グラファイト完全解説：定義、種類、応用

グラファイトとは？

グラファイトは古くはプルンバゴと呼ばれ、炭素原子が六方最密充填構造で配列した柔らかい結晶性炭素形態です。グラファイトは天然に産出する結晶性炭素の形態です。変成岩と火成岩に見られる天然元素鉱物です。グラファイトは極端な特性を持つ鉱物です。

グラファイトは地球の地殻と上部マントルで炭素が熱と圧力を受けることで形成されます。75,000ポンド/平方インチの圧力範囲と750℃の温度範囲がグラファイト生成に必要です。これらは粒岩相変成作用に対応します。高圧高温下ではダイヤモンドに変換されます。

灰色から黒色、不透明、金属光沢を持ち、柔軟だが弾力性はありません。金属と非金属の両方の特性を示し、多くの産業用途に適しています。金属的特性には熱伝導性と電気伝導性が含まれます。非金属的特性には不活性、高耐熱性、潤滑性が含まれます。

グラファイトは鉛筆と潤滑剤に使用されます。熱と電気の良導体です。高い伝導性により、電極、電池、ソーラーパネルなどの電子製品に有用です。

関連： 金属と非金属とは？

誰がグラファイトを発見した？

グラファイトはエドワード・G・アチソンがカーボランダムで高温実験を行っている際に偶然合成しました。彼は約4,150℃（7,500°F）でカーボランダム中のシリコンが蒸発し、炭素がグラファイト形態で残ることを発見しました。

アチソンは1896年にグラファイト製造の特許を取得し、1897年に商業生産が開始されました。1918年以来、石油コーク（有機化合物に囲まれた小さく不完全なグラファイト結晶）が、99〜99.5%純度のグラファイト生産の主要原料となっています。

グラファイトの色は？

グラファイトは灰色から黒色の範囲で、不透明かつ金属的外観を持ちます。炭素原子で構成され、最高級の石炭と見なせますが、通常燃料としては使用されません。

グラファイトは中間的な灰色です。色名として「チャコール」と交換可能に使用されます。木製鉛筆の「芯（リード）」を指し、実際にはグラファイト系顔料と粘土結合剤で作られています。

グラファイトは灰色の色相で、基本的に感情のない色です。超然、中立、優柔不断、白と黒の間の移行色です。

グラファイトの構造

グラファイトは、6つの炭素原子の環が広く間隔を空けて水平シートに配列した層状構造を持ちます。グラファイトは六方晶系で結晶化し、同じ元素がダイヤモンドでは八面体または四面体系で結晶化するのと対照的です。

グラファイトは6員環の六方最密充填構造で配列した炭素原子の層からなります。これらの環は縁で互いに接続されています。融合環の層は無限系列の融合ベンゼン環（水素原子なし）としてモデル化できます。

これらの環配列の炭素原子はsp²混成軌道状態にあります。sp²分子軌道モデルでは、各炭素原子は3つの他種と結合し、グラファイトの場合はさらに3つの炭素原子と結合します。この結合モードでは、隣接する炭素原子間の結合角は120°です。

これらの「環アレイ」は炭素原子の大きな層に配列され、個々の層をグラフェン層と呼びます。層面内の炭素-炭素結合長は1.418Åです。グラファイト層は、グラファイトが結晶化する六方晶系4軸系の結晶学的「c」軸に平行に積み重ねられています。グラファイト構造の詳細についてはガイドを参照してください。

グラファイトの特性

グラファイトは原子力発電所の減速材ロッド製造に使用される炭素の同素体です。その特性は以下の通り：

• 灰黒色、不透明な物質
• ダイヤモンドより軽く、滑らかで触ると滑りやすい
• 電気の良導体（自由電子の存在により）かつ熱の良導体
• 結晶性固体
• 触ると非常に石鹸のような感触
• 不燃性
• ファンデルワールス力が弱いため柔らかい
• 電気の導体

グラファイトの物理的特性

グラファイトはダイヤモンドと同様に高い融点を持ちます。グラファイトを溶かすには、一枚のシートをもう一枚から剥がすだけでは不十分で、構造全体を通じた共有結合を切断する必要があります。

柔らかく滑りやすく、鉛筆や錠前などの乾式潤滑剤として使用されます。トランプの束のように考えられます。各カードは強いですが、カード同士が互いに滑ったり、束から完全に落ちたりします。鉛筆を使うと、シートが擦り取られて紙に付着します。

