Nejbližší příbuzný diamantu - a přitom se nepoužívá k ozdobě. Využíváme ho na ty nejbanálnější a nejobyčejnější účely. Když na oběžné dráze nefungovala běžná kuličková pera, nahradila je … tužka. (délka blogu 5 min.)
Grafit tvoří neprůhledné, tmavě šedé krystaly. Jeho plošky se kovově lesknou. Všichni ho známe a od dětství se s ním setkáváme v tuhách našich tužek. Má ale spoustu zajímavých vlastností, o kterých jste možná nevěděli.
Nemá například příliš vysokou hustotu - činí jen přibližně dvojnásobek hustoty vody. To je méně, než váží běžné minerály. Kdybychom vycházeli jen z jeho vzhledu (podobá se kovům), očekávali bychom, že bude daleko těžší.
Ještě zajímavější je jeho chemické chování.
Grafit je prakticky čistou formou uhlíku. Dokázal to už v roce 1779 Carl Wilhelm Scheele. Po diamantu a fullerenu je grafit třetí stabilní formou uhlíkovou modifikací. Existuje ještě další modifikace, které se říká lonsdaleit. Pokud ho neznáte, nemusíte si to vyčítat. Je totiž jen velmi vzácný - vzniká například při dopadech velkých meteoritů.
Lonsdaleit… mívá obvykle hnědou barvu, do které se mísí odstíny žluté nebo tmavohnědé. Vytváří drobné krystaly, které jsou někdy tak malé, že se dají pozorovat jen mikroskopem. V Lonsdaleitu se někdy nacházejí krystaly diamantů, což s ohledem na jeho vznik nejspíš nikoho nepřekvapí. |
Pokud si myslíte, že grafit (coby modifikace uhlíku) musí dobře hořet, budete zklamáni. V normální kyslíkové atmosféře se grafit vznítí až při zhruba 600 °C. Pro srovnání - dřevo se vznítí při teplotě 280 - 340 °C, v minulém blogu zmiňovaná rašelina dokonce už při 230 °C. Cukr je na tom trochu lépe, ten se vznítí až při 410 °C a bavlna při 430 stupních. Plasty se vznítí při 200 - 300 stupních, benzín při 220 - 460 °C a nafta při 255 stupních. Grafitu se ohledně teploty vznícení podobá nejvíce … tér.
To ale není všechno. Pokud se grafit nachází v prostředí bez kyslíku (inertní atmosféra), dokáže ohlede tepelné stability podat obdivuhodný výkon. Jeho degradace pak už nejde na vrub hoření (kde není kyslík, nemůže nic hořet), ale sublimace. A té se dočkáte až při 3825 °C, poté, co se při 3000 °C roztavil.
Podobně odolný je proti některým kyselinám. Pokud ve svých molekulách nemají k dispozici kyslík, nepoškodí ho.
Struktura
Nejen chemické vlastnosti, ale také struktura grafitu je jedinečná.
align="justify"Obrázek: Struktura grafitu. Zdroj: Benjah-bmm27, Public domain, Wikimedia Commons, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/Graphite-layers-side-3D-balls.png
V krystalickém grafitu se nachází velké množství paralelních a velice tenkých vrstev, které se podobají plástvím. Každá z nich se skládá ze šestiúhelníků, tvořených šesti atomy uhlíku. Navzájem jsou mezi sebou tyto šestiúhelníky spojené tzv. kovalentní vazbou.
Kovalentní vazba… je jedním z různých způsobů, kterými se vzájemně vážou atomy v molekulách. Kovalentní vazby vznikají zejména mezi atomy nekovů. Kromě kovalentní a kovové vazby je vám nejspíše známá také vazba iontová. |
Grafit se tedy skládá ze vzájemně oddělených vrstev, ve kterých se kovalentní vazbou spojují vždy tři sousedící atomy uhlíku.
Možná si z hodin chemie pamatujete, že uhlík má ovšem k dispozici čtyři elektrony, které se mohou angažovat v chemických vazbách. Za část jeho vlastností je zodpovědný právě tento nevyužitý a znuděný čtvrtý elektron.
Je to právě on, kdo vytváří systém tzv. delokalizovaných vazeb. Jako delokalizované elektrony se běžně označují ty elektrony, které nelze přiřadit jedinému a konkrétnímu atomu nebo jedné kovalentní vazbě. Ve fyzice se tak například označují volné elektrony, které zprostředkovávají elektrickou vodivost kovů.
Díky delokalizaci značného množství elektronů, kdy se elektrony se stejnou pravděpodobností mohou vyskytovat na libovolném místě dané vrstvy uhlíkových atomů v grafitu, vzniká elektrická vodivost materiálu.
Zároveň je jen logické, že se vodivost u grafitu projevuje jen podél jednotlivých uhlíkových “pláství”.
Grafit se tedy svým způsobem chová jako kov, který má jen dva rozměry.
Příměsi a nečistoty v grafitu tomuto jevu škodí a vodivost snižují.
Další vlastnosti
Vazebná energie mezi jednotlivými atomy uhlíku v grafitové plástvi činí 4,3 eV, zatímco energie mezi jednotlivými vrstvami (plástvemi) odpovídá jen 0,07 eV. Jednotlivé vrstvy se tedy od sebe dají poměrně lehce oddělit, zatímco ke zničení struktury samotné plástve je potřeba daleko více energie.
To se projevuje jako další zajímavá vlastnost - mechanická odolnost grafitu je podobně jako jeho elektrická vodivost závislá na směru, kterým na něj působí vnější síla.
V praxi to znamená, že se sice samotné “plástve” neničí, ale jednotlivé vrstvy (plástve) se od sebe navzájem velice lehce odtrhnou. V praxi to znamená, že je grafit schopen zanechat stopu i na tak měkkém materiálu, jakým je papír.
Až budete příště zaznamenávat své myšlenky na papír, vzpomeňte si krátce na houf bezejmenných a bezprizorních elektronů, které pro vás v tom okamžiku … pracují.
