Что такое графит?
Ближайший родственник бриллианта - пока не используется для украшения. Мы используем его для самых банальных и обыденных целей. Когда на орбите перестали работать обычные шариковые ручки, их заменил… карандаш. (продолжительность блога 5 мин.)
Графит образует непрозрачные темно-серые кристаллы. Его поверхности сияют металлическим блеском. Все мы его знаем и с детства встречаем в карандашах наших карандашей. Но у него есть много интересных особенностей, о которых вы, возможно, не знали.
Например, у него не очень высокая плотность — она всего лишь в два раза больше плотности воды. Это меньше, чем у обычных минералов. Если бы мы основывались только на его внешнем виде (похожем на металлы), мы бы ожидали, что он будет намного тяжелее.
Еще более интересным является его химическое поведение.
Графит представляет собой практически чистую форму углерода. Карл Вильгельм Шееле доказал это в 1779 году. После алмаза и фуллерена графит является третьей стабильной формой модификации углерода. Существует еще одна модификация, называемая лонсдейлитом. Если вы его не знаете, вам не в чем себя винить. Только очень редко — возникает, например, при падении крупных метеоритов.
… он обычно имеет коричневый цвет, в котором смешаны оттенки желтого или темно-коричневого. Он образует крошечные кристаллы, которые иногда настолько малы, что их можно наблюдать только под микроскопом. Иногда в лонсдейлите встречаются кристаллы алмаза, что, вероятно, неудивительно, учитывая его происхождение.
Если вы думаете, что графит (как модификация углерода) должен хорошо гореть, то вас ждет разочарование. В обычной атмосфере кислорода графит воспламеняется примерно при 600°С. Для сравнения - древесина воспламеняется при температуре 280 - 340°С, упомянутый в предыдущем блоге торф даже при 230°С. Сахар немного лучше, он воспламеняется при 410°С, а хлопок при 430°. Пластмассы воспламеняются при 200 - 300 градусах, бензин при 220 - 460 °С и дизель при 255 градусах. Графит наиболее близок к температуре воспламенения.
Но это не все. Если графит находится в бескислородной среде (инертной атмосфере), он может обеспечить замечательные характеристики с точки зрения термической стабильности. Разложение его происходит тогда уже не за счет горения (там, где нет кислорода, ничего не может гореть), а сублимации. И не увидишь до 3825°С, после того, как он расплавится при 3000°С.
Он также устойчив к некоторым кислотам. Если в их молекулах нет кислорода, они не повредят его.
Структура
Уникальны не только химические свойства, но и структура графита.
В кристаллическом графите имеется большое количество сотовых слоев параллельных и очень тонких слоев. Каждый состоит из шестиугольников, состоящих из шести атомов углерода. Эти шестиугольники соединены друг с другом так называемой ковалентной связью.
Ковалентная связь
... это один из способов, которыми атомы в молекулах связываются друг с другом. Ковалентные связи образуются в основном между атомами неметаллов. Помимо ковалентных и металлических связей, вы, вероятно, знаете и ионные связи.
Таким образом, графит состоит из взаимно разделенных слоев, в которых три соседних атома углерода всегда связаны ковалентной связью.
Возможно, вы помните из уроков химии, что углерод имеет четыре электрона, которые могут вступать в химические связи. Этот неиспользуемый и скучающий четвертый электрон отвечает за некоторые его свойства.
Именно он создает систему так называемых делокализованных связей. Делокализованные электроны обычно представляют собой те электроны, которые нельзя отнести к одному конкретному атому или ковалентной связи. В физике, например, они относятся к свободным электронам, которые опосредуют электрическую проводимость металлов.
За счет делокализации большого количества электронов, когда электроны с равной вероятностью могут появиться в любой точке данного слоя атомов углерода в графите, создается электропроводность материала.
В то же время вполне логично, что проводимость графита проявляется только по отдельным углеродным «сотам».
Таким образом, графит ведет себя как металл, имеющий только два измерения.
Добавки и примеси в графите наносят ущерб этому явлению и снижают проводимость.
Другие преимущества
Энергия связи между отдельными атомами углерода в графитовых сотах составляет 4,3 эВ, а энергия между отдельными слоями (сотами) соответствует всего 0,07 эВ. Таким образом, отдельные слои относительно легко отделить друг от друга, в то время как для разрушения структуры самих сот требуется гораздо больше энергии.
В этом проявляется еще одно интересное свойство — механическое сопротивление графита, как и его электропроводность, зависит от направления, в котором на него действует внешняя сила.
На практике это означает, что хотя сами «соты» не разрушаются, отдельные слои (соты) очень легко отрываются друг от друга. На практике это означает, что графит способен оставить след даже на таком мягком, как бумага, материале.
В следующий раз, когда будете записывать свои мысли на бумаге, вспомните толпу безымянных и незаметных.
