Graphite
Koostis / struktuur
Keemilise elemendi süsiniku (Carbon, C) allotroopne vorm. Koosneb tasanditest, milles süsiniku aatomid on seotud tugevate kovalentsete sidemetega, moodustades korrapärastest kuusnurkadest koosneva struktuuri. Üks taoline kvaasilõpmatu tasand kannab grafeeni nimetust. Naabertasandite vahel on aga ainult nõrk van der Waalsi interaktsioon, see annab grafiidile tugevalt anisotroopsed omadused. Grafiidi kristallvõre on heksagonaalse sümmeetriaga. Nn. pürolüütilises grafiidis paiknevad süsiniktasandid väga korrapäraselt ja sisaldavad vähe defekte.
Omadused
Musta “rasvase” värvusega, tihedus 1900 … 2250 kg/m3 (ülempiirile vastavale väärtusele läheneb pürolüütiline grafiit), kõvadus 1 … 2. Grafiit sublimeerub temperatuuridel 3652 … 3697 °C. Pürolüütiline grafiit on tugevaim tuntud harilik (mitteülijuhtiv) diamagneetik, tema magnetiline vastuvõtlikkus on suurima väärtusega sihis – 4,5·10-4 (võrdle väärtusega –1,7·10-4 vismuti jaoks).
Saamine
Looduslik (leiukohad Indias, Sri Lankas, Kanadas, Vene Föderatsioonis). Tehislikult saadakse pürolüütilist grafiiti puhaste gaasiliste süsivesinike termilisel lagundamisel (pürolüüsil).
Rakendused
Pliiatsisüdamikes, määrdena ja määrete koostises. Neutronite aeglustajana tuumareaktorites.
Näidised
E20.2. Grafiitsüdamikuga pliiats.
E20.3. Pürolüütiline grafiit (plaadid).
E8.3. Diamagneetiliselt (pürolüütilise grafiidiga) stabiliseeritud magnethõljuk. Väikese kuubikujulise neodüümmagneti (kahe grafiitplaadi vahel) kaal on tasakaalustatud ülalpool asetseva magneti (pole fotol nähtav) tõmbejõuga. Paraku poleks selline tasakaal ilma grafiitplaatideta püsiv, plaatide ja magneti vahel ilmnev tõukejõud on aga piisav magneti tasakaalu stabiliseerimiseks.
Demod, katsed
D20.1. Pliiatsikiri – mis on ümbrikus? Kinnises paberümbrikus oleva eseme (münt vasakpoolsel fotol) reljeefi saab teha nähtavaks, kui suruda eseme kohal vastu paberit grafiitpliiats ja liigutada seda kiiresti edasi-tagasi. Inertsi tõttu on pliiatsi surve paberile suurem seal, kus pliiatsi liikumise suunas reljeef tõuseb. Seetõttu kandub seal paberile üle rohkem grafiidiosakesi, see muutub mustemaks ja ilmutab sedasi varjatud reljeefi (parempoolne foto ülal). See lihtne demo illustreerib ühe moodsa teravikmikroskoopia haru – aatomjõumikroskoopia (Atomic Forec Microscopy, AFM) põhimõtet. Pliiatsijälg teeb nähtavaks struktuuri, mida me muidu ei suuda eristada. Meetodi ruumiline lahutus on määratud teraviku otsa mõõtmetega, teravikmikroskoopias võib see olla vaid paari aatomi läbimõõtu.
D
20.2. Grafiidipuru orienteerumine magnetväljas. Tänu grafiidi magnetilise vastuvõtlikkuse suurele anisotroopiale orienteeruvad grafiidihelbed tugevas magnetväljas nii, et magnetilise induktsiooni vektor on paralleelne grafeenitasanditega. Vasakpoolne joonis: garfiidihelbed mustal paberil – algolek; parempoolne joonis: paberile on altpoolt lähendatud silindermagnet, tema kohal toimub grafiidihelveste ümberorienteerumine ja selles piirkonnas kahaneb tugevalt valguse peegeldumine (must sõõrjas ala).
D20.3. Pürolüütilisest grafiidist plaadikese orienteerumine magnetväljas. Magnetaluse kõigutamisel püüab plaadike säilitada orientatsiooni, kus välja jõujooned on risti plaadi tasandiga (st risti grafeenitasanditega).
D8.3. Diamagneetiliselt stabiliseeritud magnethõljuk.
Viited:
- Chemistry : Periodic Table : carbon : key information [30.11.03].
- (PDF!) M. D. Simon , A. K. Geim, Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets (invited), J. Appl. Phys., 87 (2000) 6200 [16.10.04].
Tänu: SA Teaduskeskus AHHAA
Koostas: Taavi Audova, JK
