Чому графіт м'який і слизький?

Графіт - важливий вуглецевий матеріал, який широко використовується в побуті та промисловості. Його м'які та слизькі характеристики не тільки закладають основу для базових застосувань, але й допомагають матеріалознавству досліджувати взаємозв'язок між мікро- та макровластивостями. Це забезпечує теоретичну підтримку для передових інноваційних застосувань.

Аналіз кристалічної структури графіту

Розташування атомів вуглецю в графіті

Графіт має шарувату кристалічну структуру структураз кожним шаром атомів вуглецю, розташованим у вигляді гексагональної компактної двовимірної мережі. Кожен атом вуглецю в площині з'єднаний з трьома сусідніми атомами вуглецю ковалентним зв'язком з довжиною зв'язку близько 0,142 нм і кутом зв'язку 120°. Цей ковалентний зв'язок є дуже спрямованим і стабільним, утворюючи міцний плоский каркас. Це забезпечує чудову механічну та хімічну стабільність графітового шару, що ускладнює відносний зсув атомів вуглецю в шарі. А також зберігає цілісність плоскої структури.

Міжшарова сила

Атоми вуглецю між графітовим шаром і шаром підтримуються слабкою силою Ван-дер-Ваальса, і ковалентний зв'язок не утворюється. Сили Ван-дер-Ваальса - це міжмолекулярні сили, що виникають внаслідок різних дипольних взаємодій молекул. Сила Ван-дер-Ваальса між проміжними елементами графіту становить 4-7 кДж/моль, що набагато менше, ніж ковалентний зв'язок, який становить близько 346 кДж/моль. Ця різниця енергій робить шари графіту неміцно зв'язаними, і кожен шар має можливість відносного руху. Це є структурною основою його властивості м'якого ковзання.

Інтерпретація м'яких властивостей графіту з мікроскопічної перспективи

Зсув міжшарового шару під дією зовнішньої сили

Коли графіт піддається впливу зовнішніх сил, силам Ван-дер-Ваальса між шарами важко протистояти впливу цих зовнішніх сил. Через слабку силу Ван-дер-Ваальса, під дією невеликих зовнішніх сил, відносне ковзання між шарами може легко відбуватися. Атоми вуглецю можуть плавно ковзати один до одного під дією сили тертя. Таке міжшарове ковзання на мікрорівні безпосередньо відображається на макрорівні у вигляді м'якої текстури. І вона легко змінює форму під дією зовнішніх сил.

Фактори кристалічної структури, пов'язані з твердістю

Твердість матеріалу суттєво залежить від стійкості його кристалічної структури до зовнішніх сил. Для графіту, хоча ковалентні зв'язки в шарах надають сильну механічну стабільність в площині. Слабкі ван-дер-ваальсові сили між шарами стають ключовою слабкою ланкою, що визначає його загальну твердість. Перед обличчям зовнішніх сил він не може ефективно диспергуватися і чинити опір зовнішнім силам через повний спектр сильних взаємодій між атомами. Як кристал з рівномірним розподілом ковалентних зв'язків у трьох вимірах (наприклад, алмаз). На відміну від цього, він більш схильний до прослизання між шарами, що призводить до зниження загальної твердості. Відповідно до стандарту твердості Мооса, його твердість становить лише 1-2, що набагато нижче, ніж у більшості поширених мінеральних матеріалів. Це повністю відображає вирішальний вплив його кристалічної структури на твердість.

Обговорення механізму формування гладкості

Зв'язок між шаровим ковзанням і тертям

Гладкість графіту безпосередньо пов'язана з його легким ковзанням між шарами. Коли дві поверхні контактують одна з одною і перебувають у відносному русі, за наявності графіту міжшарове ковзання графіту може значно зменшити пряме тертя між поверхнями. Якщо графіту немає, мікроопуклості та увігнутості на поверхні об'єкта будуть зчіплюватися один з одним, що призведе до більшого тертя. При використанні його в якості мастила відносний рух поверхні об'єкта трансформується в ковзання між шарами графіту. Завдяки слабким ван-дер-ваальсовим силам між шарами, опір, необхідний для подолання цього ковзання, дуже малий. Таким чином значно зменшується коефіцієнт тертя. Після нанесення графіту на певні металеві поверхні коефіцієнт тертя можна зменшити до 1/3-1/2 від початкового. Це повністю доводить його чудовий ефект у зменшенні тертя.

