Che cos'è la grafite e di che cosa è fatta la grafite?

La grafite, in quanto allotropo del carbonio, compare spesso nella vita quotidiana e nella produzione industriale. Che cos'è? È un metallo, un minerale o un elemento? Di che cosa è fatta? Questo articolo esplorerà a fondo la natura della grafite, svelando i suoi strati di segreti. E mostrerà appieno il fascino unico e l'importante valore della grafite nel campo della scienza e delle applicazioni.

Definizione di grafite

La grafite è una forma cristallina del carbonio, che di solito si presenta allo stato solido grigio-nero e opaco, con una singolare lucentezza metallica. Ma a volte ha un'altra forma, quella amorfa, che consiste in disposizioni irregolari di atomi di grafite. La sua consistenza è relativamente morbida e questa morbidezza le permette di lasciare segni evidenti sulla carta. Questa proprietà fa sì che la grafite diventi il componente principale della mina delle matite. In sostanza, la grafite appartiene all'allotropo del carbonio, composto da atomi di carbonio come il diamante, il fullerene e altre sostanze. Tuttavia, il modo in cui gli atomi di carbonio sono disposti in queste sostanze è molto diverso, con conseguenti enormi differenze nelle loro proprietà fisiche e chimiche.

La grafite è un metallo o un minerale?

La grafite non è un metallo, ma un minerale. Il metallo di solito ha una buona conducibilità elettrica, termica, duttilità e altre caratteristiche tipiche. Sebbene la grafite abbia un certo grado di conducibilità elettrica e termica, non ha la duttilità tipica dei metalli. La grafite è un prodotto naturale di complessi processi geologici e risponde alla definizione di minerale. Esiste in natura in rocce e depositi specifici. È un'importante forma di carbonio nel lungo ciclo e nel processo di evoluzione del cerchio terrestre, testimone del movimento e del cambiamento dei materiali all'interno della terra.

La grafite è un elemento?

La grafite non è un elemento, ma una singola sostanza composta da carbonio. Un elemento è un gruppo di atomi che hanno lo stesso numero di cariche nucleari (protoni). La grafite è un'entità materiale formata da un gran numero di atomi di carbonio legati tra loro da specifici legami chimici. Questa sostanza pura composta dagli stessi elementi è chiamata elemento. La grafite è una forma speciale di esistenza del carbonio elementare. Con una struttura cristallina e proprietà fisiche e chimiche uniche, mostra le ricche e diverse proprietà del carbonio.

La grafite è carbonio?

La grafite è un allotropo del carbonio, composto interamente dall'elemento carbonio. All'interno della grafite, gli atomi di carbonio sono disposti e combinati in modo molto speciale per formare una struttura cristallina unica. Questa struttura conferisce alla grafite molte proprietà speciali. Per questo motivo, l'aspetto, le proprietà fisiche e chimiche della grafite e di altri allotropi del carbonio come il diamante (noto per le sue proprietà di durezza e trasparenza) e il fullerene (con una struttura sferica o tubolare unica) sono significativamente diverse. In molti campi svolgono ruoli diversi.

Da dove viene la grafite?

Fonti naturali

Le fonti naturali di grafite in natura sono più estese. Una parte della grafite si trova nelle rocce metamorfiche. Ad esempio, nel processo di metamorfismo regionale, i sedimenti originari contenenti carbonio (come i filoni di carbone) vengono gradualmente trasformati in grafite attraverso una complessa cristallizzazione metamorfica in condizioni estreme di alta temperatura e pressione. Inoltre, alcune grafiti provengono da rocce magmatiche. Quando il magma invade la crosta, il carbonio trasportato nel magma cristallizza in un ambiente geologico specifico e in condizioni fisiche e chimiche particolari. Si forma così la grafite. I depositi di grafite naturale sono distribuiti in molti Paesi e regioni del mondo, tra cui Cina, Brasile, India e altri Paesi hanno risorse di grafite naturale relativamente ricche. Queste forniscono un'importante base materiale per lo sviluppo delle industrie globali legate alla grafite.

