Grafiet

De belangrijkste soorten natuurlijk grafiet, die elk in verschillende soorten ertsafzettingen voorkomen, zijn

Kristallijne kleine vlokjes grafiet (of vlokgrafiet) komen voor als geïsoleerde, platte, plaatachtige deeltjes met zeshoekige randen als ze niet gebroken zijn. Bij breuk kunnen de randen onregelmatig of hoekig zijn;

Amorf grafiet: zeer fijn vlokgrafiet wordt soms amorf genoemd;

Brok grafiet (of adergrafiet) komt voor in fissuuraders of breuken en verschijnt als massieve platachtige vergroeiingen van vezelachtige of naaldvormige kristallijne aggregaten, en is waarschijnlijk van oorsprong hydrothermisch.

Hooggeordend pyrolytisch grafiet verwijst naar grafiet met een hoekverdeling tussen de grafietplaten van minder dan 1 °.

De naam "grafietvezel" wordt soms gebruikt om te verwijzen naar koolstofvezels of met koolstofvezel versterkt polymeer.

De akoestische en thermische eigenschappen van grafiet zijn in hoge mate anisotroop, aangezien fononen zich snel voortplanten langs de nauw verbonden vlakken, maar langzamer van het ene vlak naar het andere gaan. De hoge thermische stabiliteit en elektrische en thermische geleidbaarheid van grafiet vergemakkelijken het wijdverbreide gebruik als elektroden en vuurvaste materialen in materiaalverwerkingstoepassingen bij hoge temperaturen. In zuurstofhoudende atmosferen oxideert grafiet echter gemakkelijk tot kooldioxide bij temperaturen van 700 ° C en hoger. Grafiet is een elektrische geleider en daarom nuttig in toepassingen als booglampelektroden. Het kan elektriciteit geleiden vanwege de enorme delokalisatie van elektronen in de koolstoflagen (een fenomeen dat aromaticiteit wordt genoemd). Deze valentie-elektronen zijn vrij om te bewegen, dus kunnen ze elektriciteit geleiden. De elektriciteit wordt echter voornamelijk geleid binnen het vlak van de lagen. De geleidende eigenschappen van grafietpoeder maken het gebruik ervan als druksensor in koolstofmicrofoons mogelijk. Grafiet en grafietpoeder worden in industriële toepassingen gewaardeerd om hun zelfsmerende en droogsmerende eigenschappen. Er is een algemene overtuiging dat de smerende eigenschappen van grafiet uitsluitend te wijten zijn aan de losse interlamellaire koppeling tussen platen in de structuur. Het is echter aangetoond dat in een vacuümomgeving (zoals in technologieën voor ruimtegebruik) grafiet als smeermiddel wordt afgebroken vanwege de hypoxische omstandigheden. Deze waarneming leidde tot de hypothese dat de smering het gevolg is van de aanwezigheid van vloeistoffen tussen de lagen, zoals lucht en water, die van nature uit de omgeving worden geadsorbeerd. Deze hypothese is weerlegd door studies die aantonen dat lucht en water niet worden opgenomen. Recente studies suggereren dat een effect dat supergladheid wordt genoemd, ook de smerende eigenschappen van grafiet kan verklaren. Het gebruik van grafiet wordt beperkt door de neiging om putcorrosie in sommige soorten roestvrij staal te vergemakkelijken en om galvanische corrosie tussen ongelijke metalen te bevorderen (vanwege zijn elektrische geleidbaarheid). Het is ook corrosief voor aluminium in aanwezigheid van vocht. Om deze reden verbood de Amerikaanse luchtmacht het gebruik ervan als smeermiddel in aluminium vliegtuigen en ontmoedigde het het gebruik ervan in automatische wapens die aluminium bevatten. Zelfs grafietpotloodmarkeringen op aluminium onderdelen kunnen corrosie bevorderen. Een ander smeermiddel voor hoge temperaturen, hexagonaal boornitride, heeft dezelfde moleculaire structuur als grafiet. Het wordt soms wit grafiet genoemd vanwege zijn vergelijkbare eigenschappen. Wanneer een groot aantal kristallografische defecten deze vlakken met elkaar verbindt, verliest grafiet zijn smerende eigenschappen en wordt het wat bekend staat als pyrolytisch grafiet. Het is ook sterk anisotroop en diamagnetisch, dus het zal in de lucht zweven boven een sterke magneet. Als het wordt gemaakt in een wervelbed bij 1000–1300 ° C, dan is het isotroop turbostratisch en wordt het gebruikt in apparaten die met bloed in contact komen, zoals mechanische hartkleppen, en wordt het pyrolytische koolstof genoemd, en is het niet diamagnetisch. Pyrolytisch grafiet en pyrolytisch koolstof worden vaak door elkaar gehaald, maar zijn zeer verschillende materialen. Natuurlijk en kristallijn grafiet wordt niet vaak in zuivere vorm als constructiemateriaal gebruikt, vanwege hun afschuifvlakken, broosheid en inconsistente mechanische eigenschappen.

