Как выглядит графит. Графит - описание графита, свойства, добыча, применение, производство. Использование натурального графита

Графит - минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллического графита, образовавшегося при метаморфизме углей.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный P63/mmc) и β-графит (ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

СВОЙСТВА

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится очень хрупким. Плотность 2,08-2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10-12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Теплопроводность графита от 278,4 до 2435 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном - в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300-1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.

Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.

МОРФОЛОГИЯ

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.
Сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель.

ПРИМЕНЕНИЕ

Является замедлителем нейтронов в ядерных реакторах, компонентом состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
Используется для получения синтетических алмазов, в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт, для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.

Графит (англ. Graphite) — C

КЛАССИФИКАЦИЯ

Область применения графита, описание и свойства. Виды природного и искусственного графита - химическая структура, механические и физические характеристики.

Графит (от др.-греч. γράφω - пишу) – это природный материал, относящийся к классу самородных элементов, аллотропная модификация углерода. Он имеет слоистую структуру. Каждый слой кристаллической решетки графита может по-разному располагаться по отношению друг к другу, образуя политипы. Графит находит свое применение в производственной и промышленной деятельности. Графитовые изделия отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками. Графит устойчив к химическим и природным воздействиям, он достаточно прочный, хорошо проводит электрический ток, отличается низкой твердостью, относительной мягкостью, после воздействия высоких температур затвердевает. Плотность составляет 2.23 г/см 3 . Графит имеет металлический блеск и темно-серый цвет. Теплопроводность этого минерала достаточно большая, поэтому его используют для изготовления комплектующих деталей электрооборудования.

Структура и состав графита

Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.

Модификаций природного минерала существует две:

• α-графит (гексагональный). В данной модификации половина атомов каждого из слоев располагается под и над центром шестиугольника.
• β-графит (ромбоэдрический). В этой модификации графита каждый четвертый слой атомов повторяет первый. В природе он в чистом виде не наблюдается. При температуре от 2500 до 3300К ромбоэдрический графит переходит полностью в гексагональный. Природный материал удобно представляется в гексагональных узлах.

Химический состав графита не отличается чистотой. В большом количестве (до 10-20%) присутствует зола, состоящая из разных составляющих (FeO, SiO2, Аl2O3, MgO, Р2О5, CuO, СаО и др.), газы (до 2%) и битумы, иногда вода.

Цвет преобладает железно-черный, доходя до стально-серого. Имеет сильный металловидный блеск; скрытокристаллические агрегаты не блестят, матовые. Показатель преломления графита Nm==l,93-2,07. На ощупь жирный, оставляет след на бумаге и пальцах. Удельный вес графита 2,09-2,23 (меняется исходя от степени дисперсности и присутствия тончайших пор), у шунгита 1,84-1,98. Обладает высокой электропроводностью, что связано с очень плотным расположением атомов в листах.

Графит не плавится, если накаливать в струе кислорода, то сгорает тяжелее в сравнении с алмазом. Улетучивается лишь в пламени вольтовой дуги, не плавясь. В кислотах не растворяется. В смеси с KNO3 порошок при нагревании дает вспышку.

Графит в природе

В природе содержится в гранитах, пирите. Он образуется в магматических и вулканических горных породах, скарнах и пегматитах при высоких температурах, встречается в кварцевых жилах с различными материалами, широко распространен в мраморе, кристаллических сланцах, гнейсах. В результате пиролиза под воздействием на каменноугольные отложения траппов образуются крупные залежи природного минерала.

Показатели:

• Содержание минералов 2.0%
• Содержание углерода > 98.0%
• Содержание серы 550 ppm
• Температурный диапазон -200...3000°C
• Выщелачиваемый хлорид 50 ppm
• Сжимаемость 40%
• Регенерация 15%
• pH диапазон 0-14
• Проседание под нагрузкой

Виды природного графита:

• тигельный (используется для производства огнеупорных изделий. Он отличается повышенной теплопроводностью и стойкостью к резким температурным перепадам),
• литейный кристаллический (имеет низкий коэффициент расширения, характеризуется прочностью при высоких температурах, используется при отливе деталей),
• аккумуляторный (применяется как добавка, графит используется для производства электродов, отличается повышенными техническими и химическими свойствами),
• для производства стержней для карандашей (тонкодисперсный, мягкий, не содержит примесей железа),
• элементный (графит используется для производства гальванических элементов, отличается повышенной тепло- и электропроводностью),
• электроугольный,
• для изготовления смазок и электропроводящей резины.

Искусственный графит - область применения

Искусственно производится конструкционный, мелкозернистый, антифрикционный и литейный графит. Область применения материала достаточно широкая. Графит используется для изготовления огнеупорных материалов, электрических машин и установок, в химической, горнодобывающей промышленности, а также на производстве. Из него также изготавливают стержневые карандаши, краски, покрытия и аккумуляторные батареи. Графит незаменим в ядерной промышленности и в других узконаправленных областях.

