Описание камня графит. Графит - свойства, виды, состав и 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).
Графиты - вещества серого цвета с металлическим блеском,
аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь,
удельный вес от 1,9 до 2,6.
По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся
от серебристого до черного, с характерным жирным блеском.
Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми,
а скрытокристаллические - черными.
На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту
от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к
твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им
поверхностей твердых тел.
Графит представляет собой алоторопную форму углерода, которая характеризуется
определенной кристаллической структурой, имеющей своеобразное строение.
В зависимости от структурного строения графиты делятся
на:
явнокристаллические,
скрытокристаллические,
графитоиды,
высокодисперсные графитовые материалы,
обычно называемые углями.
В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов
делятся на:
плотнокристаллические (Боготольское
месторождение графита),
чешуйчатые (Тайгинское месторождение
графита).
В чешуйчатых графитах кристаллы имеют форму пластинок или листочков. Чешуйки их жирные, пластичные и имеют металлический блеск.
Графитовая шахта. Фото: born1945
Кристаллическая решетка графита состоит только из
атомов углерода. Кристаллической решетке графита присуща ярко выраженная
слоистая структура, расстояние между слоями 0,335 нм. В кристаллической решётке
графита каждый атом углерода связан с тремя другими окружающими его атомами
углерода. Кристаллическая решетка графита бывает двух типов: гексагональная (α-графит)
и ромбоэдрическая (β-графит, метастабильная форма). Атомы углерода каждого слоя
кристаллической решётки α-графита расположены напротив центров шестиугольников,
находящихся в соседних (нижнем и верхнем) слоях; положение слоев повторяется
через один, каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном
направлении на 0,1418 нм (укладка АВАВА). В ромбоэдрической решетке β-графита
положение плоских слоев повторяется не через один слой, как в гексагональной
решётке, а через два. Несмотря на то, что β-графит метастабилен, в природном
графите его содержание может доходить до 30%. При температурах 2230-3030°С
ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный. Альфа-графит и
бета-графит обладают сходными физическими свойствами (за исключением несколько
отличающейся структуры графена).
Электропроводность кристаллов графита анизотропна: близка к металлической в
направлении, параллельном базисной плоскости, и на порядок меньше в
перпендикулярном направлении. Анизотропия характерна также для
звукопроницаемости (акустических свойств) и теплопроводных свойств графита.
Свойства графита
Широкое применение графита основывается на нескольких
уникальных свойствах:
- хорошая электропроводность;
- устойчивость к агрессивным средам;
- устойчивость к высоким температурам;
- высокая смазывающая способность.
Электрические свойства
Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При
температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в
пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех
видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.
Термические свойства
Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и
занимает место между палладием и платиной.
Коэффициент теплопроводности 0,041(в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких
графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.
Температура плавления графита - 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.
Точка кипения доходит до 4200 С.
Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических
графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится
в пределах от 7832 до 7856 ккал.
Магнитные свойства
Графит считается диамагнитным.
Левитация графита. Фото: yellowcloud
Растворимость графита
Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме
расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При
растворении образуются карбиды, наиболее важными свойствами которых являются
карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора.
При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно,
но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.
Упругость графита
Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут
резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в
спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв
такой проволоки равно 2 кг/мм 2 , а модуль изгиба равен 836 кг/мм 2 .
Оптические свойства
Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от
температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с
увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах
0,52-0,55.
Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают
возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита,
тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в
качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым
поверхностям.
Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при
натирании графитом поверхности твердых тел.
Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.
Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка.
Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий
коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без
графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической
промышленности.
Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия.
Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других
тепловых агрегатов.
Применение графита
Природные графиты применяются во многих технологических и производственных процессах: огнеупоры (высококачественные, графито-магниевые, алюмо-графитовые), литейное производство, тормозные накладки, смазки, карандашное производство, тигли, гальванические батареи, щелочные аккумуляторы, порошковая металлургия, углеграфитовая материалы (электрощетки, электроугольные изделия, антифрикционные материалы), производство стали, терморасширенный графит, другие области (красящие и полирующие вещества),противоугарные материалы, детали для электротехники, магнитные ленты, производство промышленных алмазов, суспензии охлаждающие и смазывающие).
Графиты искусственные измельченные - предназначены для науглероживания чугуна и стали в мартеновском, кислородно-конверторном и электросталеплавильном процессах при выплавке стали с пониженной долей чугуна в шихте, для вспенивания шлаков в металлургических процессах, при изготовлении углеграфитовых материалов и изделий, в качестве наполнителя для графитопластов и как самостоятельные продукты в других потребляющих производствах.
Из графита готовятся тигли, лодочки для производства
сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства
теплообменников, работающих в агрессивных средах.
