黒鉛の融点は高いですか、それとも低いですか？その極端な耐熱性を発見する

要するに、黒鉛は非常に高い融点を持っています。より正確には、標準大気圧下では、約3,652℃（6,606°F）という極端な温度で昇華します—固体から直接気体に変化します。真に液体状態に融解させるには、非常に高い温度（約4,500℃）と高圧の両方が必要です。

黒鉛の耐熱性の核心的な理由は、その原子構造にあります。黒鉛を融解させることは、単に層を分離する問題ではなく、材料そのものを形成する非常に強力な共有結合を破壊する問題であり、そのためには膨大なエネルギーが必要となります。

黒鉛の巨大共有結合構造

黒鉛の融点を理解するためには、まずその構造を理解する必要があります。それは単純な分子の集まりではなく、巨大共有結合構造です。

黒鉛中の各炭素原子は、強力な共有結合によって他の3つの炭素原子に結合しています。これらの原子は六角形の格子を形成し、広大な二次元のシートまたは層を構成します。

これらの共有結合はダイヤモンドに見られるのと同じ種類の結合であり、破壊するには莫大な熱エネルギーを必要とするほど非常に強力です。

層内の原子は強く結合していますが、層自体はファンデルワールス力として知られるはるかに弱い分子間力によって結合されています。

これらの弱い力は容易に克服されるため、黒鉛は柔らかく滑りやすい感触があります。この特性により層が滑り落ちるため、黒鉛は鉛筆の芯や固体潤滑剤として優れた材料となります。

この2種類の力の区別は極めて重要です。黒鉛の滑りやすさは層の間の弱い力によるものですが、その融点は層の内部の強い共有結合によって決定されます。

黒鉛を固体から液体に相変化させるには、強い共有結合を破壊し、炭素原子が自由に動けるようにするのに十分なエネルギーを供給する必要があります。これが、既知の材料の中で最も高い融点/昇華点の一つを持つ理由です。

黒鉛の特性は均一ではなく、熱下での挙動には、実用的な用途にとって極めて重要な特定の条件と制限があります。

通常の大気圧下では、黒鉛は融解しません。加熱されると、昇華点に達し、直接気体に変化します。

真の液体炭素相は、約10メガパスカル（MPa）、つまり標準大気圧の約100倍の非常に高い圧力でのみ存在します。

黒鉛は異方性材料であり、測定方向によって特性が異なります。

層に沿っては熱と電気を非常によく伝導しますが、それらに垂直な方向では導電性が低くなります。これは熱管理用途で考慮する必要があります。

黒鉛の昇華点は、別の炭素同素体であるダイヤモンドの昇華点に匹敵するか、特定の条件下ではそれを上回ります。どちらも同じ理由で高いのです。それは強い共有結合を破壊する必要があるからです。

金属と比較すると、黒鉛は際立っています。例えば、鉄は1,538℃で融解し、最も融点の高い金属の一つであるタングステンは3,422℃で融解しますが、これはまだ黒鉛の昇華点より低いです。

これらの原理を理解することで、特定の目的に基づいて黒鉛を効果的に選択し、使用することができます。

主な焦点が極度の熱封じ込めである場合：黒鉛は、ほとんどの金属が液体または蒸気になっている温度で、その信じられないほど高い昇華点と構造的安定性により、るつぼ、炉内張り、ロケットノズルにとって最高の選択肢です。
主な焦点が高温電気伝導性である場合：黒鉛は、アーク炉の電極に理想的です。これは、発生する巨大な熱に耐えながら、莫大な電流を効率的に伝導できるためです。
主な焦点が材料科学の理解である場合：材料の融点は、原子を結合させている結合の強さと根本的に関連していることを覚えておいてください。黒鉛はその巨大共有結合構造の典型的な例です。

結局のところ、黒鉛の高い融点はその堅牢な原子構造の直接的な結果であり、既知の材料の中で最も熱的に弾力性のあるものの一つとなっています。