また、ダイヤモンドより密度が低いです。これはシート間に比較的大きな「無駄な」空間があるためです。

水と有機溶媒に不溶です。これはダイヤモンドが不溶であるのと同じ理由です。溶媒分子と炭素原子間の引力は、グラファイト内の強い共有結合を打ち破るほど強くなることはありません。

グラファイトは電気を伝導します。非局在化電子がシートを自由に移動できます。グラファイト片を回路に接続すると、電子がシートの一端から離れ、もう一端で新しい電子に置き換わります。

グラファイトの化学的特性

色	鉄黒色から鋼灰色；透過光で深青色
化学分類	天然元素
条痕	黒
光沢	金属光沢、時に土状
透明度	不透明
劈開	一方向に完全
モース硬度	1〜2
比重	2.1〜2.3
診断的特性	色、条痕、滑りやすい感触、比重
化学組成	C
結晶系	六方晶系

グラファイトの種類

グラファイトの異なる種類：

1. 天然グラファイト
   1. 高結晶性グラファイト
   2. 非晶質グラファイト
   3. フレークグラファイト
2. 合成グラファイト

1. 天然グラファイト

天然グラファイトはグラファイト炭素の鉱物形態です。結晶度がかなり変動します。商業用グラファイトの大半は採掘され、通常他の鉱物を含みます。採掘後、通常フォームフローテーションなどかなりの量の鉱物処理を経てグラファイトを濃縮します。

天然グラファイトは幅広い温度範囲で安定した優れた熱・電気伝導体で、融点3650℃の高強度材料です。主に耐火物、電池、製鋼、膨張グラファイト、ブレーキライニング、鋳造用フェーシング、潤滑剤に使用されます。

天然グラファイトは3つの形態で利用可能で、すべて天然由来のグラファイト材料から加工されます。3形態それぞれが特定の用途に適した独自の特性を持ちます。

1.1 結晶質グラファイト（脈状グラファイト）

結晶質脈状または塊状グラファイトは、天然グラファイトの中で最も稀少、最も価値が高く、最高品質の形態とされています。地下高温流体（原油など）から固体グラファイト炭素が直接堆積し、時間、温度、圧力によってグラファイトに変換されたものです。

スリランカは現在、結晶質脈状グラファイトを生産している唯一の管轄区域です。結晶質脈状グラファイトは成形が容易で、結合添加剤なしで固形に成形でき、低品質原料に比べて大幅なコスト削減になります。

結晶質脈状グラファイトの亀裂は通常1cm〜1mの厚さで、通常90%以上の純度（Cg）を持ちます。精製なしで95〜99%の炭素純度です。フレークグラファイトと同様の多くの用途に適し、潤滑剤、電池、砥石、粉末冶金などの製品用途と市場価格で明確な競争優位性を提供します。

1.2 非晶質グラファイト

非晶質グラファイトは、無煙炭層と変成作用剤の間の接触変成作用によって一般的に形成されます。結果は微結晶グラファイトで、一般に非晶質グラファイトとして知られます。非晶質グラファイトは天然グラファイトの中で最も制限されます。地質環境によりグラファイト含有量は25〜85%の間で変動します。

石炭、スレート、粘板岩などの準変成岩層に極めて小さな結晶状粒子として見つかります。精製後でも比較的低い炭素純度は70〜85%の間で変動します。顕微鏡で見ない限り見えません。

鉛筆、潤滑剤、耐火物、塗料製造、冶金、コーティング、ブレーキパッド、ゴム添加剤など低品質グラファイト製品に使用されます。最も安価なグラファイト形態です。非晶質グラファイトの大規模鉱床は中国、メキシコ、アメリカで見つかります。

1.3 フレークグラファイト

天然フレークグラファイトは、炭素材料が高圧高温にさらされることで形成されます。炭素源材料は有機・無機どちらでも可能ですが、商業的に利用可能なフレークグラファイトの大半は有機堆積物由来です。必要圧力は通常1ギガパスカル以上、必要温度は通常750℃以上です。

フレークグラファイトは鉱床全体に均等に分布する変成岩中、または集中したレンズ状ポケットで見つかります。炭素濃度範囲は5〜40%の間で変動します。フレークグラファイトは石灰岩、片麻岩、片岩などの特定の変成岩で薄板状またはフレーク状として見つかります。

フォームフローテーションでフレークグラファイトを抽出します。「浮遊」グラファイトは80〜90%のグラファイト含有量を持ちます。98%以上の層はグラファイト化学調製プロセスで作られました。フレークグラファイトは世界中の多くの場所で見つかります。