А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей,
холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов,
деталей для насосов, фильтров.
Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые
электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли
для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные -
гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для
электровакуумной техники и техники связи.
В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.
Графит служит высокоогнеупорной отощающей добавкой в керамических массах. Тигельной массе он сообщает высокую огнеупорность, теплопроводность и термическую стойкость, придает тиглям гладкую поверхность, к которой плохо пристает расплавленный металл. Он восстанавливает при высоких температурах металлические окисли и препятствует окислению металла.
Наибольшее значение имеет производство графитовых плавильных тиглей, а также крышек к ним. Кроме того, из графита изготавливаются надставки и подставки к тиглям, тигли для специальных печей, реторты. Ванны для пайки, ванны для обжига карандашных стержней, графитокарборундовые муфели и другие изделия. В качестве высокоогнеупорного материала кристаллический графит применяется при изготовлении высококачественных высокоогнеупорных облицовочных изделий для кладки доменных печей, топок, паровых котлов.
Помимо широко распространенных в природе соединений с кислородом (карбонатов) и водородом (углеводородов) углерод присутствует в самородном виде, образуя две полиморфные разновидности - графит и алмаз , идентичные по своему составу, но резко отличающиеся по структуре и физическим свойствам.
Синонимы:
Пломбагин
(де Лиль, 1783), черный свинец, меланграфит (Хайдингер, 1845), графитоид (Зауер, 1885), графитит (Люци, 1891).
Английское название минерала Графит - Graphite
Происхождение названия
Графит известен с древних времен, назван от греческого "графо" - пишу (Вернер, 1789).
Химический состав
Даже чисто отобранный, всегда содержит абсорбированные газы - главным образом Н, N, в меньшем количестве СО з , СО, CH 4 , иногда NH 3 , H 2 S, а также Н 2 О. Нередко содержит механические примеси, которые при сжигании полностью или частью остаются в золе; иногда содержит битумы. В золе, кроме Si, Al, Fe, Mg, Са и щелочей, могут присутствовать S, Р, Си, Ni, Мо, Mn, а также Be, Ge, Ti, V, благородные металлы и др. Наличие в золе V характерно для графита органогенного происхождения. Fe, возможно, иногда содержится в виде твердого раствора.
Разновидности графита
- Шунгит - аморфная разновидность графита (переходная разность между каменным углем и графитом).
- (Graphitit) = аморфный разновидность графита
- Графитовая слюдка (Graphitglimmer), излишнее название = графит
Шунгит - shungite (Иностранцев, 1879). Впервые обнаружен около с. Шунгав (Карелия, Россия). Относится к группе антраксолитов, является промежуточным продуктом между аморфным углеродом и графитом. Содержит кристаллическую фазу в виде очень тонкодисперсного графита. Выделяют четыре разновидности, отвечающие различной степени метаморфизма и различному содержанию углеродистого вещества.
Шунгит I наиболее близок к графиту. Излом его раковистый. Твердость 3,5-4. Плотность 1,84-1,98. Цвет черный; с едва заметным буроватым отливом. Блеск сильный полуметаллический. Непрозрачен. Содержит мельчайшие включения кварца , доломита , кальцита , пирита и др. Электропроводность близка к таковой графита.
В полированных шлифах латунно-желтый (напоминает пирротин). Двуотражения (в отличие от графита) не обнаруживает. Заметно анизотропен.
Содержит 93-98% С, до 3-4% соединений водорода, также N, О, S, до 8% гигроскопической воды; в золе - значительные количества V, Ni, Мо, а также W, Се, As; по спектральным анализам: Со, Ti, Mg, Sr, Си, Сг, Zr, Rh, Ru, Pt, Mn. Содержание V, характерное для шунгита, по данным Мармо, связано с примесями.
Под паяльной трубкой растрескивается и сгорает чрезвычайно медленно. Крепкие H 2
SO 4
и HNO 3
окисляют тонкий порошок лишь при длительном кипячении.
Шунгит II, III и IV - разновидности со слабым и с матовым блеском содержат соответственно всего 40-60%, 28-44% и меньше 15% углерода.
Имеет очень ограниченное распространение. Образовался, по-видимому, в результате метаморфизма докембрийских битуминозных осадочных пород под воздействием диабазов. В Карелии слагает прожилки, линзочки на контакте известняков и диабазов, пропитывает сланцы. Наблюдался в нескольких местах в р-не Онежского оз. в Карелии и в Финляндии, отмечался в Бурятии и Якутии, а также на Урале - в магнезитах Сатки (Челябинская обл.) и в породах спилито-альбитофировой формации около Красноуральска (Свердловская обл.), где приурочен к контактам спилитов и альбитофиров с прослоями метаморфизованных осадочных и туфогенно-осадочных пород.
