なぜグラファイトは導電性があるのでしょうか? (+ 知っておくべき 3 つのこと)

はい、グラファイトは導電性があります。その導電性は、炭素原子が層状に配置された独特の構造によるものです。これらの層には自由に移動できる非局在化した電子が含まれており、材料内に電流が流れることができます。

まあ、それは単純な答えでした。ただし、このトピックについては、コンセプトを明確にするために知っておくべきことがいくつかあります。

それでは早速本題に入りましょう。

説明: なぜグラファイトは導電性があるのでしょうか?

グラファイトは、その独特の原子構造と炭素原子の配置により導体です。炭素は一般に非金属として知られていますが、黒鉛は例外であり、導体の特性を示します。

グラファイトでは、炭素原子がグラフェンシートと呼ばれる六角形構造の層に配置されています。各グラフェン シートは、六方格子状に結合した炭素原子の 2 次元配列で構成されています。各層内では、炭素原子が強い共有結合によって互いにしっかりと結合し、安定した構造を形成しています。

ただし、グラファイト層はより弱いファンデルワールス力によって保持されているため、簡単に互いに滑り抜けることができます。これにより、グラファイトにその特徴的な潤滑性と薄片状の性質が与えられます。これらの弱い層間力の存在により、材料内での電子の移動も可能になります。

グラファイトには非局在化電子が存在します。これは、炭素原子の最も外側の電子の一部が特定の原子または結合に限定されていないことを意味します。代わりに、構造内を自由に移動できます。これらの非局在化した電子は、電気を伝導する役割を果たします。

電位差がグラファイト構造全体に適用されると、非局在化した電子がグラフェン層に沿って移動し、電流が形成されます。グラフェンシート内の炭素原子間のパイ結合の重なりにより、これらの電子の移動が容易になります。電子が自由に移動し、電気を伝導するこの能力が、グラファイトを導体にします。

グラファイトはその層の面内では導電性がありますが、これらの層に垂直な導電性は比較的低いことに注意することが重要です。この異方性導電性は、各層内の強い結合と層間の弱い相互作用によるものです。

導体としてのグラファイトの使用

グラファイトは、その優れた導電特性により、さまざまな産業で多くの用途に使用されています。導体としてのグラファイトの一般的な用途を 5 つ紹介します。

• 電気産業:グラファイトは、その導電性により電気産業で広く使用されています。電池、燃料電池、コンデンサーの電極材料としてよく使用されます。グラファイト電極は、鉄鋼生産用の電気炉でも重要であり、金属の溶解と精製に必要な熱を発生させるために大電流が流れます。
• エレクトロニクスおよび半導体:グラファイトは電子デバイスおよび半導体に使用されます。これはプリント回路基板 (PCB) などのアプリケーションでよく見られ、コンポーネント間の電気接続を提供する導体として機能します。グラファイトは電子部品から熱を奪うため、ヒートシンクや熱管理システムにも使用されます。
• 航空宇宙および自動車産業:グラファイトは、高い導電性を必要とする航空宇宙および自動車用途で使用されます。電気モーターや発電機のブラシや整流子に使用され、可動部品間の電流の伝達を容易にします。さらに、グラファイトは航空機の避雷システムにも使用されており、雷が安全に放電するための導電経路を提供します。
• 電気発熱体:グラファイトは電気を通し、高温に耐える能力があるため、電気発熱体に適しています。電気オーブン、工業プロセス用の発熱体、トースターやヘアドライヤーなどの家庭用電化製品の加熱部品などの用途に使用されます。
• 導電性コーティングおよび潤滑剤:グラファイトは、その導電性と潤滑特性により、導電性コーティングまたは潤滑剤としてよく使用されます。電気接点やスリップ リングなどの表面のコーティングに使用して、効率的な電気伝達を確保し、摩擦を低減できます。グラファイトベースの潤滑剤は、可動部品間の摩耗や摩擦を軽減するために、さまざまな産業用途で使用されています。

これらは、導体としてグラファイトが使用される多くの用途のほんの一例にすぎません。その多用途性と優れた導電性特性により、導電性が不可欠な多くの産業において貴重な材料となっています。

参考文献

グラファイトは金属ですか？
黒鉛は元素ですか？
ダイヤモンドは元素ですか、それとも化合物ですか?
ダイヤモンドは鉱物ですか、それとも岩ですか?
黒鉛は鉱物ですか？