Grafite artificiale

Con il rapido sviluppo della moderna tecnologia industriale, la produzione di grafite artificiale è diventata gradualmente una parte importante dell'approvvigionamento di grafite. La grafite artificiale viene solitamente prodotta mediante trattamento termico ad alta temperatura di specifiche materie prime contenenti carbonio (come coke di petrolio, coke d'asfalto, ecc.). Converte amorfo carbonio in grafite. Alle alte temperature, gli elementi non carboniosi di queste materie prime contenenti carbonio si volatilizzano gradualmente. Gli atomi di carbonio si riorganizzano e cristallizzano, formando alla fine grafite artificiale con una struttura simile alla grafite naturale. La produzione di grafite artificiale ha un alto grado di controllabilità. È possibile controllare con precisione la purezza, la struttura cristallina e le proprietà fisiche e chimiche in base alle diverse esigenze di applicazione industriale. Per questo è ampiamente utilizzata in molti campi come l'acciaio, le batterie, i refrattari e così via. Ciò fornisce un forte sostegno allo sviluppo dell'industria moderna.

Tipi di grafite

In sintesi, la grafite può essere suddivisa principalmente in due tipi: grafite naturale e grafite sintetica.

 Grafite naturale

La grafite naturale comprende anche la grafite in fiocchi, la grafite cristallina e la grafite criptocristallina.

La grafite a scaglie è caratterizzata da una forma a scaglie grandi e sottili con un'ampia gamma di diametri, che vanno da pochi decimi di millimetro a diversi millimetri. Queste scaglie hanno una buona conducibilità elettrica e termica in direzione del piano, mentre la loro struttura stratificata le conferisce eccellenti proprietà di lubrificazione.

I cristalli di grafite sono ben sviluppati e mostrano un'evidente forma cristallina lamellare esagonale. Le sue dimensioni sono relativamente grandi e il diametro delle fette è spesso superiore a 0,1-0,2 mm. Questo tipo di grafite non è abbondante in natura. Tuttavia, grazie alla sua eccellente struttura cristallina e alle sue proprietà uniche, svolge un ruolo in molti settori industriali di alto livello.

Il cristallo della grafite afanitica è molto piccolo ed esiste sotto forma di aggregati microcristallini. La forma specifica del cristallo è difficilmente distinguibile a occhio nudo. Il suo contenuto di carbonio fisso è elevato, approssimativamente nell'intervallo 60%-80%. Nelle applicazioni industriali, possiamo utilizzare la grafite criptocristallina come materiale di fusione e refrattario.

Grafite sintetica

La grafite sintetica è composta da tre tipi, ciascuno con proprietà e utilizzi unici.

La purezza della grafite ad alta purezza è estremamente elevata, il contenuto di impurità è molto basso, di solito superiore al 99,9%. Grazie all'eccellente stabilità chimica e all'elevata conducibilità elettrica, la grafite svolge un ruolo fondamentale nella produzione di semiconduttori, nell'industria chimica di alto livello e in altri settori con requisiti di purezza rigorosi.

La grafite pressata isostatica è formata dal processo di pressatura isostatica e presenta le caratteristiche di struttura uniforme e isotropia. Ha un'eccellente resistenza meccanica, resistenza alle alte temperature e agli shock termici, ottime prestazioni in metallurgia, elettroerosione e altri campi.

La grafite espansa è costituita da grafite naturale sottoposta a un trattamento speciale, con una struttura vermiforme unica. Questa può espandersi rapidamente ad alte temperature, formando un materiale con eccellenti proprietà di isolamento termico e di tenuta. Nel campo dei materiali ignifughi, la grafite espansa può essere utilizzata per produrre guarnizioni ignifughe, rivestimenti ignifughi, ecc. Può prevenire efficacemente la diffusione del fuoco.

Di cosa è fatta la grafite?

Elemento di grafite

Il principale elemento costitutivo della grafite è il carbonio. Nella grafite, gli atomi di carbonio sono collegati tra loro da legami covalenti, formando una rete planare di esagoni. Queste strutture di rete planari sono impilate strato su strato nello spazio, formando la struttura cristallina unica della grafite. Ogni atomo di carbonio forma un legame covalente con tre atomi di carbonio circostanti. La presenza di questo legame covalente conferisce alla grafite un'elevata stabilità e resistenza all'interno dello strato. Inoltre, pone le basi per alcune delle sue proprietà speciali, come la conducibilità elettrica e termica.