Может быть использован как удобрение, в качестве топлива в специально приспособленных топках, как сырье для извлечения V, Мо, в металлургии (в качестве заменителя кокса и носителя легирующих
Кристаллографическая характеристика
Сингония гексагональная.
Класс гексагонально-дипирамидальный.
Кристаллическая структура. Структура слоистого типа. В бесконечной плоской сетке каждая петля представляет шестиугольник бензольного типа; около каждого атома С имеются три соседних на таком же расстоянии. Параллельные сетки отстоят друг от друга на значительном расстоянии. На период с приходятся две такие взаимно параллельные сетки, которые взаимно смещены так, что над центром шестиугольника нижней сетки находится узел верхней сетки. Ввиду слабой связи между сетками эта закономерность строения решетки графита часто нарушается, и по отношению к центру шестиугольника одного слоя верхний и нижний слои располагаются так, что тройки лучей С - С, находящиеся над и под осью среднего кольца, взаимно повернуты на 180°. Если такое нарушение строения решетки графита проявляется в большом масштабе, то говорят о ромбоэдрической (трехслойной) модификации графита. Возможны и другие нарушения в чередовании слоев. Наличие в решетке подвижных электронов обусловливает ряд свойств графита, приближающихся к свойствам металлов: цвет, блеск, электро- и теплопроводность, кислотоупорность и т. п. Различие связей в решетке в направлении слоистости и перпендикулярно к нему вызывает резко выраженную анизотропию твердости, электропроводности, магнитных, оптических и других свойств.
Главные формы
: Кристаллы таблитчатые по (0001), несовершенные; образуют шестиугольные пластинки с развитыми гранями (h0hl) при отсутствии или подчиненном значении (hh2hl). Наиболее обычны формы: с, r, о, q, р.
На гранях наблюдается штриховка.
Форма нахождения в природе
Облик кристаллов . Кристаллы редки. образует мелкие пластинчатые (шестиугольные) кристаллы.
Двойники по (1121) образуются в результате действия давления, проявляются на (0001) в виде тригональной или гексагональной штриховки; редки двойники вокруг с поворотом на 30° (90°). Наблюдались ориентированные срастания с биотитом .
Агрегаты . Отдельные мелкие чешуйки и пластинки, сферические конкреции радиально-лучистого, реже концентрического строения, агрегаты чешуек различной величины, иногда землистый.
Физические свойства
Оптические
- Цвет кристаллов темно-серый, серебристый, цвет агрегатов железно-черный до стально-серого.
- Черта темно- свинцово-серая, черная блестящая
- Блеск сильный металлический,
- Отлив у скрытокристаллического - матовый.
- Прозрачность. Просвечивает лишь в очень тонких листочках.
Показатели преломления
Ng = , Nm = и Np =
Механические
- Твердость 1-2, на (0001) - 5,5; у высокодисперсных агрегатов твердость возрастает с увеличением степени дисперсности. Листочки упругие сопротивление их на разрыв 2 кг/мм 2 (Шапиро).
- Плотность 2,21-2,26.
- Спайность в одном направлении по (0001) совершенная.
- Излом яснокристаллических агрегатов зернистый, плотных - ровный.
Химические свойства
Химическая стойкость. Кислотоупорен. В полированных шлифах графит ни одним из стандартных реактивов не травится.
При нагревании с дымящей HNO 3 чешуйчатый графит вспучивается (реакция Броди). При длительном нагревании в смеси дымящей HNO 3 с бертолетовой солью (KClO 3) образуется графитовая кислота. На основе некоторого различия в отношении к HNO 3 и KNO 3 было предложено (Люди 1891) различать две разности - α и β.
Прочие свойства
Коэффициент трения очень низкий, с чем связаны «жирность» на ощупь и применение в качестве смазочного материала.
Хороший проводник электричества. Электропроводность резко убывает при повышении температуры (Датэ) и возрастает с увеличением влажности и содержания летучих (Вада). Сильно выражена анизотропия магнитных свойств.
Термическая стойкость. Температура плавления 3550° + 50° . При нагревании в воздухе начинает окисляться выше 400° (чешуйки восточно-забайкальского при температуре ниже 300°); скорость окисления (горения) зависит от строения агрегатов: крупночешуйчатого- 720-730°, мелкочешуйчатого ботогольского - 680°.
Искусственное получение
В электрических печах при температурах выше 2200° графит получается из антрацита и из аморфного углерода (ачесоновский графит). Выделяется при раскристаллизации металлов, особенно в сером чугуне. В виде шестиугольных пластинок был получен из силикатного расплава с примесью сажи и флюорита. Образуется из алмаза при нагревании в вакууме при~2000°; при этом графита ориентируется параллельно алмаза. Может быть получен при низком давлении и при температуре до 1000° в результате раскисления СО 2 и СО, образующихся при диссоциации СаСО 3 (опыты Олинга, Винчела и Фрауэнфельдера, по Шапиро).