2. 合成グラファイト

合成グラファイトはコークとピッチから生成できます。このグラファイトは天然グラファイトほど結晶質ではありません。しかし、高秩序パイロライティックグラファイトまたは高配向パイロライティックグラファイト（HOPG）は、グラファイトシート間の角度広がりが1°未満のグラファイトを指します。

基本的に合成グラファイトには2タイプあります。一つは電気グラファイトで、コールタールピッチと焼成石油コークから電気炉で生産される純粋な炭素。二つ目は焼成石油ピッチを2800℃で加熱して作られる合成グラファイトです。

基本的に、合成グラファイトは天然グラファイトより高い電気抵抗率と多孔性、低い密度を持ちます。高い多孔性により耐火用途には不向きです。

合成グラファイトは主に、グラファイト化、非グラファイト炭素の熱処理、または2100K以上の温度での炭化水素からの化学気相堆積によって達成されたグラファイト炭素を含みます。

合成グラファイトの用途：航空宇宙用途、カーボンブラシ、グラファイト電極、電池、原子力発電所の減速材ロッド。合成グラファイトの高多孔性により耐火用途には不向きです。

グラファイトの用途

グラファイトは古代から使用されてきました。現代世界でも幅広い用途があります。

グラファイトの一般的な用途を見てみましょう：

• 筆記材料
• 潤滑剤
• 耐火物
• 原子炉
• 電池
• グラフェンシート

1. 筆記材料

「グラファイト」という言葉は「書く」を意味するギリシャ語に由来します。したがって、グラファイトの最も一般的な用途は鉛筆の芯を作ることです。この芯は非晶質形態の粘土とグラファイトの混合物です。

2. 潤滑剤/忌避剤

グラファイトはグリースなどの潤滑剤の主要成分の一つです。この鉱物は大気中の水蒸気と反応し、塗布面に薄い膜または層を作り、摩擦を減らします。グラファイトは自動車のブレーキとクラッチにも使用されます。

塊状グラファイトの粉末形態も塗料に使用されます。なぜか？グラファイトは本質的に撥水性だからです。木材や他の表面に保護被膜を提供します。

3. 耐火物

高い耐熱性と不変性により、グラファイトは広く使用される耐火材料です。製造業で使用され、ガラスと鋼の生産、鉄の加工を助けます。

4. 原子炉

グラファイトは高速中性子を吸収できます。その結果、原子炉で核反応を安定化するために使用されます。

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5. 電気産業

結晶質フレークグラファイトは、乾電池と電気産業で必要なカーボン電極、ブラシ、プレートの製造に使用されます。興味深いことに、天然グラファイトは合成グラファイトにも加工されます。このタイプのグラファイトはリチウムイオン電池で有用です。

6. グラフェンシート

グラファイトからグラフェンシートを作れます。これらのシートは鋼の100倍強く、10倍軽いと言われています。このグラファイト誘導体はさらに軽量高強度スポーツ用品の製造に使用されます。多くの人が医療と航空宇宙分野での将来応用を検討しています。

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参考文献：

グラファイト材料：usgs.gov

よくある質問

グラファイトとは？

グラファイトは古くはプルンバゴと呼ばれ、炭素原子が六方最密充填構造で配列した柔らかい結晶性炭素形態です。グラファイトは天然に産出する結晶性炭素の形態です。変成岩と火成岩に見られる天然元素鉱物です。グラファイトは極端な特性を持つ鉱物です。

グラファイトの種類は？

天然グラファイト：3形態は非晶質グラファイト、フレークグラファイト、結晶質脈状グラファイトで、それぞれ特定の用途に適した独自の特性を持ちます。

誰がグラファイトを発見した？

グラファイトはエドワード・G・アチソンがカーボランダムの高温実験中に偶然合成しました。約4,150℃（7,500°F）でカーボランダム中のシリコンが気化し、炭素がグラファイト形態で残ることを発見しました。

グラファイトは何に使われる？

グラファイトは鉛筆、製鋼、スマートフォンなどの電子機器にも使用されます。おそらく最も重要な用途はリチウムイオン電池で、グラファイトはリチウム以上に主要成分としてランク付けされます。リチウムイオン電池には実際にリチウムの10〜30倍のグラファイトが含まれています。

グラファイトは何から作られる？

グラファイトは純粋な炭素でできています。炭素原子は様々な構造を作る結合を形成できます。ダイヤモンドとグラファイトは炭素の最もよく知られた2つの形態（同素体）です。

