黒鉛とも呼ばれるグラファイトは、通常、フレークまたは結晶層として変成岩で発生する炭素の結晶形です。グラファイトは、炭素質堆積物の変成作用により形成されます。自然界では、火成岩、隕石、鉱物の石墨にも含まれています。それは、構成炭素原子が共有結合によってしっかりと保持されている共有結合固体です。通常、共有結合固体は硬くて強いです。しかし、黒鉛はその構造上柔らかい。これは炭素の最も安定した形態であり、高圧と温度にさらされるとダイヤモンドに変わる可能性がありますが、数百万年かかります.
世界の黒鉛の主な生産国は中国で、メキシコとカナダがそれに続きます。中国の黒鉛埋蔵量は世界第 2 位で、第 1 位はトルコです。この黒い鉛は、ジャンムーとカシミール、ラージャスターン、オリッサ、西ベンガル、インドのビハールで発見されています。
概要:グラファイト構造の概要
グラファイトは二次元の平面構造を持っています。その中の各炭素はsp2混成です。個々の炭素原子は、共有結合を介して隣接する 3 つの炭素原子と結合し、単層で六角形の平面環を形成します。各原子の最後の自由価電子は、異なる層の間を自由に移動できます。炭素-炭素共有結合の長さは環で 141.5 pm であり、強い結合を示しています。このように、黒鉛は二次元のシート状の高分子リングを持っています。各シートまたは層は、ベンゼン環の縮合系と見なすことができます。連続する 2 つのシートは、約 340 pm 離れています。連続する 2 つの層の間のこの大きな距離は、共有結合の形成を許可しません。連続する層は互いに滑り、弱いファン デル ワールス力によって互いに保持されます。
人工的な準備
純粋な形のグラファイトは、少量の砂と酸化鉄 (III) を混合した粉末コークスを電気炉で 3000 ℃ の温度に加熱することによって人工的に調製できます
実験室でショ糖、硫酸、炭酸水素ナトリウムを使って作ることができます。
化学的および物理的特性
グラファイトの外観は、金属光沢のある灰色がかった黒色の不透明な物質です。紙に黒いシミがついています。上記で説明したように、その構造を使用して、その特徴的なプロパティを次のように説明できます。
- 滑りやすい性質 - 弱いファン デル ワールス力がグラファイトの連続する層を結合します。あるレイヤーを別のレイヤーの上にスライドさせることができます。これにより、平面の線に沿った構造の劈開も可能になります。そのため、黒鉛は柔らかく滑りやすく、潤滑剤として使用できます。
- 高い融点 – 各層の炭素原子は強力な共有結合によって結合されているため、融点は約 3500℃と高くなります
- 導電率 – グラファイトの各炭素は sp2 混成です。したがって、各炭素原子の 1 つの価電子は、ある点から別の点に自由に移動できます。 1 つの電子を含むハイブリダイズしていない軌道は、それぞれ横方向に重なり合い、同じ層で結合を形成します。これらの非局在化された電子は、熱と電場の影響下で自由に動きます。したがって、熱と電気の優れた伝導体になります。
- 低密度 – 密度は 2.26 g/cm3 で、連続する層の間の距離がかなり離れているため、ダイヤモンドよりも高くなります。
- グラファイトの化学結合は、ダイヤモンドを構成するものよりも強力です。また、黒鉛は、化学攻撃や自己潤滑性に対して高い耐性があります。
- 空気中で 700℃ で燃焼して二酸化炭素を生成します。
バルクでは不燃性ですが可燃性です。
<オール>グラフェン
グラフェンは、「母材」であるグラファイトの単層で形成された炭素の同素体です。これは、六方格子構造で共有結合した sp2 混成炭素原子の層で構成されています。グラフェンの特性は、知られている宇宙で最も強力な材料であり、ダイヤモンドの 40 倍の強度があり、優れた熱と電気の伝導体であるため、その母材を超えています。 2003 年に、グラフェンがナノテクノロジー、バイオテクノロジー、光学センサー、およびその他の用途で有望なアプリケーションを持っていることが発見されました.
用途
- ワセリンを加えて、潤滑剤である黒鉛グリースを形成します。
- 電気炉の電極作りに。
- 融点が高いため、金属を溶かすための坩堝を作ります。
- 電気モーター用のカーボン ブラシの作成用
- 紙に黒く印を付けることができる鉛筆の芯を作るため (鉛筆の芯は、さまざまな量の粘土と黒の芯を混ぜ合わせて作られます)。
- 中性子の速度を遅くする減速材として原子炉で使用されます。
- これは、既知の宇宙で最も強力な素材であるグラフェンの製造に使用されており、ナノテクノロジーや生物医学への応用が期待されています。
- 炭素化合物の熱生成を定義するための標準状態として、一般に熱化学で使用されます。
結論
グラファイト、または黒鉛は、炭素でできた灰色がかった黒色の不透明な共有結晶性固体です。変成岩の間に自然に存在し、砂と粉末コークスを使用して人工的に調製することができます。それは二次元構造を持ち、共有結合した炭素原子が六角形の平面リングでその層を形成し、弱いファンデルワールス力が隣接する層を一緒に保ちます.
黒鉛は、その構造上、柔らかく滑りやすく、融点が高く、熱と電気の良導体であり、耐薬品性が高く、密度が低いです。グラファイトの例としては、潤滑剤、鉛筆の芯、電気炉の電極、そして宇宙で最も有望で最強の素材であるグラフェンがあります。
