tlaku v geologických procesech, proto se vyskytuje jako přírodní minerál a těží se v dolech. Většina grafitu pochází z dolů v severovýchodní Číně. Nachází se také na Srí Lance, v Kanadě a ve Spojených státech.

Průmyslově se grafit vyrábí i synteticky: amorfní uhlíkaté materiály (koks, grafitizované formy uhlí) se zahřívají v elektrických pecích na velmi vysoké teploty (několik tisíc °C) za vzniku umělého grafitu. Moderní metody zahrnují i chemické způsoby přípravy grafenových vrstev nebo techniky jako CVD (chemical vapor deposition) pro tenké vrstvy.

Grafit lze také přeměnit na diamant při podmínkách vysokého tlaku a teploty — to je základ metody pro výrobu syntetických diamantů (HPHT proces). Název „grafit“ zavedl Abraham Gottlob Werner v roce 1789; slovo pochází z řečtiny.

Použití

Díky svým vlastnostem má grafit široké spektrum využití:

• jako mazivo: jemné částice grafitu se používají jako suché mazivo pro hladší chod mechanických zařízení, zejména tam, kde není vhodné tekuté mazivo,
• ve tužce: „olovo“ v tužkách je směs grafitu a jílu, nikoli olova,
• elektrotechnické aplikace: elektrody, kartáče do elektromotorů, součásti baterií (anody v lithium-iontových článcích) a další vodivé komponenty,
• vysokoteplotné aplikace: výroba tavicích kelímků, žáruvzdorných forem a obkladů pro vysokoteplotní pece,
• průmyslové procesy: elektrodický materiál v elektrickém tavení, grafitová výplň v kompozitech a jako plnivo pro zlepšení vodivosti,
• jadernictví: vysoce čistý grafit se používá jako moderátor neutronů v některých jaderných reaktorech, jako jsou modely RBMK a AGR, protože při správné čistotě účinně zpomaluje neutrony a má nízkou pravděpodobnost pohlcení neutronů.

Bezpečnost a životní prostředí

Při zpracování grafitu vzniká prach, který může při dlouhodobém vdechování představovat zdravotní riziko (především u pracovníků v těžbě a zpracování). Je tedy důležité dodržovat preventivní opatření, jako je odsávání prachu, používání ochranných prostředků a kontrola expozice. Grafit jako materiál není toxický ve smyslu chemického působení, avšak jemný prach je dráždivý a při nekontrolovaném spalování může být prašný odpad hořlavý.

Souhrn

Grafit je všestranný allotrop uhlíku s charakteristickou vrstevnatou strukturou, která mu propůjčuje měkkost, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost v rovině vrstev a vynikající teplotní stabilitu. Nachází uplatnění v tradičních i moderních technologiích — od tužek přes maziva a elektrody až po kritické komponenty v jaderných reaktorech. Díky různým výrobním postupům existuje jak přírodní, tak široce použitý syntetický grafit.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to grafit?

Otázka: Jak grafit vzniká?

Otázka: Odkud pochází většina grafitu?

Otázka: Podle čeho byl grafit pojmenován?

Otázka: Jaké je běžné použití grafitu?

Otázka: Lze z grafitu vyrobit diamant?

Hledání podle dopisu