Диагностические признаки
Характерны цвет, жирность на ощупь, низкая твердость, мягкость (пишет на бумаге), пачкает пальцы. кислотоупорность.
Мелкие чешуйки от очень сходного молибденита отличаются более темным цветом и менее сильным блеском. В отражательном свете по характеру двуотражения и анизотропии определяется легко. Может быть принят лишь за молибденит (отличается коричневатым оттенком и низкой отражательной способностью - Re), за валлериит и тенорит , отличающиеся по парагенезису; валлериит, кроме того, характеризуется высокой отражательной способностью, тенорит - меньшим двуотражением. Изотропный скрытокристаллический графит в очень мелких выделениях трудно отличим от сульванита, отражательная способность которого, однако, выше средней отражательной способности графита.
Межплоскостные расстояния графита (по Михееву) Fe-антикатод, D = 140,00 мм
Происхождение и нахождение
Широко распространенный минерал, образующий местами крупные скопления. Возникает при высоких температурах - при кристаллизации магмы, при образовании жильных месторождений и при процессах метаморфизма.
Месторождения
Образование скоплений графита в магматических породах
связано с ассимиляцией магмой известняков, битуминозных или углистых пород. Некоторые месторождения этой группы имеют промышленное значение. Наиболее известным среди них является Ботогольское (Алиберовское) месторождение в Бурятии, в котором графит образует штоки, гнезда, жилообразные тела и рассеянные выделения среди сиенитов по близости от известняков. Спутники графита - микроклин, эгирин-авгит, альбит, кальцит, сфен и др. В Черемшанском месторождении (Ильменские горы в Челябинской обл.) графит наблюдается в граните в виде сферолитов, гнезд и неправильных выделений. Выделения графита среди гранитов установлены также в округе Клей (шт. Алабама, США). В Овифаке (Зап. Гренландия) графит обнаружен в базальтах вместе с самородным железом, на Гарце (Германия) - в порфирах, порфиритах и габбро, в Малаге (Испания)-среди серпентинита и диорит-порфирита, в Новом Южном Уэльсе (Австралия)-в фельзитах, слагающих дайку. Выделения графита, частью имеющие практическое значение, наблюдаются во многих пегматитовых жилах (графитоносные пегматиты Украины, Таджикистана, Бразилии, Индии, Гренландии, США, Италии, Канады и других стран).
Из высокотемпературных жильных месторождений графита наибольшей известностью пользуются месторождения Цейлона, имеющие большое промышленное значение. Графитовые жилы здесь залегают главным образом среди гнейсов; они состоят почти нацело из графита или содержат наряду с ним пирит, титаномагнетит, кварц, биотит, ортоклаз, апатит, ортит, рутил, цеолиты, кальцит и другие минералы. Шильные месторождения графита такого же типа имеются в Канаде (пров. Квебек), США (шт. Монтана), в Англии (Камберленд) и в других странах.
Отмечается наличие графита в некоторых кварцевых жилах с вольфрамитом , в некоторых золотоносных кварцевых жилах, среднетемпературных гидротермальных свинцово-цинковых месторождениях и др.
В скарновых месторождениях графит наблюдается в ассоциации с гранатом, везувианом, диопсидом, волластонитом, тремолитом, скаполитом, кальцитом, апатитом и другими минералами; некоторые месторождения этой группы являются промышленными. Таковы месторождения Канады - Луиза (пров. Квебек) и Порт-Элнслей (пров. Онтарио). В месторождении Тас-Казган (Узбекистан) графит приурочен к контакту габбро-норитов с битуминозными породами.
Широко развит в метаморфических породах, гнейсах и сланцах, в виде отдельных рассеянных чешуек, скоплений, линзовидных и пластовых залежей. Образуется в результате глубокой метаморфизации древних осадочных пород, первоначально содержавших значительные количества органических остатков (битуминозных), или карбонатных отложений. Таковы широко развитые чешуйчатые выделения в гнейсах и сланцах Украины - результат интенсивной метаморфизации древних кристаллических пород, возможно, при участии летучих (месторождения Старо- Крымское, Завьяловское и др.), Союзное месторождение на Малом Хингане в Амурской обл., Тайгинское и Мурзинское месторождения Свердловской обл., богатые месторождения в гнейсах около Пассау (Германия), в метаморфизованных известняках Паргаса в Финляндии, Эшленд в шт. Алабама (США), крупные месторождения чешуйчатого графита на Мадагаскаре и др.
