Grafit: vlastnosti, druhy, použití

Grafit je poměrně jednoduchý přírodní minerál skládající se pouze z jednoho chemického prvku: uhlíku. Krystalická vrstvená struktura však dává materiálu neobvyklé vlastnosti, jako je požární odolnost a elektrická vodivost, díky čemuž je často používán v průmyslu, hutnictví, lékařství a elektrotechnice.

Dnes budeme hovořit o tom, jak je grafit strukturován, o vlastnostech jeho těžby a zpracování. Kromě toho se dozvíte o přírodních podmínkách vzniku grafitu, jak se lidé naučili tento minerál syntetizovat a našli oblasti pro jeho praktické využití.

<strong>Co je grafit?</strong>

Grafit je krystalická forma uhlíku, která se tvoří hluboko v Zemi za podmínek vysoké teploty a tlaku. Když se tyto hodnoty dále zvyšují, grafit tvoří diamant, který je také alotropní modifikací uhlíku. Minerál má tmavou barvu s různými odstíny černé, šedé a modré. Název „grafit“ pochází ze starořeckého „grapho“ (γράφω), což v překladu do ruštiny znamená „zapsat“. Materiál je totiž velmi měkký a snadno se odlaminuje, proto se z něj vyrábí tužky.

<strong>Grafitová struktura: jak je materiál konstruován</strong>

Grafit se na rozdíl od mnoha jiných látek neskládá z molekul, ale z vrstvených atomárních struktur. Při vzniku grafitu vznikají buňky o 6 atomech, které mají tvar šestiúhelníku (pravidelný šestiúhelník). V přírodě je tato forma jedním z nejlepších způsobů, jak uspořádat prostor – stejnou strukturu mají například plástve. V každé vrstvě jsou atomy navzájem poměrně silně vázány, ale mezi vrstvami není vazba tak silná, což vysvětluje měkkost grafitu.

V závislosti na strukturálních vlastnostech existují 2 modifikace minerálu:

• α-grafit (šestihranný) — atomy, které tvoří vrstvu, jsou umístěny ve středu šestiúhelníků v sousedních vrstvách. Jinými slovy, vrstvy se střídají každá s druhou;
• β-grafit (romboedrický) – šestiúhelníky jsou umístěny s mírným odsazením. V důsledku toho jsou atomy každé první vrstvy umístěny přesně pod atomy každé čtvrté. β-grafit nelze těžit v čisté formě, protože se jedná o přechodnou formu α-grafitu.

<strong>Fyzikální a chemické vlastnosti grafitu</strong>

Vrstvená struktura grafitu mu zajišťuje vysokou elektrickou vodivost, ale pouze ve směru rovnoběžném s rovinou vrstev. Za normálních teplot vede grafit elektrický proud hůře než většina kovů a předčí pouze litinu, rtuť a některé slitiny železa. Při zahřátí na teplotu 2 200 °C však dochází k rekrystalizaci látky, tedy ke změně struktury v důsledku tvorby nových buněk. V tomto stavu dosahuje měrný odpor materiálu (převrácená hodnota elektrické vodivosti) své minimální hodnoty – 0,0075 Ohm * mm2/m.

Neméně důležitými fyzikálními vlastnostmi grafitu jsou požární odolnost a tepelná odolnost. Je třeba poznamenat, že uhlík ve volné formě má velmi nízkou teplotu vznícení – asi 300 °C v prostředí kyslíku (stejně jako dřevo). Když se však vytvoří krystalová mřížka, toto číslo se zvýší více než 2krát. Pro zapálení grafitu je třeba jej zahřát na 700 °C. V přirozených podmínkách se grafit neroztaví, k tomu je potřeba dosáhnout teploty asi 4 °C a tlaku několika miliard pascalů.

Mezi chemické vlastnosti grafitu lze zaznamenat jeho vysokou inertnost – materiál se nerozpouští ve vodném, alkalickém a kyselém prostředí. Aby se minerál rozpustil, musí být umístěn do roztaveného kovu. Vhodné je železo, platina, nikl, chrom a další kovy s vysokým bodem tání. Současně grafit tvoří sloučeniny s alkalickými kovy, halogeny a solemi, čímž nachází uplatnění v chemickém inženýrství a energetice paliv.

<strong>Druhy grafitu: přírodní, syntetický a biografit</strong>

Přírodní grafit se nachází v nalezištích různých hornin, minerálů a nerostů: uhlí, křemen, mramor, břidlice atd. Podle podmínek výskytu se rozlišují 3 druhy přírodního grafitu.

• Žilkovaný – velké a husté krystaly.
• Šupinatý — krystaly střední velikosti a hustoty.
• Amorfní — nejmenší krystaly s nejnižší hustotou.

Grafit nevzniká sám od sebe, ale až v procesu metamorfózy (strukturální změny materiálů). To vyžaduje uhlík z jiných sedimentárních hornin, které jsou vystaveny vysokým teplotám a tlakům. O podmínkách vzniku přírodního grafitu si povíme podrobněji v další části.

Kromě přírodního grafitu existuje také syntetický grafit. Stejně jako mnoho jiných syntetických látek byl získán náhodou. V roce 1896 provedl americký chemik Edward Goodrich Acheson laboratorní experimenty s karbidem křemíku (anorganická sloučenina křemíku a uhlíku), který objevil. Vědec zjistil, že při zahřátí na teplotu 4 150 °C se křemík zcela vypařil a zůstal pouze krystalický uhlík – grafit. Dnes se minerál syntetizuje zpracováním ropných produktů nebo přírodního grafitu.