Graphite komt voor in metamorfe gesteenten als gevolg van de reductie van sedimentaire koolstofverbindingen tijdens metamorfose. Het komt ook voor in stollingsgesteenten en in meteorieten. Mineralen die met grafiet worden geassocieerd, zijn onder meer kwarts, calciet, micas en toermalijn. De belangrijkste exportbronnen van gedolven grafiet zijn in volgorde van tonnage: China, Mexico, Canada, Brazilië en Madagaskar. In meteorieten komt grafiet voor met troiliet- en silicaatmineralen. Kleine grafietkristallen in meteorietijzer worden cliftoniet genoemd. Sommige microscopisch kleine korrels hebben kenmerkende isotopensamenstellingen, wat aangeeft dat ze vóór het zonnestelsel werden gevormd. Ze zijn een van de ongeveer 12 bekende soorten mineralen die dateren van vóór het zonnestelsel en zijn ook aangetroffen in moleculaire wolken. Deze mineralen werden gevormd in de ejecta toen supernovae explodeerde of kleine tot middelgrote sterren laat in hun leven hun buitenste enveloppen verdreven. Grafiet is misschien wel het tweede of derde oudste mineraal in het heelal.

Vaste koolstof komt in verschillende vormen voor die bekend staan als allotropen, afhankelijk van het type chemische binding. De twee meest voorkomende zijn diamant en grafiet (minder voorkomende zijn onder meer buckminsterfullereen). In diamant zijn de bindingen sp en de atomen vormen tetraëders met elk gebonden aan vier naaste buren. In grafiet zijn het sp-orbitale hybriden en de atomen vormen zich in vlakken met elk gebonden aan drie dichtstbijzijnde buren op 120 graden van elkaar verwijderd. De afzonderlijke lagen worden grafeen genoemd. In elke laag zijn de koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster met een bindingslengte van 0,142 nm, en de afstand tussen de vlakken is 0,335 nm. Atomen in het vlak zijn covalent gebonden, waarbij slechts aan drie van de vier potentiële bindingsplaatsen is voldaan. Het vierde elektron is vrij om in het vlak te migreren, waardoor grafiet elektrisch geleidend wordt. De hechting tussen lagen vindt plaats via zwakke van der Waals-bindingen, waardoor lagen grafiet gemakkelijk kunnen worden gescheiden of langs elkaar kunnen glijden. De elektrische geleidbaarheid loodrecht op de lagen is daardoor ongeveer 1000 keer lager.

Grafiet is in tegenstelling tot diamant een elektrische geleider. Vanwege de relatieve zachtheid van het materiaal en de (zelf)smerende eigenschappen, wordt het in de elektrotechniek gebruikt in sleepcontacten, onder meer in elektromotoren (als koolborstels), in stroomafnemers en in potentiometers. Een andere toepassing is het gebruik als materiaal voor elektrodes in elektrochemische cellen, bijvoorbeeld bij de isolatie van aluminium uit bauxiet, of in elektrolyse van waterige oplossingen. Ook wordt grafiet tegenwoordig vanwege de zelfsmerende werking verwerkt in kunststof voor gitaar-kammen en brugzadels die snaarfrictie verlagen en daardoor de toonvastheid verbeteren. Grafietpoeder wordt om dezelfde redenen ook als droog smeermiddel gebruikt bij (cilinder)sloten, scharnieren, (fijn) mechaniek en is het vooral geschikt als smeermiddel waar de temperatuur van de (bewegende) onderdelen hoog kan oplopen. Vanwege de hittebestendigheid kan het ook worden toegepast op mallen bij het gieten van materialen bij hoge temperaturen – zoals vloeibare metalen – zodat het gietsel gemakkelijk los komt van de mal. Omdat grafiet neutronen kan remmen (absorberen) wordt het gebruikt als moderator in kernreactoren. Het is echter tamelijk brandbaar en wordt in nieuwe reactorontwerpen niet meer toegepast. Daarnaast wordt grafiet ook veelvuldig als pakking gebruikt in de chemische industrie bijvoorbeeld bij het afdichten van flenzen, vooral bij toepassingen bij hoge temperaturen. Grafiet is een van de grondstoffen voor de stiften in potloden.

Historisch werd grafiet zwart lood of schietlood genoemd. Plumbago werd algemeen gebruikt in zijn massieve minerale vorm. Beide namen komen voort uit verwarring met de op elkaar lijkende loodertsen, met name galena. Het Latijnse woord voor lood, plumbum, gaf zijn naam aan de Engelse term voor dit grijs metaalglanzende mineraal en zelfs aan de leadworts of plumbagos, planten met bloemen die op deze kleur lijken.

De term zwart lood verwijst meestal naar een gepoederd of verwerkt grafiet, matzwart van kleur.

Abraham Gottlob Werner bedacht de naam grafiet ("schrijfsteen") in 1789. Hij probeerde de verwarring tussen molybdeen, plumbago en zwart lood op te ruimen nadat Carl Wilhelm Scheele in 1778 had bewezen dat er minstens drie verschillende mineralen zijn. Uit de analyse van Scheele bleek dat de chemische verbindingen molybdeensulfide (molybdeniet), lood (II) sulfide (galena) en grafiet drie verschillende zachte zwarte mineralen waren.

Grafiet Is een steen met hoge energie die een uitstekende component is in toverstokken. Vaak aangeduid als de "Steen van persoonlijke vrijheid", wordt aangenomen dat het nuttig is om iemand te helpen de levensveranderingen aan te brengen die nodig zijn voor persoonlijke groei. Men denkt dat het de schrijfvaardigheid verbetert en een beter begrip geeft van wiskundige vergelijkingen. Het helpt om cognitieve denkvaardigheden te stimuleren, de gebruiker aan te moedigen tot meer leren en verbetert de communicatie.