La formula chimica della grafite

La formula chimica della grafite è solitamente indicata con C, che indica chiaramente che è composta interamente da carbonio. Nonostante la sua semplice formula chimica, la grafite presenta proprietà fisiche e chimiche complesse e diverse. A causa della disposizione unica degli atomi di carbonio e dell'esistenza di molte forme di legame chimico. Questa caratteristica, che è composta da un singolo elemento ma ha proprietà ricche, fa sì che la grafite occupi una posizione unica nel campo della scienza dei materiali. E fa sì che diventi il fulcro di numerose ricerche e utilizzi.

Struttura della grafite

Carbonio Disposizione degli atomi di carbonio nella grafite

Il carbonio è disposto nella microstruttura della grafite. Gli atomi di carbonio mostrano una notevole caratteristica di disposizione a strati. Ogni strato di atomi di carbonio è strettamente disposto a formare un'enorme struttura di rete planare esagonale. Gli atomi di carbonio sono strettamente connessi attraverso legami covalenti. Ciò fa sì che questi strati piani abbiano un'elevata stabilità e resistenza e possano sopportare un certo grado di forza esterna senza subire danni. Lo strato tra gli strati avviene attraverso la debole interazione della forza di van der Waals. Questa forza interstrato relativamente debole rende la grafite tra lo strato e lo strato quando la piccola forza esterna è facile da far scorrere, dando così alla grafite una buona lubrificazione e flessibilità. In questo modo, la grafite deve ridurre l'attrito e avere una certa capacità di deformazione nello scenario applicativo.

Legame

Il legame covalente tra gli atomi di carbonio nello strato di grafite è un legame chimico forte. Non solo garantisce la stabilità e l'integrità dello strato di grafite, ma ha anche un profondo impatto sulle proprietà fisiche della grafite. Grazie all'esistenza di legami covalenti, gli elettroni possono muoversi con relativa libertà tra gli atomi di carbonio dello strato. Questo fa sì che la grafite abbia una buona conduttività e conducibilità termica all'interno dello strato e possa trasferire efficacemente corrente e calore.

La forza di van der Waals tra gli strati è relativamente debole. Il suo contributo alle proprietà fisiche della grafite, come la durezza e la densità, è inferiore a quello dei legami covalenti. Questo effetto sinergico dei legami covalenti intra-strato e delle forze di van der Waals inter-strato crea le proprietà anisotrope uniche della grafite. In altre parole, le proprietà fisiche e chimiche della grafite in direzione dello strato e dello strato verticale sono significativamente diverse. Questa proprietà deve essere pienamente considerata nelle applicazioni dei materiali per ottenere un utilizzo ottimale delle proprietà della grafite.

Proprietà della grafite

Proprietà fisiche

Colore

La grafite presenta solitamente un colore di aspetto grigio-nero. La formazione di questo colore è strettamente legata alla struttura elettronica interna della grafite e alle sue caratteristiche di assorbimento e riflessione della luce. Gli atomi di carbonio della grafite assorbono e diffondono la luce visibile attraverso legami chimici specifici e la distribuzione della nuvola di elettroni. In questo modo, la maggior parte della luce visibile viene assorbita e solo una piccola quantità di luce viene riflessa o diffusa. In questo modo si ottiene un effetto visivo grigio-nero a livello macro. Inoltre, la natura opaca della grafite conferisce al suo aspetto una consistenza unica, in netto contrasto con altri materiali trasparenti o traslucidi.

Densità

La densità della grafite è relativamente bassa, compresa tra 2,09 e 2,23 g/cm 3 circa. Anche il peso specifico è basso. Questa caratteristica rende la grafite un chiaro vantaggio in alcuni scenari applicativi con requisiti di peso molto severi. Ad esempio, nella progettazione di alcuni componenti nel settore aerospaziale, se è necessario utilizzare materiali che abbiano un certo grado di proprietà conduttive e di lubrificazione, ma che siano anche in grado di ridurre il peso complessivo. Allora la grafite diventa un potenziale materiale candidato.

Punto di fusione

La grafite ha un punto di fusione molto elevato, pari a circa 3652 °C - 3697 °C. Questa eccellente stabilità alle alte temperature consente alla grafite di mantenere relativamente stabili la sua struttura e le sue proprietà in ambienti a temperature estremamente elevate. Nella fusione di ferro e acciaio, nei materiali refrattari e in altri processi industriali ad alta temperatura, la grafite svolge un ruolo fondamentale.