Втілення слизького в житті

У повсякденному житті ми можемо інтуїтивно відчути гладкі характеристики графіту через різноманітні явища. Коли рука торкається графітового порошку, буде очевидно, що пальці важко вхопити. І є сильне відчуття слизькості. Це тому, що шарувата структура графітового порошку швидко ковзає між шарами під час дотику. І дає пальцю унікальний тактильний зворотній зв'язок.

Крім того, використання олівця для письма є ще одним типовим втіленням властивостей гладкості. Під час процесу письма грифель олівця контактує з поверхнею паперу. І під дією тиску шари графіту ковзають між ними. Таким чином, деякі його шари можуть переноситися і прикріплюватися до паперу, залишаючи чіткий напис. У цьому процесі гладкі характеристики не лише забезпечують плавність письма. Але й роблять процес письма більш плавним і комфортним.

Застосування м'яких характеристик графіту

Застосування в галузі мастильних матеріалів

Графіт має чудові змащувальні властивості, і ви можете широко використовувати його в галузі мастильних матеріалів. В екстремальних умовах, таких як висока температура, високий тиск і високий вакуум, звичайні рідкі мастильні матеріали легко виходять з ладу через випаровування, розкладання або зміну в'язкості. Графіт може утворювати мастильну плівку в авіаційних двигунах, при високій температурі печі та вакуумному обладнанні. Оскільки він має стабільні хімічні властивості та характеристики міжшарового ковзання, зменшує тертя та знос. І це може підвищити ефективність роботи та термін служби обладнання.

Принцип виготовлення грифеля для олівців

Грифель для олівців - типове застосування його властивостей. Його виготовляють із суміші графіту та глина у пропорції. Під час письма графітовий шар ковзає по поверхні паперу під дією тиску. Через слабку силу зчеплення між шарами, частина графітового шару прикріплюється до паперу, утворюючи напис. Регулюючи співвідношення графіту і глини, можна контролювати твердість і чорноту грифеля олівця. Таким чином, олівець стає звичайним інструментом для письма.

Висновок

Графіт м'який і слизький завдяки своїй унікальній кристалічній структурі. Цей зв'язок між мікроструктурою та макроефективністю закладає основу для його застосування. І це також сприятиме його інноваційному використанню в нових технологіях у майбутньому.

ПОШИРЕНІ ЗАПИТАННЯ

Чому алмаз твердий?

Алмаз і графіт є алотропами вуглецю, але мають різну кристалічну структуру. Кожен атом вуглецю в алмазі ковалентно пов'язаний з чотирма сусідніми атомами вуглецю. Утворюючи тривимірну тетраедричну сітчасту структуру. При навантаженні ковалентний зв'язок може розсіювати зовнішні сили і протистояти деформації. Тому твердість алмазу надзвичайно висока, а твердість за шкалою Мооса дорівнює 10.

Чому графіт проводить електрику?

Окрім σ-зв'язків, атоми вуглецю в графітовому шарі також мають спряжені великі π-зв'язки. Кожен атом вуглецю віддає p-електрон, утворюючи делокалізовану електронну хмару, яка може вільно рухатися в межах шару. Коли прикладається електричне поле, вільні електрони рухаються в певному напрямку, утворюючи струм. А хороша провідність робить його широко використовуваним в електроніці.

Чому графіт використовується як мастило?

По-перше, міжшарова сила Ван-дер-Ваальса слабка, і міжшаровий шар легко ковзає. По-друге, хімічні властивості стабільні. При нанесенні утворює мастильну плівку на поверхні деталі, замінює пряме тертя на міжшарове ковзання. Це знижує коефіцієнт тертя, може підтримувати продуктивність в різних хімічних середовищах і має широкий спектр застосування.