Графит, брат угля и алмаза

На картинках, иллюстрирующих нахождение углерода в минеральной природе, графит ненапрасно располагают между углем и алмазом. По свойствам графит действительно частично схож с обычным каменным углем, а частично – с благородным алмазом.

Самородный графит не всегда одинаков. Добытый из недр, он чаще всего черен, плотен, мягок и прекрасно пишет по твердой поверхности. За это греки и прозвали черный минерал «графитом»: «графо» - значит «пишу».

Народы, менее склонные к писательству, звали графит (в вольном переводе на русский) и «черным свинцом», и «углистым железом», а также «сливовиком» и даже «скальником» - поскольку графитовые обнажения чаще всего таятся в расселинах скал.

Природный графит может быть не только черным, но и серым, с явным металлическим отблеском. Графитовая масса нередко полна примесей – в том числе и золота – и промышленникам приходится использовать многоэтапные технологии очищения графита.

Между тем, каждому металлургу известно, как много графита выделяет остывающий чугун. Так не проще ли вместо добычи ископаемого графита использовать графит искусственный?

Разновидности графита

Природный графит может быть смешан с аморфной углистой или глинистой массой, газами, битумами и соединениями чужеродных элементов, но в нем всегда наблюдается кристаллическая структура, и он достаточно легко очищается и доводится до нужных производству параметров.

Доменный графит, выделяясь в среду отдельными мельчайшими пластинками, представляет собой трудноуловимое вещество. Его улавливают и утилизуют – обычно прямо на предприятии, используя как добавку к шихте – но технология дорога и масштабы этой утилизации невелики.

Более производительным является метод изготовления графита из высокоуглеродистого сырья – летучих углеводородов, антрацита, кокса, пека. Основой метода является нагревание твердой сырьевой массы до 2800°С, а газообразной среды – до 3000°С при повышенном до 500 атм. давлении.

Технологии добычи природного и получения искусственного графита весьма затратны. Однако целесообразность подобных расходов неоспорима: свойства графита уникальны, и как материал он во многих случаях просто незаменим.

Свойства графита

Температура плавления графита близка к 4000°С, что позволяет использовать материал в качестве лабораторной среды для работы с тугоплавкими металлами. Находит свое применение и высокая теплопроводность минерала.

Пластичность графита дает возможность формовать из него детали любой формы. Прессованный графит прекрасно поддается механической обработке.

Важнейшим свойством графита является его способность к перерождению в алмаз.

Алмаз из графита и графит из алмаза

Для того чтобы углеродные слои связались воедино, не придумано ничего лучше кроме сильного сдавливания и подъема температуры. Первые синтетические алмазы были получены при разогреве графита до 1800°С под давлением в 120 тысяч атмосфер. Сегодня практикуется производство мелкой алмазной крошки при температурах порядка 1200°С и краткосрочном повышении давления до 300 тыс. атм.

Реакция обратима. Любой алмаз, разогретый до 1000°С, начинает превращаться в графит. При 2000°С процесс протекает очень быстро.

Использование графита

Работоспособность подшипников скольжения обеспечивается за счет использования графита. Что важно, темп износа графитовой опоры или обоймы постоянен во всем диапазоне рабочих температур подшипников, нередко насчитывающем сотни градусов.

Графит обладает не только смазывающими, но и абразивными способностями. Тончайшие полировочные пасты содержат в себе графит. Введенный в состав фрикционных материалов, минерал повышает устойчивость изделий к нагреву.

Керамика, замешанная на графите, отличается особой огнеупорностью. Электропроводность и стойкость материала к эрозии дает возможность изготавливать из графита высоковольтные контакты, облицовку сопел и дюз.

Инертность графита делает его отличным защитным покрытием для всевозможных конструкций. Краски, созданные на основе графитовой взвеси в растворителе-пластификаторе, работают и на твердых (бетон, сталь), и на упругих (древесина, алюминий) поверхностях.

Слово графит в переводе с греческого обозначает «пишу». Минерал с таким названием у природе образуется при высокой температуре в вулканических горных породах.

Графит является представителем класса самородных элементов высокой прочности. Его структура обладает большим количеством слоев.

В природе встречается два вида графита:

• крупнокристаллический,
• мелкокристаллический.

По величине кристаллов и по их расположению относительно друг друга в природе встречаются следующие типы графитов:

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические.

У графита структура является достаточно слоистой. Каждый из слоев обладает волнистой формой. Она является слабовыраженной.

Графит представляет собой один из элементов, который состоит преимущественно из кристаллов разных размеров. Они имеют пластичную структуру и небольшие чешуйки по краям. По своей прочности они могут сравниться алмазами.