Conducibilità elettrica

La grafite ha un'eccellente conducibilità elettrica nello strato, dovuta alla formazione di una struttura stabile di nubi di elettroni tra gli atomi di carbonio nello strato attraverso legami covalenti. Gli elettroni possono muoversi relativamente liberamente in questa struttura, in modo da ottenere un'efficiente conduzione di corrente. Allo stesso tempo, anche la conducibilità termica della grafite è molto buona e può trasferire rapidamente il calore.

Lubrificazione

Le proprietà lubrificanti della grafite lubrificante sono dovute alla sua particolare struttura a strati. La forza di van der Waals tra gli strati è debole. Quando la grafite è sottoposta a una forza esterna, è facile che si verifichi uno scorrimento relativo tra gli strati. Questo processo di scorrimento può ridurre efficacemente il coefficiente di attrito, in modo da svolgere un buon ruolo di lubrificazione. Sia che si tratti della manutenzione quotidiana della lubrificazione di varie apparecchiature meccaniche nell'industria dei macchinari, sia che si tratti delle esigenze di lubrificazione in alcuni ambienti speciali (come l'alta temperatura, l'alta pressione o la corrosione chimica), la grafite può mostrare eccellenti effetti di lubrificazione.

Proprietà chimiche

Resistenza alla corrosione della grafite

La grafite ha una buona resistenza agli acidi e agli alcali. Può mantenere relativamente stabile la struttura e le prestazioni in soluzioni acide e alcaline entro un certo intervallo di concentrazione. Ciò è dovuto al fatto che gli atomi di carbonio della grafite formano una struttura di energia chimica stabile attraverso legami covalenti. Ciò rende difficile la distruzione della grafite da parte degli ioni presenti nelle soluzioni acide e basiche. Questa resistenza agli acidi e agli alcali fa sì che la grafite abbia un importante valore applicativo in alcuni ambienti corrosivi dell'industria chimica.

Reattività con altri materiali

In condizioni di temperatura normale, le proprietà chimiche della grafite sono relativamente stabili. Non è facile che reagisca chimicamente con la maggior parte delle sostanze comuni. Tuttavia, se esposta a temperature elevate, alta pressione o a un ambiente chimico specifico, la grafite può reagire con alcuni ossidanti (come ossigeno, acido solforico concentrato, ecc.).

Ad esempio, quando l'ossigeno è sufficiente e la temperatura aumenta in una certa misura, la grafite subisce una reazione di ossidazione e si trasforma gradualmente in prodotti come l'anidride carbonica. Questa reattività limita in una certa misura l'applicazione della grafite in alcuni ambienti a ossidazione estrema. Ma offre anche la possibilità di trattamenti e modifiche speciali della grafite.

Coefficiente di espansione termica

La grafite ha un basso coefficiente di espansione termica, che le conferisce una buona stabilità dimensionale quando la temperatura cambia. Rispetto a molti altri materiali, il volume della grafite cambia molto poco durante il processo di aumento e diminuzione della temperatura.

In alcune applicazioni che richiedono un'elevata precisione dimensionale dei materiali, il basso coefficiente di espansione termica della grafite è particolarmente importante. Può evitare efficacemente problemi quali la deformazione dei componenti e la riduzione dell'accuratezza dell'assemblaggio causati dalle fluttuazioni di temperatura. In questo modo è possibile garantire il normale funzionamento e la stabilità delle prestazioni di apparecchiature o strumenti in ambienti con temperature diverse.

Ossidazione

Sebbene la grafite mostri una forte resistenza all'ossidazione e alla corrosione a temperatura ambiente, in condizioni estreme come temperatura elevata, umidità elevata o ambiente fortemente ossidato, la grafite si ossida e si corrode gradualmente. Ad esempio, in caso di esposizione prolungata alle alte temperature dell'aria, gli atomi di carbonio sulla superficie della grafite reagiscono con l'ossigeno formando uno strato di ossido.