Широко развиты месторождения скрытокристаллического графита, связанные с метаморфизацией каменных углей. В соответствии с различными условиями метаморфизма степень метаморфизации углей различна. Графит образует прослойки, пласты и пластовые залежи. Под влиянием контактного воздействия траппов на угольные пласты образовались, например, крупные залежи западной части Тунгусского угольного бассейна (Красноярский край), состоящие из мельчайших выделений графита с примесью пирита, кальцита, небольших количеств апатита, рутила, магнетита и др. С метаморфизмом каменных углей связано также образование некоторых графитовых месторождений Урала (Боевское, Полтавское, Брединское, Фадинское Челябинской обл.). Тонкодисперсный графит, выявляемый лишь рентгеновским анализом, содержится во многих ископаемых каменных углях.
Графит содержится в некоторых элювиальных, реже в аллювиальных россыпях, образующихся при выветривании графитсодержащих пород.
В сублиматах вулкана Билюкай на Камчатке графит в виде налета на нашатыре образовался, вероятно, в результате действия лавового потока на растительность (по устному сообщению Набоко). Отмечается наличие графита в каменных и железных метеоритах.
Неясен генезис пленок графита на кристаллах алмаза в южноафриканских месторождениях.
Завальевское месторождение чешуйчатого графита
Графит. Крупночешуйчатый агрегат. Украина. Завалье Многочисленные промышленные залеж и чешуйчатого графита Украинской графитоносной провинции связаны с архейскими образованиями тетерево-бугской серии в составе Украинского кристаллического массива. Эта серия сложена сильно дислоцированными амфиболитами, амфиболовыми, плагиоклазовыми, пироксеновыми, силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцитами и кристаллическими известняками, перемежающимися с графитистыми биотитовыми, серицитовыми, биотит-хлоритовыми и хлоритовыми гнейсами, имеющими нередко промышленное значение. В пределах провинции выделяют три рудных района: Прибугский (по рекам Тетерев и Буг), Криворожский (по р. Ингулец) и Приазовский (вдоль побережья Азовского моря). Все месторождения провинции имеют большую промышленную ценность благодаря высокому качеству графита, большим масштабам оруденения, легкости о богащения руд и возможности открытой разработки.
Завальевское месторождение, расположенное на левом берегу Юж. Буга, является типичным представителем этой провинции. Геологически оно приурочено к крупной синклинальной складке запад-северо-западного направления с крутыми (вплоть до вертикальных) углами падения пород в крыльях. Центральная часть складки выполнена кристаллическими известняками, окаймляемыми кварцитами; мощность известняков 500 м, кварцитов 20-50 м. Ниже по разрезу находятся графитоносные гнейсы (продуктивная толща), мощность которых не выдержана: в северном крыле она достигает 250 м, а в южном - резко сокращается до 15 м. Продуктивная толща подстилается бёзрудными амфиболовыми гнейсами. Синклиналь зажата между гранитами, обнажающимися в северной части месторождения, и прорвана кварцевыми жилами, дайками гранитов и гранит-аплитов. Кристаллические породы на участке месторождения повсеместно перекрыты третичными и четвертичными песчано-глинистыми отложениями мощностью до 35-40 м.
Продуктивная толщ а графитоносных биотит-хлоритовых и полевошпат-гранатовых гнейсов состоит из нескольких (1-5) графитсодержащих горизонтов, разделенных безрудными гнейсами. Мощность этих горизонтов варьирует от 3,5 до 70 м, а протяж енность составляет сотни метров; в них по данным опробования оконтуриваются промышленные рудные тела пластовой и линзовидной формы, сложенные вкрапленными рудами. Графит в этих телах крупночешуйчатый (размером от 0,1 до 1-2 мм) со средним содержанием 6- 10%. Иногда чешуйки графита объединяются в пятнистые скопления - агрегаты. Помимо графита в составе руд присутствуют кварц, калиевый полевой шпат, плагиоклаз, а так ж е небольшие количества биотита, хлорита, граната,
кальцита, апатита, циркона и пирита.
