炭素は、グラファイトとダイヤモンドの 2 つの結晶形で自然に見つかります。どちらも化学的に似ていますが、物理的性質と結晶構造が大きく異なります。グラファイトは、炭素の結晶で柔らかい形です。それは、金属と非金属の両方の性質を持つ明確な物質です。
グラファイトは、ギリシャ語で「書く」を意味する「graphein」から名付けられました。火成岩や変成岩に見られます。通常、灰色がかった黒色で見られます。不透明で、光沢のある黒い光沢があります。比重が低く、柔らかい鉱物です。炭素が地殻で熱と圧力にさらされると、グラファイトが形成されます。
黒鉛の種類
グラファイトには、天然と合成の 2 種類があります。
天然グラファイト
地球の地殻に自然に存在する鉱物です。グラファイトとカーボンで構成されています。この形のグラファイトが採掘されます。他のミネラルと結合している場合は抽出されます。その抽出には、浮遊選鉱やろ過などの鉱物処理が必要です。
天然グラファイトは熱と電気の優れた伝導体であり、幅広い温度に耐えることができます。
結晶化度に基づいて、この鉱物は次の 3 つのカテゴリに分類できます。
- 高結晶性
- 非晶質
- フレーキー
合成グラファイト
合成黒鉛は、コークスとピッチから製造できます。天然グラファイトほど結晶性ではありませんが、天然グラファイトよりも純粋です。
人造黒鉛には次の 2 種類があります。
- エレクトログラファイト:コール タール ピッチと石油コークスから生成される純粋な炭素です。
- か焼された石油ピッチを加熱することによって生成される人造黒鉛には、別の形態があります。
グラファイトの構造
グラファイトには共有結合構造があります。これは、グラファイト分子の各炭素原子が共有結合によって他の 3 つの炭素原子に接続されていることを意味します。炭素原子は六角形に組織化され、シート状の構造を形成します。この構造は弱い力で固定されています。
炭素原子が何枚も平行に並んでいます。グラファイトの原子は sp2 混成を示します。グラフェンは、グラファイトの個々の層を指します。各層の炭素原子は、0.142 nm の結合長と 0.335 nm の面間隔でハニカム格子に編成されています。各層の原子は、それらの間のスペースの 2.5 倍で区切られています。
グラファイトの構造では、各炭素原子は 3 つの電子を使用して、最も近い 3 つの隣接する電子と単純な接続を作成します。結合レベルでは、4 番目の電子が残ります。各炭素のこの「予備」電子は、1 つの層の原子シート全体で非局在化します。
黒鉛の性質
物理的特性
- グラファイトの構造内の電子は非局在化されており、シート全体を自由に移動できます。グラファイトは優れた電気伝導体になります。
- グラファイトは、炭素原子と溶媒分子間の引力が弱く、共有結合を切断するのに十分ではないため、有機溶媒と水に不溶です。
- ダイヤモンドと同じ高い融点を持っています。
- シート状の構造のため、柔らかく滑りやすいです。
- 黒鉛には高速中性子を吸収する能力もあります。
化学的性質
- 空気との反応:酸素の利用可能性に応じて、グラファイト中の炭素が酸素と反応して、一酸化炭素と二酸化炭素を形成します。
- 水との反応:当然、グラファイトは水と反応しません。ただし、特定の状況下では、水と反応して一酸化炭素と水素を生成します。
黒鉛の応用
- グラファイトは、マグカーボン耐火れんがなどの耐火材料として使用されます。るつぼや型の製造にも使用されます。
- 鋼や鉄を処理する炉の製造に使用されます。
- 黒鉛陽極は電気分解プロセスで使用されます。
- 絵の具や鉛筆などの製造に使用されます。
結論
グラファイトは、ダイヤモンドとは別に、炭素の結晶形です。これは、柔らかく自然に発生する炭素の鉱物形態です。グラファイトの構造は、相互接続された六角形のシートです。グラファイトには、天然と合成の 2 種類があります。グラファイトの色は灰黒色です。それは抽出された場所から地球の地殻に自然に見られます。グラファイトは、冶金、コーティング、塗料の製造などに使用されます。
