Графит — камень, который используют в промышленности. Графит. Свойства, применение

Графит - кристаллическая форма углерода, в которой атомы находятся в состоянии spІ-гибридизации, имеет слоистую структуру. spІ-гибридные орбитали направлены к вершинам треугольника. Поэтому в графите каждый атом углерода связан с тремя соседними. Образуя плоскую сетку, и, кроме того, имеет один неспаренный электрон на негибридизованной p-орбитали, перпендикулярной к плоскости сетки. Эти электроны образуют общую систему пи-связей, которая представляет собой наполовину заполненную зону проводимости. Связь между сетками - слоями в графите осуществляется в основном за счёт относительно слабых межмолекулярных сил. Всё это определяет свойства графита: он мягок, легко расслаивается, имеет серый цвет и металлический блеск, электропроводен и химически более активен, чем алмаз.

Сажа, древесный уголь и другие угли, получаемые из органического и неорганического сырья, представляют собой мелкокристаллический графит, так что обычно термином «углерод» обозначают именно графит той или иной степени дисперсности.

Получение графита

Кристаллический графит извлекают из руд методом флотации, руды скрытокристаллический графит используют без обогащения.

Исходное сырье для получения графита - нефтяной или металлургический кокс, антрацит, и пек. Отдельные частицы исходных углеродных материалов в результате карбонизации при обжиге связываются в монолитное твердое тело, которое затем подвергают графитизации (кристаллизации). По одному из методов кокс или антрацит измельчают и смешивают с пеком в определенных соотношениях, прессуют при давлении до 250 МПа, а затем подвергают обжигу при 1200 о С и графитации при нагреве до 2600-3000 о С. Для уменьшения пористости полученный графит пропитывают синтетической смолой или жидким пеком, после чего снова подвергают обжигу и графитации. В производстве графита повышенной плотности пропитку, обжиг и графитацию повторяют до пяти раз.

Из смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и до 20% тугоплавких карбидообразующих элементов (например Ti, Zr, Si, Nb, W, Ta, Mo, B), получают рекристаллизованный графит. Исходную шихту нагревают в графитовых пресс-формах до температуры, на 100-150 о С превышающей температуру плавления эвтектической смеси карбида с углеродом, под давлением 40-50 МПа в течении нескольких десятков минут.

Пирографит получают пиролизом газообразных углеводородов с осаждением образовавшегося углерода из газовой фазы нам подложку из графита. Осадки имеют кристаллическую структуру различной степени совершенства - от турбостратной неупорядоченной (пироуглерод) до упорядоченной графитовой (пирографит).

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 - 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).

Углерод формирует множество самородных элементов, которые имеют свою структуру. Одним из таких элементов является графит. Это распространённый материал в природе, который встречается в виде чешуек и пластинок. Скопления его отличаются по величине и содержанию материала. Кристаллические сланцы или магматическая порода - это места залегания. Часто он образовывается при метаморфическом воздействии на уголь.

Происхождение вещества

Графит чаще всего образуется от воздействия большой температуры и давления в осадочных породах - в каменном угле и битумах. Этот процесс называют метаморфизмом. В некоторых случаях материал образовывается в процессе кристаллизации. Как правило, возникает из магмы, которая богата углеродом. Иногда образуется из известняка, который был захвачен магмой.

Места образования:

В процессе кристаллизации порода получается в редких случаях. Да и практическое значение имеет порода, которая возникла метаморфическим путём. Небольшие вкрапления в породах метеоритов интересны учёным, но не промышленности.

Химический состав графита - это атомы углерода, которые связаны между собой ковалентно. То есть один атом перекрывает электронное облака трёх других атомов, которые окружают его. Атомы состоят в прочной связи. В минерале наблюдается незначительная примесь иных компонентов Различают 2 вида графита:

Альфа (гексагональный).
Бета (ромбоэдрический).

Между собой виды отличаются упаковкой слоёв. У вида альфа атомы имеют укладку типа ABABABA. То есть укладка в виде шестиугольника, но между слоями крайне слабая связь. Структура графита такова, что он легко ломается по слоям.

У вида бета каждый четвёртый слой повторяет первый. Получается своеобразная ромбоэдрическая связь. Бета-графит в чистом виде не существует - это метастабильная фаза. Природные породы материала имеют до 30% в своём составе эту фазу. При температуре около 2,5 тыс. Кельвинов происходит полная трансформация ромбоэдрической структуры в гексагональную.

Материал имеет одинаковый состав с алмазом, но свойства различаются кардинально. Виной всему разница в атомных связях. После закаливания в печи при высокой температуре твёрдость графита увеличивается, но растёт и хрупкость. Это качество используют для создания искусственных алмазов.

Таблица характеристик:

Порода не плавится. При достижении критической температуры кристаллическая решётка начинает разрушаться. На ощупь порода скользкая, жирная. При трении раскалывается на небольшие чешуйки, которые остаются на поверхности. Эта характеристика позволяет использовать минерал для ведения записей.

Графит широкого используют в промышленности. Большинству отраслей необходим этот материал в чистом виде или же с добавлением. Список того, что делают из графита, огромен: начиная от карандашей и огнеупорного покрытия, оканчивая стержнями для атомных реакторов и смазкой.

Сферы применения:

Пищевая отрасль - это ещё одна сфера где используется графит, пусть и в связанном виде. Но перед использованием компонент проходит определённую обработку. Железо, этиловый спирт, графит и сахар имеют разную плотность. Но рассматриваемое вещество может входить в состав других пищевых продуктов. Он встречается в эфирах, спирте и сахаре.

Несложный опыт с сахаром показывает содержание в нём графита. Для этого кубик сахара кладут на крышку и накрывают колпачком. Снизу крышку греют на огне до тех пор, пока из-под колпачка не начнёт выделяться дым. Если к нему поднести источник огня, то дым загорится. После окончания выделения газа огонь снизу крышки тушат. На крышке будет находиться чёрная масса углерода.

Китай является ведущим экспортёром минерала. Страна поставляет до 70% мирового объёма. И китайцы не собираются останавливаться на этом результате, поскольку производители расширяют связи с западными компаниями. Последние выступают потребителями.

Канада, Бразилия, Мексика и Шри-Ланка - это остальные мировые лидеры производства минерала. Эти страны добывают 8−12% мирового объёма. В Российской Федерации запасы графита составляют порядка 13 млн тонн. Значительная часть запасов сосредоточена в Сибири. Более 75% отечественных запасов - это бедная руда, которая содержит не более 6% минерала. Отечественные балансовые запасы требуют переоценки, поскольку некоторую их часть нецелесообразно разрабатывать из-за низкого качества руды. Расположение на природоохранных территориях тоже накладывает ограничения к разработке рудников.

Более половины добываемого материала потребляют США, Япония, Германия и Китай. Стоимость графита на рынке определяют по его кристаллу и содержанию в нём углерода. Средняя цена порядка 0,75 центов на 1 кг материала. Месторасположение производителя тоже влияет на стоимость.

(карбид железа; Fe 3 C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Структуры железоуглеродистых сплавов Чугуны

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

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, причем положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Применение

Cувенирный графитовый блок.

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит - применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов

электродов , нагревательных элементов - благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).

Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода
Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде - это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках

наполнитель пластмасс

замедлитель нейтронов в ядерных реакторах

компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином)

для получения синтетических алмазов

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.

как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеёв

Литература

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20 th ed. ISBN 0-471-80580-7