В четко выраженной коре выветривания, развивающейся по графитоносным гнейсам, наблюдается зональность. В верхней (рыхлой) зоне широко развиты глинистые минералы. Минеральный состав руд: графита до 10%, до 50% глинистых минералов (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит , нонтронит и д р.); 25% кварца; до 10% гидроксидов железа; до 10% гранатов и полевых шпатов. В средней (полурыхлой) зоне при сохранении содержания графита (до 10%) увеличивается количество кварца (30-4 0%) и полевых шпатов (10- 2 5 %), появляются слюды (10- 15%), гранат, силлиманит и апатит (до 10%), одновременно сокращается доля глинистых минералов (10-4 0 %). Нижняя (плотная) зона коры выветривания по своему минеральному составу близка первичным (твердым) рудам месторождения. Благодаря тому что в коре выветривания чешуйки графита освобождены от срастания с другими минералами (раскрыты), эти руды (так называемые мягкие) еще более легко обогатимы, представляя первоочередной объект промышленной разработки. Рыхлые и твердые руды месторождения обогащаются флотацией с получением концентрата, содержащего 85-90% графита высокого качества зольностью не выше 10- 15%. По разведанным запасам и масштабу добычи месторождение является одним из крупнейших в стране. Большинством исследователей генетически Завальевск о е месторождение рассматривается как метаморфическое, образовавшееся в процессе регионального метаморфизма первично-осадочных алюмосиликатных пород, содержащих в своем составе рассеянное углеродное вещество. Отдельные геологи (В. П. Бухаров, В. Б. П о лянский и др.) полагают, что образование графита в гнейсах происходило за счет углерода, освобождавшегося при дегазации карбонатных пород, сопровождавшейся разложением оксида углерода (реакция Будуара). Наконец, имеются данные о том, что наряду с графитом, образовавш имся за счет первично-осадочного углерода, в гнейсах может быть и более поздний графит, связанный с глубинным источником углекислоты (А. Ф. Коржинский и др.).
Практическое применение
Графит имеет очень разнообразное применение, основанное на его «жирности», кислотоупорности, огнестойкости, электропроводности. Идет на изготовление тиглей для плавки стали и цветных металлов (около 65-70% общего потребления), широко применяется в электротехнике (для изготовления электродов), как смазочный материал, при производстве красок, карандашей и др. Наиболее ценным считается кристаллический графит; скрытокристаллические разности употребляются лишь в литейном деле, как наиболее дешевое сырье.
Мировая добыча природного графита осуществляется в немногих странах и приближается к 600 тыс. т/год. Почти половина ее приходится на КНР и Россию, разрабатываю щ ие месторождения кристаллического и аморфного графита. Крупными продуцентами кристаллического графита являются Чехия, Германия, Малагасийская Республика, Норвегия, Шри-Ланка, а аморфного - Индия,
Мексика, КНДР, Южная Корея, Австрия. Мировое производств0 синтетического графита составляет около 1,5 млн т и осуществляется в промышленно развитых странах, не обладающих существенными природными запасами этого сырья: США, Канаде, Японии, странах Западной Европы.
Углерод в природе присутствует в самородном виде, образуя две полиморфные разновидности - графит и алмаз, идентичные по своему составу, но резко отличающиеся по структуре и физическим свойствам.
Графит встречается в виде рассеянных чешуек, либо их листоватых агрегатов (кристаллический чешуйчатый графит, flake graphite), плотных зернистых агрегатов (кристаллический кусковый графит, vein type, lump graphite), либо плотных скрытокристаллических масс (аморфный графит, amorphous graphite). Кроме того, в промышленности все шире используется искусственный (коксовый, доменный, ретортный) графит, специально получаемый из антрацита, нефтяного кокса, а также из отходов доменного производства.
Чешуйчатые графиты по диаметру кристаллов разделяются на крупночешуйчатые (0,1 -Х,0 мм) и мелкочешуйчатые (0,001-0,1мм). В литокристаллическом кусковом графите размер кристаллов тот же, что и в мелкочешуйчатом, однако они не ориентированы, что затрудняет расщепление агрегата и сдвиги при деформации. Промышленные руды чешуйчатого графита содержат от 2 до 15% (редко более) этого минерала. Они легко обогащаются флотацией с получением концентрата, содержащего 80-90% и более графита. В плотно кристаллических кусковых pудах массовая доля графита составляет 35-40% и более; без обогащения используется руда, в которой эта величина поднимается до 60-80%.
Величина зерен в скрыто кристаллическом (аморфном) графите менее 0,001мм. Скрытокристаллическая руда (аморфный графит) труднообогатима. Без обогащения используются руды с содержанием углерода около 70%, бедные руды (20-40%) обогащаются ручной разборкой.
Искусственный графит по качеству приблизительно соответствует чешуйчатому и плотно кристаллическому, отличаясь большей чистотой и меньшей кристалличностью.
В зависимости от структурного строения графиты делятся на: - явнокристаллические, -скрытокристаллические, - графитоиды, - высокодисперсные графитовые материалы.
В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на: - плотнокристаллические, - чешуйчатые.
Электрические свойства графита. Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 Ом.
Термические свойства графита. Графит обладает высокой теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной. Коэффициент теплопроводности 0,041 (в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных. Температура плавления графита - 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм. Точка кипения доходит до 4200 С. Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, Находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.
Магнитные свойства. Графит считается диамагнитным.
Химические свойства. Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными из которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора. При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.
Механические свойства. Графит не обладает эластичностью, но, тем не менее, может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм2, а модуль изгиба равен 836 кг/мм2. Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.
Оптические свойства. Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.
Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности. Графит является футеровочным материалом электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов. Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах а так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.
Промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные - гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи. В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников. Обработка графита требуется для получения сложных изделий.
Различные отрасли промышленности предъявляют свои специфические требования к качеству графитного сырья (руд и концентратов). В настоящее время производятся следующие типы и марки графита: литейный (марки ГЛ, ГЛС), элементный (ГЭ), электроугольный (ЭУЗ, ЭУТ, ЭУН), аккумуляторный (ГАК), тигельный (ГТ), карандашный, смазочный (ГК, ГС, П), специальный малозольный (ГСМ-1, ГСМ-2), графит для специальных сталей (ГСС), особо чистый графит для ядерных реакторов и др. Его состав варьирует в широких пределах: 40-97% графита, 0,7-7,5% летучих, 1,75-26,5% золы. Общими лимитирующими показателями являются зольность, влажность, содержание летучих, иногда железа, серы, меди, фосфора и других элементов, а также величина рН водной вытяжки.
Производимый в СНГ графит, в зависимости от сферы применения должен соответствовать требованиям ГОСТов, в частности: Графит тигельный (тигель графитовый) ГОСТ 4596-75, Графит кристаллический литейный ГОСТ 5279-74, Графит аккумуляторный ГОСТ 10273-79, Графит для производства карандашных стержней ГОСТ 4404-78, Графит элементный ГОСТ 7478-75, Графит электроугольный ГОСТ 10274-79, Графит для изготовления смазок покрытий и электропроводящей резины ГОСТ 8295-73.
Терморасширенный графит. Терморасширенный графит (далее ТРГ) был разработан компанией UCAR Carbon Co. Inc более 30 лет назад. Это характерный гибкий листовой материал, унаследовавший от графита высокую стойкость к температурным и химическим воздействиям и приобретший дополнительные свойства гибкости, податливости и прочности на сжатие и растяжение. Эти свойства отличают ТРГ от прочих видов углерода и графита и делают его превосходным и высокоэффективным набивочным и уплотнительным материалом.
Показатели:
Выщелачиваемый хлорид 50 ppm
Температурный диапазон -200...3000°C
Сжимаемость 40%
Регенерация 15%
Проседание под нагрузкой <5%
pH диапазон 0-14
Названия:
терморасширенный графит
гибкий графит
Переход на уплотнения из ТРГ взамен традиционно используемых позволяет увеличить средние сроки межремонтной эксплуатации арматуры в 2,5-8 раз, а центробежных насосов в 5-13 раз.
Ведущим экспортером природного графита в 2006-2008 гг. выступил Китай, на чью долю в 2008-2009г. г. пришлось 70% всего объема продаваемого в мире графита. Производство графита в Китае, как ожидают, продолжит рост, поскольку китайские производители очень тесно сотрудничают с западными потребителями графита.
Также мировыми лидерами экспорта (73-77 тыс. т) являются Канада, Бразилия, Мексика, Шри Ланка чей совокупный экспорт в период 2006-2009 гг. составлял около 9-12 % всего объема.
Балансовые запасы графитовых руд в России составляют по кат. А+В+С1 139,71млн. тонн (графита - 13,54 млн.т). Преобладает скрытокристаллический графит с содержанием графитового углерода до 82%. Практически все запасы (99,5%) сосредоточены в Сибирском ФО (Красноярский край, Эвенкийский АО). Запасы кристаллического графита составляют 4,5 млн. тонн по кат. А+В+С. При этом около 77% запасов кристаллического графита находятся в бедных рудах с содержанием графита менее 4-6%. Значительная часть балансовых запасов кристаллического графита требует переоценки, так как разработка их нецелесообразна по ряду причин – низкое качество и плохая обогатимость руд, расположение в природоохранных зонах или охранных целиках.
В мире имеется значительный резерв неосвоенных месторождений, однако качество большинства руд недостаточно высокое и условия их отработки сложные. Мировое производство природного графита в последнее время находится на уровне 1,13 млн. тонн
Крупнейшими потребителями природного графита (около 50 % всего объема природного графита) в 2006-2010 гг. выступили такие промышленно развитые страны как США, Япония, Германия, Китай. Эти страны (за исключением Китая) являются и ведущими импортерами графита, на чью долю приходится около 350 - 450 тыс. т. мирового потребления.
Стоимость природного графита определяется размером его кристалла и содержанием в нем углерода. Существует дифференциация цен на графит по его сортам - наибольшая цена определена для типа графита с максимальным содержанием углерода в данном сорте. В 2006г., когда поставки природного графита были широко доступны, главным образом из Китая, цены на сырье были сравнительно низкие. К 2009-2010 гг. цены достигли максимума.
Простым карандашом с графитовым стержнем пользовался каждый из нас. Его след на бумаге - не что иное, как углерод. В нашей статье вы узнаете, какова формула графита, его физические и химические свойства.