Con il tempo, il continuo ispessimento dello strato di ossido porterà a cambiamenti nella struttura e nelle prestazioni della grafite. Come la riduzione della conduttività e della resistenza. Pertanto, in alcuni settori applicativi con elevati requisiti di resistenza all'ossidazione della grafite, è spesso necessario effettuare uno speciale trattamento superficiale della grafite. Oppure aggiungere antiossidanti e altre misure. Per migliorare la capacità antiossidante e garantire la stabilità delle prestazioni e l'affidabilità dei materiali in grafite durante l'uso.

Proprietà meccaniche

Durezza e resistenza

La resistenza e la durezza della grafite sono relativamente basse, e la sua durezza Mohs è di circa 1-2. Questa proprietà rende la grafite relativamente facile da modellare e trasformare in varie forme durante la lavorazione. Ad esempio, nella produzione di mina per matite, mescolando grafite e altri materiali come l'argilla in proporzioni diverse e pressando, è possibile realizzare mina per penne con diversi livelli di durezza per soddisfare le diverse esigenze di scrittura. Tuttavia, sebbene la resistenza complessiva della grafite sia bassa, ha ancora un certo valore di utilizzo della resistenza in alcune direzioni specifiche. Ad esempio, lungo la direzione dello strato di grafite.

 Elasticità

Grazie all'esclusiva struttura a strati della grafite, essa mostra una certa flessibilità ed elasticità. Se sottoposta a una piccola forza esterna, possiamo piegare e deformare la struttura stratificata della grafite in una certa misura. Quando la forza esterna viene rimossa, è possibile riportare la grafite alla forma originale o quasi. Questa flessibilità ed elasticità rendono la grafite una potenziale prospettiva di applicazione in alcuni dispositivi elettronici flessibili, materiali sigillanti e altri campi emergenti.

Anisotropia

La grafite anisotropa presenta caratteristiche anisotrope estremamente evidenti. In altre parole, le sue proprietà fisiche e chimiche sono significativamente diverse nelle varie direzioni. In termini di proprietà conduttive, la conduttività lungo lo strato di grafite è molto più alta di quella dello strato verticale. Ciò è dovuto alla promozione dei legami covalenti sulla conduzione degli elettroni e all'ostacolo della forza di van der Waals interstrato sulla conduzione degli elettroni.

In termini di durezza e resistenza, la durezza e la resistenza dello strato verticale sono relativamente elevate. La forza di van der Waals tra gli strati limita in una certa misura lo scorrimento relativo tra gli strati. Mentre lo scorrimento e la deformazione sono più probabili a causa della debole forza interstrato. Questa caratteristica anisotropa richiede particolare attenzione e considerazione nel processo di applicazione della grafite. In base alle specifiche esigenze applicative, è ragionevole selezionare e utilizzare i vantaggi delle proprietà della grafite in diverse direzioni. In modo da massimizzare l'utilizzo delle prestazioni del materiale grafitico e ottimizzare l'effetto applicativo.

Proprietà termiche ed elettriche

Esiste una stretta relazione interna tra le proprietà termiche ed elettriche della grafite e le proprietà termiche e le prestazioni eccellenti. La sua elevata conducibilità termica è sufficiente per emettere rapidamente il calore, il che ha un grande valore applicativo nel campo della dissipazione del calore delle apparecchiature elettroniche. Allo stesso tempo, la buona conducibilità della grafite le consente di trasmettere efficacemente la corrente come eccellente conduttore nel circuito.

Altre proprietà

Oltre alle numerose proprietà sopra menzionate, la grafite possiede altre proprietà speciali. Ad esempio, la grafite ha alcune proprietà di adsorbimento. La sua ricca struttura di pori e l'ampia superficie specifica possono assorbire alcuni gas e piccole molecole. Questa caratteristica ha un potenziale valore applicativo nella purificazione dei gas e nel trattamento delle acque reflue nel campo della protezione ambientale. Modificando e trattando adeguatamente la grafite, le sue prestazioni di adsorbimento possono essere ulteriormente migliorate. Può essere utilizzata per rimuovere i gas nocivi presenti nell'aria (come formaldeide, anidride solforosa, ecc.) o gli ioni di metalli pesanti presenti nell'acqua, gli inquinanti organici, ecc.

