Por que o grafite é macio e escorregadio?

O grafite é um importante material de carbono, amplamente utilizado na vida e na indústria. Suas características macias e escorregadias não apenas estabelecem a base para aplicações básicas, mas também ajudam a ciência dos materiais a explorar a relação entre as propriedades micro e macro. Isso fornece suporte teórico para aplicações inovadoras de ponta.

Análise da estrutura cristalina do grafite

A disposição dos átomos de carbono do grafite

O grafite tem um cristal em camadas estruturacom cada camada de átomos de carbono disposta em uma rede bidimensional hexagonal compacta. Cada átomo de carbono no plano é conectado aos três átomos de carbono circundantes por uma ligação covalente com um comprimento de ligação de cerca de 0,142 nm e um ângulo de ligação de 120°. Essa ligação covalente é altamente direcional e estável, formando um esqueleto plano sólido. Isso proporciona excelente estabilidade mecânica e química na camada de grafite, dificultando o deslocamento relativo dos átomos de carbono na camada. E, assim, mantendo a integridade da estrutura plana.

Força entre camadas

Os átomos de carbono entre a camada de grafite e a camada são mantidos por uma força fraca de van der Waals, e nenhuma ligação covalente é formada. As forças de van der Waals são forças intermoleculares resultantes de várias interações dipolares de moléculas. A força de van der Waals entre os intermediários de grafite é de 4 a 7 kJ/mol, o que é muito menor do que a ligação covalente de cerca de 346 kJ/mol. Essa diferença de energia faz com que as camadas de grafite se liguem livremente, e cada camada tem a possibilidade de movimento relativo. Essa é a base estrutural da propriedade de deslizamento suave do grafite.

Interpretação das propriedades macias do grafite a partir de uma perspectiva microscópica

Deslizamento da camada intermediária sob força externa

Quando o grafite é submetido a forças externas, as forças de van der Waals entre as camadas são difíceis de combater a influência dessas forças externas. Devido à fraca força de van der Waals, sob a ação de pequenas forças externas, o deslizamento relativo entre as camadas pode ocorrer facilmente. O átomo de carbono pode deslizar suavemente um para o outro sob o impulso do atrito. Esse tipo de deslizamento entre camadas no nível micro é refletido diretamente no nível macro como textura macia. E é fácil mudar de forma sob a ação de forças externas.

Fatores da estrutura cristalina relacionados à dureza

A dureza de um material depende essencialmente da resistência de sua estrutura cristalina a forças externas. No caso do grafite, embora as ligações covalentes nas camadas proporcionem uma forte estabilidade mecânica no plano, as forças fracas de van der Waals entre as camadas tornam-se o elo fraco principal que determina sua dureza geral. As forças fracas de van der Waals entre as camadas tornam-se o principal elo fraco que determina sua dureza geral. Em face de forças externas, ele não pode se dispersar e resistir efetivamente às forças externas por meio de uma gama completa de interações fortes entre os átomos. Como um cristal com uma distribuição uniforme de ligações covalentes em três dimensões (como o diamante). Em contraste, é mais provável que escorregue entre as camadas, resultando em menor dureza geral. De acordo com o padrão de dureza de Mohs, sua dureza é de apenas 1 a 2, muito inferior à da maioria dos materiais minerais comuns. Isso reflete totalmente a influência decisiva de sua estrutura cristalina na dureza.

Discussão sobre o mecanismo de formação da suavidade

Relação entre deslizamento de camada e atrito

A suavidade do grafite se deve diretamente à facilidade de deslizamento entre as camadas. Quando duas superfícies estão em contato uma com a outra e em movimento relativo, se o grafite estiver presente, o deslizamento entre camadas do grafite pode reduzir significativamente o atrito direto entre as superfícies. Se não houver grafite, os microconvexos e côncavos da superfície do objeto se misturarão, resultando em maior atrito. Ao usá-lo como lubrificante, o movimento relativo da superfície do objeto é transformado em deslizamento entre as camadas de grafite. Devido às fracas forças de van der Waals entre as camadas, a resistência necessária para superar esse deslizamento é muito pequena. Assim, o coeficiente de atrito é bastante reduzido. Após a aplicação de grafite em determinadas superfícies metálicas, o coeficiente de atrito pode ser reduzido para 1/3-1/2 do original. Isso comprova plenamente seu excelente efeito na redução do atrito.