Положение углерода в периодической таблице
Углерод - элемент четвертой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Он является органогенным. К данной группе также относятся кислород, азот и водород. Это значит, что они входят в состав всех живых организмов на планете, составляя их основу.
Такое положение определяет строение атома углерода. На его внешнем энергетическом уровне находится четыре электрона. Это значит, что данный химический элемент может проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления (+4 или - 4).
Понятие об аллотропии
Формула графита показывает, что в состав этого вещества входит только углерод в свободном виде. Хотя в природе он часто встречается и в виде соединений. Такими примерами являются углекислый и угарный газ, известняк, мел, мрамор.
Дело в том, что формула графита в химии такая же, как и у алмаза. Возможно ли это? Получается, что вещества с одинаковым составом имеют абсолютно разные свойства. Такое явление называется аллотропией. Она может быть обусловлена количеством атомов в молекуле вещества или их пространственным расположением. Примером первого случая является кислород. Если в молекуле два атома этого химического элемента, образуется кислород, а если три - озон.
Формула графита в химии
Аллотропия углерода является пространственной. Обратите внимание на рисунок ниже. Первый из них - это формула графита. Атомы углерода формируют слои, расположенные друг от друга на значительном расстоянии. Поэтому связи между ними не прочные. Каждый раз, проводя графитовым стержнем по бумаге, мы оставляем на нем слой углерода.
В кристаллической решетке алмаза (ее демонстрирует рисунок справа) расстояние между атомами в узлах одинаково во всех направлениях. Такое строение обеспечивает и прочность связей. Алмаз является самым твердым веществом. Считается, что его нельзя разбить.
Графит: формула, химическая и физическая характеристика
Как мы уже сказали, графит - это углерод. Соответственно, в химии записывается он как С. Несмотря на то что формула алмаза и графита сходна по качественному составу, эти вещества имеют значительные отличия в свойствах. Это объясняется разным пространственным расположением атомов углерода в их молекулах.
Графит - это мягкое вещество серого цвета с металлическим блеском. Оно без усилий расслаивается на мелкие пластинки и проводит электрический ток. Ученые доказали, что если графит нагреть до 1 600 градусов по шкале Цельсия под давлением 104 МПа при наличии катализаторов, то он превратится в алмаз. Таким способом в промышленности получают искусственные драгоценности.
Графит не является химически активным веществом. Он реагирует только с некоторыми солями и щелочными металлами. Продуктами таких реакций являются подобия включений. Сгорание графита в кислороде происходит только при очень высокой температуре с образованием углекислого газа. Однако он вступает в реакцию фторирования. При этом образуется порошок белого цвета, структура которого изменяется на зигзагообразную, приобретая лучшие смазочные свойства по сравнению с обычным графитом.
Отличия модификаций углерода
А вот алмаз является твердым прозрачным и бесцветным веществом, которое не проводит электрический ток. Хотя иногда в природе встречаются розовые, желтоватые, синие или зеленые минералы. Формула алмаза и графита в химии одинаково представлена углеродом - С. Однако благодаря своей кубической кристаллической системе это вещество является одновременно твердым и хрупким. Обработанные алмазы называют бриллиантами. Удивительным является еще и тот факт, что в природе невозможно найти двух одинаковых камней. Наверное, поэтому в переводе с греческого языка название этого вещества означает "непревзойденный".
Аллотропия углерода
Структурная формула графита может искусственно видоизменяться. Благодаря этому был получен целый ряд аллотропных модификаций углерода. Это карбин, графен и фуллерены.
Первое вещество имеет линейную структуру из атомов углерода. Они могут быть соединены либо двойными, либо чередующимися тройными и одинарными связями. Карбин представляет собой черный порошок с мелкокристаллической структурой. Его уникальным свойством является абсолютная совместимость с тканями организма человека. Благодаря этому карбин используют для изготовления искусственных кровеносных сосудов.
Графен - это однослойное вещество, также состоящее из углерода. Такое строение делает его самым прочным и тонким. Графен применяется в различных областях нанотехнологии: точное приборостроение, искусственные мембраны, сенсорные устройства.
Из атомов углерода состоит еще одна аллотропная модификация углерода - фуллерены. Их молекулы имеют сферическую или эллипсовидную форму с полостью внутри. Фуллерены получают из паров графита при их дальнейшей лазерной обработке. Его используют в качестве полупроводника, фоторезиста, элемента аккумуляторов и электрических батарей, катализатора роста алмазной пленки.
Итак, в нашей статье мы рассмотрели особенности строения графита. Это вещество состоит из атомов углерода. Они образуют отдельные слои, связи между которыми не очень сильные. Поэтому графит является мягким, легко отслаивается в горизонтальном направлении, имеет серый цвет с металлическим блеском и хорошо проводит электрический ток.
