グラファイト（黒鉛）とは：構造・性質・生成・用途をわかりやすく解説

グラファイト（黒鉛）の層状構造や電気伝導性、生成・合成過程、鉛筆芯から原子炉までの用途を図解で初心者にもわかりやすく解説。

グラファイトは、ダイヤモンドと同様に炭素の同族体です。これらは互いに似ていますが、原子の結びつき方（配列・結合様式）の違いが化学的・物理的性質に大きく影響します。グラファイトは炭素原子が平面の六角格子（シート）を作り、これらのシートが層状に積み重なった構造をとります。各炭素原子は平面内でsp2混成軌道を形成し、平面に沿って強い共有結合で結ばれていますが、層と層の間は弱いファンデルワールス力でつながっているため、層どうしが容易に滑りやすく、これがグラファイトの柔らかさやすべり性（潤滑性）の由来です。

主な性質

• 外観：鈍い灰色から黒色で、やや金属光沢を示すことがある。
• 電気伝導性：層内に存在するπ電子が移動できるため、平面方向に非常に良く伝導します（層間のdelocalized電子が原因で、それは非常によく電気を伝導することができます）。ただし層と垂直方向の伝導は弱い。
• 熱伝導性：層方向に高い熱伝導率を持ち、高温でも安定。
• 機械的性質：柔らかくてもろく、層間で容易に剥がれる。モース硬度は低い（およそ1–2）。
• 化学的性質：常温では比較的化学的に安定だが、高温では酸化されてCOやCO2になる（空気中での酸化に弱い）。不活性ガス下では高温に耐える。
• 熱的性質：融点ではなく昇華して気化する（非常に高温で炭素として安定）。

構造と関連物質

グラファイトの単層は「グラフェン」と呼ばれ、単一の原子層として非常に高い電気伝導性や機械的強度を示します。グラファイトは多層のグラフェンの集合体と考えられ、逆にグラフェンはグラファイトを剥離して得られます。炭素には他にもダイヤモンド、フラーレン、カーボンナノチューブなどの同素体（アロトロープ）があり、結合の違いにより性質が大きく変わります。

生成（形成）と産出

天然のグラファイトは、主に有機物を多く含む堆積岩（例えば石炭や有機質頁岩）が長期間にわたって高温・高圧の条件下で変成した際に形成されます。なお、十分に高い圧力と温度では、グラファイトからダイヤモンドが形成されることがあり、これを応用して合成（人工）ダイヤモンドが作られます。

採掘産地としては、原料の多くが中国東北部の鉱山から産出します。また、スリランカ、カナダ、アメリカでも発見・採掘されています。他にもモザンビーク、マダガスカル、ブラジルなどで産出することが知られています。

語源は古く、名称は1789年にアブラハム・ゴットロブ・ヴェルナーによって命名され、これはギリシャ語に由来します。かつては見た目が金属の鉛（lead）に似ていることから「リードブラック」と呼ばれることもありました。

主な用途

• 鉛筆の芯：最も馴染みの深い用途で、グラファイトに粘土も含まれています（濃度調整のため）。
• 潤滑材：機械装置をスムーズに動かすための潤滑油の代替やドライ潤滑材として使用されます（高温・真空環境でも有効）。
• 電極・耐火材料：電気炉の電極や製鋼用のライニング、耐火坩堝など高温に耐える材料として利用されます。電気伝導性と耐熱性を活かした用途です。
• 電池材料：リチウムイオン電池の負極（アノード）材料として広く使われています。高い導電性と安定性が重要です。
• 高性能材料・複合材：導電性フィラー、軽量強靭な複合材料、熱放散用途の材料（ヒートシンクやサーマルインターフェース）など。
• 原子炉の減速材：高純度の黒鉛は、一部の原子炉でRBMKやAGRのようないくつかの原子炉で中性子減速材（モデレーター）として使用されてきました。
• 研究用途：グラフェンやナノ材料の元材料として、最先端の電子材料・センサー・触媒担体などに応用。

安全性と環境

• 一般的にグラファイトの化学毒性は低いとされますが、粉じん（微粒子）は吸入による肺への影響を引き起こすことがあるため、加工や粉砕時には防じんマスクや局所排気など適切な対策が必要です。
• 高温での酸化により一酸化炭素や二酸化炭素が発生するため、加熱処理や焼却には注意が必要です。
• 産業的利用の拡大に伴い、鉱山開発や廃棄物管理、リサイクル（例えば電極やバッテリー材の回収）など環境面での配慮が重要になっています。

まとめると、グラファイトは炭素の層状構造による特有の物性（潤滑性・電気・熱伝導性・耐熱性など）をもち、日常品から先端技術・産業用途まで広範囲にわたって利用される重要な材料です。

質問と回答

Q:グラファイトとは何ですか?

Q:黒鉛はどのように作られるのですか?

Q:黒鉛の多くはどこから来るのですか?

Q:黒鉛の名前は何にちなんで付けられたのですか?

Q:グラファイトの一般的な用途は?

Q:グラファイトをダイヤモンドに変えることはできるのですか?

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