Кристаллическая решетка графита состоит из большого количества слоев, которые имеют различное расположение относительно друг друга.

Сегодня не редко производится искусственный графит, который создается из смеси различных веществ. Он используется в разных отраслях человеческой жизнедеятельности. Графит, полученный искусственным путем, обладает большим количеством видов.

В современном мире планируется из графита добывать золото. Ученые выяснили, что в одной тонне графита содержится примерно 18 граммов золота. Данное количество золотой руды присуще золотым месторождениям. В настоящее время получать золото из графита есть возможность не только в нашей стране, но и в других государствах мира.

Одним из главных свойств графита является его способность проводить электрический ток. Его физические свойства отличаются от параметров алмаза тем, что у него не такой высокий уровень твердости. Его структура является изначально довольно мягкой. Однако после нагревания она становится твердой и хрупкой. Материал начинает рассыпаться.

Физические свойства графита являются следующими:

1. не растворяется в кислоте.
2. плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
3. после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.

Это далеко не все свойства графита. Есть еще параметры, которые делают этот элемент уникальным.

Графиту присущи следующие характеристики:

• температура плавления графита составляет 3890 градусов Цельсия,
• цвет графита является темно-серым с металлическим отливом,
• теплоемкость графита составляет 0.720 кДЖ
• удельное сопротивление графита составляет 800.000 · 10 − 8 (Ом · Метр).

Внимание: Единственный параметр из всех характеристик графита, который зависит от вида элемента, является теплопроводность графита. Она составляет 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Таблица. Физические свойства графита.

Добыча графита

Добыча графита является сложным процессом. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Оно используется для добычи и дробления элемента. Залежи графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются бурильные установки, которые позволяют добраться до месторождения этого элемента.

Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.

Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.

Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.

При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.

Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.

Графит - это природный минерал серого или черно-стального цвета с металлическим блеском, являющийся одной из модификаций углерода, – С (углерод). Главными свойствами графита является высокая электропроводность, стойкость к высоким температурам (графит не плавится при температуре до 3000⁰С при условии отсутствия кислорода) и действию кислот. Материал легкий в обработке, прочный и инертный по отношению к большинству газов, жидкостей и твердых веществ.Основным элементом в составе графита является углерод, но при этом он может содержать примеси в виде золы, влаги, летучих веществ.

Благодаря своим физико-химическим свойствам, графит нашел широкое применение в металлургической, строительной, ювелирной отраслях, а также в машиностроении.

Имеет слоистую структуру. Углеродные слои слабоволнистые, практически плоские, расположены параллельно друг другу и слабо связаны между собой. В структуре кристаллической решетки графита каждый атом углерода очень тесно связан с четырьмя соседними, что придает графиту прочность в пределе одного слоя, но легкую расщепляемость на тонкие слои.

Более того, результаты многих исследований доказали, что, благодаря единой химической формуле графита и алмаза и одинаковому составу атомов, при высокой температуре (выше 1500⁰С) и давлении в 6 ГПа кристаллическая решетка графита может преобразоваться в кристаллическую решетку алмаза.

Марки графита

В результате переработки графита его физико-химические свойства могут меняться, поэтому для их обозначения принято разделять графиты на марки, каждая из которых имеет определенные технологические и физико-химические свойства. Главным критерием при делении графитов на промышленные марки является степень его очистки, а каждая марка графита используется для изготовления отдельных видов продукции.

На сегодняшний день на Украине более всего востребованы марки графита ГЭ-0 (крупнозернистые малозольные графиты общего назначения), графит ГЛ-1 (графит литейный) и МПГ-7 (изостатические графиты). Намного реже используются особокачественные и особочистые (ОСЧ) импортные графиты. К сожалению, на Украине налажено производство лишь электродных марок графитов (ГЭ).

Применение графита

Использование разных марок графита основано на уникальных свойствах каждой из них. Благодаря стойкости к высоким температурам, их используют при изготовлении футеровочных плит и плавильных тиглей.

Высокая электропроводимость графита и его стойкость к действию кислот и водных растворов, позволяют изготавливать из него различные нагревательные элементы и электроды.

Очень широко графиты применяются для получения химически активных металлов. Так для получения алюминия очень важны электропроводность и газообразность продукта – а эти свойства, как известно, присущи графиту. Также из графитов изготавливают твердые смазочные материалы, наполнители платсмасс. Их используют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейронов.

Формула графита, состав атомов и многие свойства этого минерала совпадают с формулой, составом и свойствами алмазов, поэтому графиты находят широкое применение в процессе получения синтетических алмазов. Также используются для изготовления токосъемников и контактных щеток для электротранспорта, электрических машин, подъемных кранов, мощных реостатов. Кроме того, графит является главным компонентом в составе стержней для черных графитовых карандашей (как правило, используется в составе с каолином).