グラファイトの特別な点は？

金属と非金属の両方の特性を持つ点でユニーク：柔軟だが弾力性はなく、高い熱伝導性と電気伝導性を持ち、高耐火性と化学的不活性を示します。グラファイトはX線と中性子の吸収が低く、原子力用途で特に有用な材料です。

グラファイトはどこで見つかる？

グラファイトは大理石、片麻岩、片岩などの変成岩中でフレークや結晶層として最もよく見つかります。有機物豊富な頁岩層や石炭層でも見つかることがあります。これらの場合、グラファイト自体はおそらく枯死した植物と動物物質の変成作用から生じたものです。

グラファイトは肌に良い？

グラファイトはホメオパシーで長期皮膚障害と革のように硬くひび割れた皮膚を持つ人に使用されます。乾癬症状を和らげるという証拠は逸話的なもののみです。

グラファイトは潤滑剤として使われる？

グラファイトは長年潤滑剤として使用されてきました。グラファイトの潤滑メカニズムは機械的な性質を持ち、あるグラファイト粒子が別のグラファイト粒子の上を滑ることで生じると考えられています。グラファイトは乾式潤滑剤として、または潤滑油に分散させて使用できます。

石炭をグラファイトに変えるには？

電子レンジで、石炭粉末を含むガラス瓶内で火花を発生させます。銅箔、ガラス容器、一般的な家庭用電子レンジを使用し、ワイオミング大学の研究者たちが粉砕石炭粉末を高付加価値ナノグラファイトに変換できることを実証しました。

グラファイトは鋼より強い？

単層炭素原子からなる材料グラフェンは、存在する最強材料と謳われ、鋼の200倍の強度、紙より軽く、驚異的な機械的・電気的特性を持ちます。

グラファイトは物質？

グラファイトは炭素の同素体です。炭素原子で構成される柔らかく灰黒色で不透明な物質です。

何がグラファイトを溶かせる？

グラファイトは通常圧力では実際には融解しません。二酸化炭素のように、固体から直接気体になります。したがって、約100気圧まで達しない限りグラファイトに融点はありません。

誰がグラファイトを生産している？

中国が世界最大のグラファイト生産国ですが、同国のグラファイト埋蔵量は世界第2位です。世界最大のグラファイト埋蔵量を持つ国はトルコです。2020年には約9,000万トンの天然グラファイト埋蔵量がありました。

世界で最も純粋なグラファイトはどこ？

スリランカ。スリランカでのグラファイト採掘はオランダ占領期から行われています。世界で唯一、最も純粋なグラファイト形態である脈状グラファイト（塊状グラファイトとも呼ばれる）を商業量で生産している国で、現在世界グラファイト生産の1%未満を占めます。

グラファイトは放射線を遮断する？

グラファイトフィルムは電子機器を電磁波（EM）放射からシールドできますが、現在の製造技術では数時間かかり、約3000℃の処理温度が必要です。

グラファイトの副作用は？

過剰曝露の影響：天然グラファイトを数年間繰り返し吸入すると、胸部圧迫感、息切れ、咳、黒色喀痰、痛みなどの症状を伴う肺瘢痕を引き起こす可能性があります。

なぜグラファイトが鉛筆に使われる？

グラファイトはファンデルワールス力で結合した層状構造を持ちます。層間で容易に剥離するため、非常に柔らかく滑りやすいです。この理由で鉛筆や高温で動作する機械の潤滑剤として使用されます。

なぜグラファイトが優れた潤滑剤？

炭素原子はシート内で強く結合しています。シート間の結合が弱いため、グラファイトは摩擦力下で低いせん断強度を示します。したがって固体潤滑剤として使用でき、伝統的かつ主要な固体潤滑材料の一つとなっています。

なぜグラファイトは潤滑剤として使えるがダイヤモンドは使えない？

柔らかさと非揮発性のため、グラファイトは機械の高速可動部の潤滑剤として使用されます。高温で動作する機械部品の潤滑に使用されます。一方ダイヤモンドは極めて硬い物質のため、潤滑剤として使用できません。

なぜグラファイトはダイヤモンドと違う？

グラファイトとダイヤモンドは最も興味深い鉱物の二つです。化学的に同一で、両方とも炭素（C）で構成されますが、物理的には大きく異なります。グラファイトは非常に柔らかく、このスケールで硬度1〜2です。ダイヤモンドは最も硬い天然物質で硬度10です。