Grafiitti – mitä se on, ominaisuudet, esiintyminen ja käyttötarkoitukset

Grafiitti – hiilen allotrooppi: ominaisuudet, esiintyminen ja käyttötarkoitukset. Tutustu rakenteeseen, sähkönjohtavuuteen, kaivoksiin ja teollisiin sovelluksiin.

Grafiitti on timantin tavoin hiilen allotrooppi. Ne ovat kemiallisesti samaa alkuainetta, mutta molekyylien erilaiset rakenteet tekevät niistä fyysisesti ja kemiallisesti erilaisia. Grafiitti muodostuu hiiliatomien kerroksista, joissa jokainen atomi on sidoksissa kolmella muulla hiilellä muodostaen tasomaisen, kuusikulmaisen verkoston. Kerrokset voivat liukua toistensa päällä helposti, minkä vuoksi grafiitti on pehmeää ja helposti haurastuvaa. Kerrosten välissä liikkuvien, delokalisoituneiden elektronien ansiosta grafiitti johtaa sähköä hyvin — erityisesti suunnassa kerrosten tasoa pitkin. Ulkonäöltään grafiitti on yleensä metallinhohtoinen tai tylmänharmaa.

Rakenteelliset ja fysikaaliset ominaisuudet

• Kerrosrakenne: Atomikerrokset (grafenilevyt) ovat vahvoja lateraalisesti, mutta heikosti sidoksissa toisiinsa van der Waals -voimien avulla, mikä selittää liukumisen ja voiteluominaisuudet.
• Sähkö- ja lämpöjohtavuus: Hyvä sähkönjohtavuus kerroksissa ja erinomainen lämpöjohtavuus tason suuntaisesti.
• Mekaaniset ominaisuudet: Pehmeä ja helposti hiottava; kovuus on alhainen verrattuna muihin mineraaleihin.
• Kestävyys kuumuutta vastaan: Grafiitti säilyttää rakenteensa erittäin korkeissa lämpötiloissa ja sublimoituu vasta useiden tuhansien asteiden lämpötiloissa (eli se ei sula tavallisessa mielessä).
• Tiheys ja väri: Keskimääräinen tiheys on pienempi kuin monilla metalleilla; väri tummanharmaa ja metallinhohtoinen.

Muodostuminen ja esiintyminen

Grafiitti syntyy luonnossa useimmiten orgaanisesta aineksesta, joka on kokenut metamorfisia olosuhteita — korkean lämpötilan ja paineen vaikutuksesta orgaaninen hiili järjestäytyy grafiitin kaltaiseksi rakenteeksi. Grafiitti voi myös muodostua hydrotermisissa olosuhteissa tai syvällä maan kuoren kivilajeissa. Luonnollista grafiittia esiintyy muun muassa Kiinassa (suuri osa maailman tuotannosta tulee Koillis-Kiinasta), Sri Lankassa, Kanadassa ja Yhdysvalloissa sekä monissa muissa maissa. Grafiittiesiintymiä on kolmen päätyypin mukaan luokiteltuna:

• flake- eli hiutalegrafiitti
• vein- eli lyijylammikkomainen (luonnon lump) grafiitti
• amorfinen tai mikrokrystalline grafiitti

Tuotanto ja synteesi

Luonnon grafiitin louhinnan lisäksi merkittävä osa grafiitista valmistetaan synteettisesti. Synteettinen grafiitti valmistetaan tyypillisesti öljytuhkan tai petroleumcoken kaltaisesta esiasteesta, joka kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin (usein useita tuhansia asteita) grafitisoitumista varten. Synteettisellä grafiitilla voidaan hallita puhtautta ja kuutiomaista rakennetta paremmin kuin luonnollisella grafiitilla. Grafiitista voidaan myös muodostaa timanttia korkean paineen ja lämpötilan (HPHT) menetelmissä tai kehittyneemmillä CVD-menetelmillä, joita käytetään teollisessa timantin tuotannossa.