A personificação do escorregadio na vida

Na vida cotidiana, podemos sentir intuitivamente as características suaves do grafite por meio de vários fenômenos. Quando a mão toca o pó de grafite, fica evidente que os dedos são difíceis de agarrar. E há uma forte sensação de escorregadio. Isso ocorre porque a estrutura de camadas no pó de grafite desliza rapidamente entre as camadas sob o toque. E isso dá ao dedo um feedback tátil exclusivo.

Além disso, o uso de lápis para escrever é outra forma típica de incorporação das propriedades suaves. Durante o processo de escrita, a ponta do lápis entra em contato com a superfície do papel. E, sob a ação da pressão, as camadas de grafite deslizam entre elas. Assim, algumas de suas camadas podem ser transferidas e fixadas no papel, deixando a escrita clara. Nesse processo, as características suaves não apenas garantem a fluência da escrita. Mas também tornam a experiência de escrita mais suave e confortável.

Aplicação das características macias do grafite

Aplicação na área de lubrificantes

O grafite tem excelentes propriedades lubrificantes e pode ser amplamente utilizado na área de lubrificantes. Em condições extremas, como alta temperatura, alta pressão e alto vácuo, os lubrificantes líquidos comuns podem falhar facilmente devido à evaporação, decomposição ou mudança de viscosidade. O grafite pode formar uma película lubrificante em motores de aviação, em alta temperatura fornos e equipamentos a vácuo. Por ter propriedades químicas estáveis e características de deslizamento entre camadas, reduz o atrito e o desgaste. Além disso, pode melhorar a eficiência operacional e a vida útil do equipamento.

O princípio de fabricação da grafite de lápis

A grafite para lápis é uma aplicação típica de suas propriedades. Ela é feita de uma mistura de grafite e argila em proporção. Ao escrever, a camada de grafite desliza sobre a superfície do papel sob a ação da pressão. Devido à fraca força de ligação entre as camadas, parte da camada de grafite é presa ao papel para formar a escrita. O ajuste da proporção de grafite e argila pode controlar a dureza e a escuridão da grafite do lápis. Assim, o lápis se torna uma ferramenta de escrita comum.

Conclusão

O grafite é macio e escorregadio devido à sua estrutura cristalina exclusiva. Essa conexão entre a microestrutura e o desempenho macro estabelece a base para sua aplicação. E isso também promoverá sua inovação em tecnologias emergentes no futuro.

PERGUNTAS FREQUENTES

Por que o diamante é duro?

O diamante e o grafite são alótropos de carbono, mas têm estruturas cristalinas diferentes. Cada átomo de carbono em um diamante é ligado covalentemente aos quatro átomos de carbono circundantes. Formando uma estrutura de rede tetraédrica tridimensional. Quando estressada, a ligação covalente pode dispersar as forças externas e resistir à deformação. Portanto, a dureza do diamante é extremamente alta, e a dureza Mohs é 10.

Por que o grafite conduz eletricidade?

Além de formar ligações σ, os átomos de carbono na camada de grafite também têm grandes ligações π conjugadas. Cada átomo de carbono contribui com um elétron p, formando uma nuvem de elétrons deslocalizada que pode se mover livremente dentro da camada. Quando um campo elétrico é aplicado, os elétrons livres se movem em uma direção direcional para formar uma corrente. E a boa condutividade faz com que seja amplamente utilizado em eletrônica.

Por que o grafite é usado como lubrificante?

Primeiro, a força de van der Waals entre as camadas é fraca, e a camada intermediária é fácil de deslizar. Em segundo lugar, as propriedades químicas são estáveis. Quando aplicado, ele forma um filme lubrificante na superfície do componente e substitui o atrito direto pelo deslizamento entre camadas. Ele reduz o coeficiente de atrito, pode manter o desempenho em diferentes ambientes químicos e tem uma ampla gama de aplicações.