Biografit je poměrně vzácný typ grafitu, který se vyrábí z ekologicky šetrných materiálů za účelem snížení emisí skleníkových plynů. Surovinou pro jeho výrobu je vedlejší produkt těžby dřeva – štěpka. Zahříváním dřeva v uzavřené nádobě se z něj získává dřevěné uhlí. Z uhlí se pak v laboratorních podmínkách získává biografit, který svou kvalitou není horší než syntetický grafit. Technologie je patentována novozélandskou společností CarbonScape, která materiál dodává výrobcům lithium-iontových baterií.

<strong>Podmínky pro vznik grafitu v přírodě</strong>

Ve většině případů se grafit tvoří na hranicích interakce mezi litosférickými deskami. Jeho vznik vyžaduje tlak 517 megapascalů a teplotu 750 °C. Za takových podmínek je zahájena metamorfóza sedimentárních a vyvřelých hornin obsahujících uhlík. V důsledku tohoto procesu vzniká grafit a s ním spojené minerály. Pro srovnání dodáváme, že pro vznik diamantů musí teplota dosáhnout 1 300 °C a tlak 6 gigapascalů.

Grafit vzniklý hydrotermální metamorfózou je vhodný pro výrobu elektrických zařízení. Vodní roztoky zahřáté pod vysokým tlakem cirkulují trhlinami a póry v horninách a mění jejich vlastnosti. Hydrotermální grafit je v přírodě vzácný, ale má velmi silnou krystalickou strukturu.

Určité množství grafitu přišlo na Zemi během aktivního bombardování meteority. Studie nalezených vzorků ukázaly, že vznikly dříve než Sluneční soustava (asi před 4,5 miliardami let). To naznačuje, že minerál se může tvořit v molekulárních mlhovinách produkovaných výbuchy supernov.

<strong>Těžba grafitu</strong>

Přírodní grafit se těží 2 hlavními způsoby.

• OTEVŘENO. Když se nerost nachází blízko povrchu, získává se těžbou (trháním a vrtáním). Tímto způsobem lze těžit pouze vločkovou nebo amorfní žulu.
• Podzemí. Při hlubokém uložení grafitu je těžba neefektivní, proto se k těžbě používají doly s hloubkou od 30 do 80 metrů. Pomocí této metody je možné extrahovat žilný grafit, který má nejvyšší hustotu.

Absolutním světovým lídrem v těžbě grafitu je Čína, která ročně vyprodukuje asi 800 000 tun přírodního grafitu (cca 50 % světového celku). Velká ložiska grafitu jsou také vyvinuta v Indii, Brazílii, Turecku a Koreji. V posledních letech Rusko vytěžilo 12 000 až 15 000 tun grafitu, přibližně 1 % světové produkce.

<strong>Zpracování grafitu</strong>

V první fázi zpracování se grafit rozdrtí na malé kousky a poté se obohatí, to znamená, že se odstraní všechny druhy nečistot. Obohacený grafit se posílá k dalšímu zpracování.

K získání syntetického grafitu s různými vlastnostmi (různé jakosti grafitu) se používají různé způsoby zpracování. Nejčastěji jejich pořadí vypadá takto:

• broušení;
• obohacení;
• čištění;
• tvorba uhlíkové hmoty;
• lisování polotovarů;
• tepelné zpracování.

<strong>Aplikace grafitu</strong>

Jak již bylo zmíněno, zpracování umožňuje získat různé stupně grafitu. Zvážíme nejoblíbenější z nich a určíme oblast jejich praktického použití.

• Hrubozrnné (EG) — tento typ grafitu se používá při výrobě elektrod pro lithium-iontové baterie s nízkým odporem a zvýšenou pevností. Je také vhodný pro výrobu ochranných clon, ohřívačů a tyčí na srážení vody.

• Středně zrnité (3OPG, GM3) — má ve srovnání s elektrodovým grafitem hustší strukturu a neobsahuje téměř žádné nečistoty. Používá se k výrobě průmyslových zařízení, k impregnaci kovů uhlíkem a k výrobě ochranných bloků pro vědecká a lékařská zařízení určená pro provoz v agresivním prostředí.
• Jemnozrnné (MG, MPG) — nejhustší a nejčištěnější odrůda grafitu. Pro svou zvýšenou pevnost je vhodný pro výrobu licích a lisovacích forem, měničů elektrického proudu (usměrňovačů), vakuových pecí a složitých chemických zařízení.

<strong>Otázka-odpověď</strong>

<strong>Jaký druh materiálu je grafit?</strong>

Grafit je uhlíkatý krystalický minerál, který se přirozeně vyskytuje v litosféře a je syntetizován pomocí pomocných materiálů.

<strong>Z čeho se vyrábí grafit?</strong>

Grafit je tvořen uhlíkem, jehož atomy jsou uspořádány zvláštním způsobem tak, aby vytvořily šestihranné buňky.

<strong>Jaký je rozdíl mezi grafitem a grafenem?</strong>

Grafit je vrstvený materiál. Jeho izolovaná vrstva o tloušťce pouze jednoho atomu se nazývá grafen. Vrstva grafenu je 200krát pevnější než vrstva oceli o stejné tloušťce.

<strong>Proč je grafit nebezpečný?</strong>

Grafitový prach a výpary jsou nebezpečné, jsou-li přítomny ve vysokých koncentracích, například v důlních oblastech nebo laboratořích. Kontakt s velkými dávkami grafitu způsobuje podráždění kůže, dýchacích cest a sliznic.

<strong>Kde se používá grafit?</strong>

Grafit se používá v elektrotechnice, chemickém a těžkém průmyslu, hutnictví, lékařství a při výrobě tužek.

Titulní obrázek: Freepik