Käyttötarkoitukset

Grafiitin käyttökohteet ovat monipuoliset sen fysikaalisten ominaisuuksien ansiosta. Tärkeitä käyttökohteita ovat muun muassa:

• Lyijykynät: grafiittia käytetään lyijykynän "lyijynä" sekoitettuna saveen — se jättää helposti jälkeä paperille ja kulkee sujuvasti.
• Voiteluaineet: grafiitti toimii kuivavoiteluaineena ja vähentää kitkaa mekaanisissa laitteissa.
• Sähkö- ja lämpöjohtavat komponentit: elektrodit terästeollisuudessa, sähköpuhdistimet, lämmönsiirtoratkaisut ja sähkötekniset sovellukset.
• Akkuteollisuus: grafiitti on yleisin litiumionikennojen anodimateriaali, koska se pystyy vastaanottamaan ja luovuttamaan litiumioneja tehokkaasti.
• Keraamiset ja tulenkestävät tuotteet: grafiittia käytetään esimerkiksi sulatusastioissa (crucibles), suojapinnoissa ja muissa korkealämpötilasovelluksissa sen lämmönkeston vuoksi.
• Komposiitit ja täyteaineet: parantamaan mekaanisia ja sähkönjohtavia ominaisuuksia muoveissa ja muissa materiaaleissa.
• Jarrupalat ja kitkapinnat: grafiittia hyödynnetään kitkapinnoissa ja jarrujärjestelmissä erikoisominaisuuksiensa ansiosta.
• Nukleaarisovellukset: erittäin puhdasta grafiittia käytetään neutronimoderaattorina joissakin ydinreaktoreissa, kuten RBMK- ja AGR-reaktoreissa, koska se hidastaa neutroneita tehokkaasti ilman suurta neutronien absorptiota (edellyttäen, että grafiitti on erittäin puhdasta ja vähän neutronia sitovia epäpuhtauksia).

Grafiitti, grafeni ja nanomateriaalit

Yksi grafiitin yksittäinen atomikerros tunnetaan nimellä grafeni. Grafeni on tutkimuksen kohde sen poikkeuksellisen korkean lujuuden, läpimenevän sähkönjohtavuuden ja muiden ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi. Grafiitista voidaan kuoria tai valmistaa grafenikerroksia, ja näillä nanomateriaaleilla on lupaavia sovelluksia elektroniikassa, komposiiteissa, antureissa ja energiateknologiassa.

Terveys- ja ympäristönäkökohdat

Grafiitti itsessään ei ole myrkyllistä, mutta hienojakoinen grafiittipöly voi aiheuttaa hengitysteiden ärsytystä ja pitkäaikaisaltistuksena ammattikäytössä esimerkiksi pneumokonioosiin liittyviä riskejä. Työpaikoilla on tärkeää käyttää asianmukaisia pölynpoistojärjestelmiä ja suojavarusteita. Hienojakoisella grafiitilla voi myös olla pölyräjähdysriski tietyissä olosuhteissa. Kaivos- ja tuotantotoiminta vaikuttaa ympäristöön kuten muutkin kaivostoiminnat: maiseman muutokset, vesien kuormitus ja energian kulutus ovat huomioitavia tekijöitä. Kierrätys ja vastuullinen kaivostoiminta ovat kasvavia keinoja vähentää ympäristövaikutuksia.

Yhteenveto

Grafiitti on monipuolinen ja teollisesti tärkeä muoto hiilestä, jonka ominaisuudet — kerroksellinen rakenne, hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus sekä voiteluominaisuudet — tekevät siitä korvaamattoman monissa sovelluksissa aina kynistä ja voiteluaineista edistyneisiin akkuteknologioihin ja ydinvoimaloihin. Sekä luonnon- että synteettinen grafiitti ovat tärkeitä raaka-aineita, ja grafiittitutkimus jatkuu erityisesti grafenin ja muiden nanomateriaalien myötä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on grafiitti?

K: Miten grafiitti muodostuu?

K: Mistä suurin osa grafiitista on peräisin?

K: Minkä mukaan grafiitti on nimetty?

K: Mitä grafiitin yleisiä käyttötarkoituksia on?

Kysymys: Voiko grafiitista tehdä timanttia?

Hae kirjaimella