Graphite là gì? Cấu trúc, Tính chất và Ứng dụng trong Công nghiệp và Cuộc sống

Chu Văn An

Than chì là gì? Đây là một dạng thù hình của carbon được biết đến với cấu trúc đặc biệt, tính dẫn điện tốt và khả năng chịu nhiệt cao. Nhờ những đặc tính này mà than chì đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp truyền thống đến công nghệ tiên tiến. Hãy cùng tìm hiểu về than chì, cấu trúc, tính chất và ứng dụng cụ thể của nó.

1. Than chì là gì?

Than chì (graphit) là một dạng thù hình của cacbon, trong đó các nguyên tử cacbon liên kết với nhau dưới dạng phân lớp. Đây là loại vật liệu tự nhiên phổ biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống nhờ tính dẫn điện, độ bền và khả năng chịu nhiệt.

• Công thức hóa học: C
• Nguồn gốc cái tên: Xuất phát từ tiếng Hy Lạp “graphein”, có nghĩa là “viết”, vì than chì được dùng để sản xuất bút chì.

Than chì được sử dụng để sản xuất bút chì

2. Các loại than chì

2.1. Than chì tự nhiên

Tồn tại dưới dạng khoáng chất trong tự nhiên. Bao gồm các định dạng:

• Than chì dạng vảy: Chất lượng cao, dùng trong công nghệ điện cực và bôi trơn.
• Khối than chì: Phổ biến trong công nghiệp.
• Than chì vô định hình: Bột mịn, dùng trong luyện kim và sản xuất bút chì.

Than chì tự nhiên

2.2. Than chì nhân tạo

Được sản xuất bằng cách nung nóng các vật liệu chứa carbon ở nhiệt độ cao (khoảng 3000°C) trong môi trường không có oxy.

Tinh khiết hơn than chì tự nhiên và được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao như điện cực trong pin lithium-ion.

2.3. Phân phối và khai thác

Than chì tự nhiên được khai thác từ các mỏ khoáng sản lớn ở Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Canada và Madagascar. Trung Quốc là nước sản xuất than chì lớn nhất thế giới.

Than chì nhân tạo thường được sản xuất trong các nhà máy luyện kim và công nghệ tiên tiến.

3. Cấu trúc của than chì

Than chì có cấu trúc phân lớp đặc trưng, ​​tạo nên các đặc tính độc đáo của nó như độ mềm, độ dẫn điện và nhiệt tốt.

3.1. Cấu trúc lớp

Trong mỗi lớp, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị sp2, tạo thành mạng lục giác.

Các lớp carbon được xếp chồng lên nhau và liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu nên các lớp dễ dàng tách ra và trượt lên nhau.

Cấu trúc phân tử của than chì

3.2. Sự tồn tại của các electron tự do

Vì mỗi nguyên tử carbon chỉ liên kết với ba nguyên tử khác nên có một electron tự do không liên kết. Electron này giúp than chì dẫn điện và tỏa nhiệt tốt.

3.3. Đặc điểm nổi bật của kết cấu

Độ mềm: Vì lực liên kết giữa các lớp rất yếu.

Độ trơn: Các lớp cacbon có thể trượt lên nhau, tạo nên bề mặt nhẵn.

Độ dẫn điện: Các electron tự do di chuyển dễ dàng trong mạng lưới carbon

4. Tính chất của than chì

4.1. Tính chất vật lý

Màu sắc: Xám đậm hoặc đen.

Độ cứng: Mềm, dễ tách thành từng lớp mỏng.

Tính bôi trơn: Than chì được sử dụng làm chất bôi trơn rắn.

Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt: Nhờ có các electron tự do.

Mật độ: Khoảng 2,2 g/cm³, nhẹ hơn nhiều so với kim loại.

4.2. Tính chất hóa học

Khả năng chịu nhiệt: Than chì có thể chịu được nhiệt độ cực cao (trên 3000°C) trong môi trường không có oxy.

Khả năng chống ăn mòn: Than chì phản ứng ít với hầu hết các hóa chất trong điều kiện bình thường.

Dễ bị oxy hóa: Ở nhiệt độ cao trên 700°C trong môi trường có oxy, than chì sẽ bị oxy hóa thành CO₂ hoặc CO.

5. Ứng dụng của than chì

Nhờ những tính chất đặc biệt nên than chì được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Công nghiệp luyện kim: Sản xuất điện cực than chì trong lò điện hồ quang. Chế tạo nồi nấu kim loại chịu nhiệt độ cao.

Sản xuất điện cực than chì trong lò hồ quang điện

Công nghiệp pin và năng lượng: Dùng làm cực âm trong pin lithium-ion. Là một thành phần trong siêu tụ điện và pin nhiên liệu.

Chất bôi trơn: Than chì ở dạng bột mịn hoặc dạng nhũ tương được sử dụng làm chất bôi trơn rắn trong môi trường nhiệt độ cao, nơi dầu và mỡ bôi trơn không hiệu quả.

Công nghệ vật liệu mới: Sản xuất Graphene: Chất liệu siêu bền, siêu mỏng, cực dẫn điện, được ứng dụng trong công nghệ nano và điện tử. Tạo ra vật liệu cách nhiệt, chống cháy nhờ khả năng chịu nhiệt, cách nhiệt tốt.

Sản xuất bút chì: Than chì được trộn với đất sét để tạo thành lõi bút chì có độ cứng khác nhau.

Y học và công nghệ sinh học: Được sử dụng trong sản xuất thiết bị y tế và vật liệu sinh học nhờ tính trơ và độ bền hóa học.

6. So sánh than chì và kim cương

Than chì là vật liệu đặc biệt có cấu trúc phân lớp độc đáo, độ dẫn điện và khả năng chịu nhiệt cao. Từ bút chì thông thường đến pin lithium-ion và công nghệ nano graphene, than chì đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại và ngành công nghiệp tiên tiến. Với tiềm năng phát triển mạnh mẽ, than chì sẽ tiếp tục là vật liệu cốt lõi trong các ứng dụng công nghệ trong tương lai.