6 Usi della grafite

In Matite

La grafite è un componente chiave della mina della matita. Grazie alla sua consistenza morbida e all'esclusiva struttura a strati, può lasciare segni chiari sulla carta dopo averla mescolata e regolata con l'argilla per soddisfare le esigenze della scrittura e della pittura. Dall'apprendimento degli studenti alla creazione artistica, è ampiamente utilizzata in tutti i tipi di strumenti di scrittura. Questo permette alle persone di esprimere liberamente idee e creatività.

Come lubrificante

La grafite come lubrificante ha una buona lubricità grazie alla debole forza di van der Waals nello strato intermedio e nell'interstrato della struttura a strati. È ampiamente utilizzata in campo meccanico. Sia che si tratti delle parti mobili interne del motore dell'automobile, sia che si tratti delle parti della trasmissione meccanica industriale. O anche le parti aerospaziali ad alta temperatura e ad alta pressione, la polvere di grafite può ridurre efficacemente l'attrito e l'usura. Inoltre, garantisce il funzionamento regolare ed efficiente delle apparecchiature e ne prolunga la durata.

Produzione di acciaio

La grafite svolge un ruolo importante nella produzione dell'acciaio. Come elettrodoPuò introdurre corrente per produrre la fusione a calore Joule delle materie prime di rottame d'acciaio. Come carburizzatore, il contenuto di carbonio dell'acciaio fuso può essere regolato con precisione. Il materiale di rivestimento del forno, grazie alla resistenza alle alte temperature e alla resistenza alla corrosione, protegge il corpo del forno siderurgico dai danni causati dall'acciaio fuso ad alta temperatura e dalle scorie. Inoltre, la grafite ha una certa capacità termica specifica. Può assorbire e rilasciare calore durante il processo di produzione dell'acciaio, contribuendo a regolare le fluttuazioni di temperatura nel forno. Supporta efficacemente lo sviluppo efficiente, sicuro e stabile del processo siderurgico.

Batteria

La grafite ha una grande importanza nelle batterie ed è comunemente utilizzata come materiale per elettrodi negativi nelle batterie agli ioni di litio. batterie. La sua struttura a strati offre spazio per l'inserimento e il disinserimento degli ioni di litio, l'inserimento della carica e lo scarico della scarica, con una buona proprietà conduttiva. Questo garantisce il ciclo di carica e scarica della batteria. Nella ricerca della tecnologia emergente delle batterie, è anche considerato il materiale di base. Ciò contribuisce a promuovere lo sviluppo di nuovi sistemi di stoccaggio dell'energia.

Materiali refrattari

La grafite ha un elevato punto di fusione e stabilità alle alte temperature ed è un materiale refrattario di alta qualità. Nella metallurgia, nella ceramica, nel vetro e in altri processi industriali ad alta temperatura, viene utilizzata per la produzione di mattoni refrattari, rivestimenti e materiali refrattari. crogioli e così via. Può resistere all'erosione della fusione metallica e delle scorie in ambienti ad alta temperatura, mantenendo la stabilità strutturale. Riduce le perdite di calore, riduce il rischio di incidenti e costruisce una solida linea di sicurezza per la produzione industriale ad alta temperatura.

Reattori nucleari

La grafite serve come moderatore di neutroni nei reattori nucleari. Collidendo con i neutroni, i neutroni veloci vengono rallentati e trasformati in neutroni termici. In questo modo, controlla la velocità della reazione di fissione nucleare e garantisce il funzionamento stabile del reattore. I primi reattori nucleari hanno molti usi. Ma la grafite si altera in presenza di temperature elevate e di irradiazione di neutroni, richiedendo risposte tecniche speciali per garantire un uso sicuro a lungo termine.

Conclusione

Come allotropo del carbonio, la grafite ha diverse proprietà ed è ampiamente utilizzata. Le sue varie caratteristiche sono correlate tra loro e determinano le prestazioni in diversi scenari. Dalle matite di uso quotidiano alla siderurgia industriale, dalla produzione di batterie ai reattori nucleari ad alta tecnologia, la grafite è indispensabile. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, la grafite ha un grande potenziale nei settori emergenti. Occuperà una posizione sempre più critica nella scienza dei materiali, nella strategia delle risorse globali e nella strategia dello sviluppo sostenibile. E continuerà a promuovere il progresso della società umana.