Grafiitti

Tämä artikkeli käsittelee hiilen ilmenemismuotoa. Maalaustyylistä katso Graffiti

Grafiitti on hiilen yleisin ilmenemismuoto. Se on kidejärjestelmältään heksagoninen, tummanharmaa, pehmeä ja tahraava mineraali, joka on puhdasta hiiltä. Sen kiteet ovat kuusikulmaisen levyn muotoisia. Grafiitti johtaa hyvin sähköä ja sitä käytetään muun muassa sähkömoottorien hiiliharjoissa, elektrodimateriaalina, voiteluaineena, lisäaineena polymeerissä, lyijykynän lyijynä ja ydinreaktoreiden hidastinaineena.

Ominaisuudet

Grafiitin kovuus on Mohsin kovuusasteikolla 1–2 ja tiheys 2,2 t/m³.

Grafiitin kiderakenteen yksikkökoppi
Grafiitin hilataso
Grafiitin hilatasoja sivulta katsottuna

Grafiitti koostuu päällekkäin kerrostuneista hilatasoista. Jokaisessa hilatasossa hiiliatomit ovat järjestyneet säännöllisistä kuusikulmioista koostuvaksi heksagonaaliseksi rakenteeksi, jossa vierekkäisten hiiliatomien ydinten välimatka on 0,142 nanometriä, kun taas hilatasojen välinen etäisyys on 0,335 nanometriä^[1]. Grafiitti esiintyy kahdessa muodossa, heksagonaalisena alfa-grafiittina ja romboedrienä beeta-grafiittina, jotka ovat ominaisuuksiltaan hyvin samankaltaisia, paitsi että hilatasot on ikään kuin pinottu eri tavalla.^[2]. Heksagonaalinen grafiitti voi olla sileää tai rosoista.^[3]. Luonnon grafiitit sisältävät usein noin 30 % beeta-grafiittia, kun taas monet keinotekoisesti valmistetut sisältävät ainoastaan alfa-grafiittia. Alfa-grafiitti voidaan mekaanisella käsittelyllä muuttaa beeta-grafiitiksi, joka kuitenkin kuumennettuna 1 300 °C:een muuttuu takaisin alfa-grafiitiksi.^[4].

Akustisilta ja lämpöopillisilta ominaisuuksiltaan grafiitti on hyvin anisotrooppinen aine, koska kimmoaallot etenevät nopeasti hilatasojen suunnassa mutta paljon hitaammin niihin nähden kohtisuorassa suunnassa. Grafiitti johtaa sähköä hilatasojen suunnassa, koska kunkin hilatason sisällä hiiliatomien valenssielektronit ovat vahvasti delokalisoituneet ja voivat vapaasti liikkua tasojen sisällä. Sen sijaan niitä vastaan kohtisuorassa suunnassa grafiitti on huono sähkönjohde.

Grafiittia ja grafiittijauhetta käytetään teollisuudessa kuivana voiteluaineena. Grafiitin arveltiin pitkään soveltuvan tähän tarkoitukseen siksi, että sen hilatasot voivat helposti liukua toistensa suhteen. On kuitenkin osoittautunut, että tyhjiössä grafiitti on varsin huono voiteluaine. Tämä osoitti, että grafiitin voiteluominaisuudet johtuvatkin ympäristöstä hilatasojen väliin kertyvästä ilmasta ja vedestä. Tässä suhteessa grafiitti eroaa oleellisesti muista kuivista voiteluaineista kuten molybdeenidisulfidista.

Joutuessaan kosketuksiin eräiden metallien kanssa grafiitti voi nopeuttaa niiden korroosiota, erityisesti kosteassa ympäristössä. Joissakin ruostumattomissa teräksissäkin voi grafiitin vaikutuksesta esiintyä korroosiota, samoin alumiinissa, erityisesti jos se joutuu kosketuksiin eri metallien kanssa.^[5]

Samanlainen kiderakenne kuin grafiitilla on myös heksagonaalisella boorinitridillä, jossa joka toinen hiiliatomi on korvattu boori- ja joka toinen typpiatomilla. Sitäkin voi käyttää voiteluaineena, ja grafiittia muistuttavien ominaisuuksiensa vuoksi sitä sanotaan joskus valkoiseksi grafiitiksi.

Jos grafiitissa esiintyy runsaasti kidevirheitä, joiden vuoksi eri hilatasot ovat sidoksissa toisiinsa, se menettää voiteluaineominaisuutensa ja muuttuu pyrolyyttiseksi hiileksi. Sitä käytetään sellaisissa lääketieteellisissä implanteissa, jotka joutuvat kosketuksiin veren kanssa, esimerkiksi keinotekoisissa sydänläpissä. Pyrolyyttinen hiili on vahvasti diamagneettista, joten voimakkaan magneetin yläpuolella se voi leijua ilmassa.

Merkittävimmät esiintymisalueet

Lähteet

Geologian tutkimuskeskus/Tietoaineistot/Retkeilijän kiviopas (Arkistoitu – Internet Archive)

Viitteet

↑ P. Delhaes: Graphite and Precursors, CRC Press 2001
↑ C. S. G. Cousins: Elasticity of carbon allotropes. Optimization, and subsequent modification, of an anharmonic Keating model for cubic diamond.^{[vanhentunut linkki]} Physical Review B, volume 67, sivu 024107, 2003.
↑ W.G. Wyckoff: Crystal Structures. John Wiley & Sons, 1963.
↑ IUPAC: Rhombohedral graphite (Arkistoitu – Internet Archive)
↑ Artikkeli galvaanisesta korroosiosta (Arkistoitu – Internet Archive)