Графит: плотность, свойства, особенности применения и виды

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.

1. Структура
2. Свойства
3. Морфология
4. Происхождение
5. Применение
6. Классификация
7. Физические свойства
8. Оптические свойства
9. Кристаллографические свойства

Смотрите так же:

Агат

— цена и лечебные, магические свойства

Физические свойства и структура алмаза

Что такое графит

Как выглядит графит, знает каждый. Это грифель-сердцевинка обычного простого карандаша:

• Минерал мягок, в чем несложно удостовериться: от неосторожного обращения карандаши ломаются.
• Жирноват на ощупь, наделен разной твердостью и плотностью, на что указывают марки карандаша – от мягкой до твердой.
• Цвета и оттенки – полная серая гамма с матовым или металлическим отблеском.

Возможность написания или рисования создает слоистая структура минерала.

Графит – это минерал, природная кристаллическая модификация углерода. Ближайшие родичи – алмаз, лонсдейлит, чароит. Их отличает структура. У графита она слоистая.

Графит можно превратить в алмаз, разогрев до 2000°C и поместив под давление в сотни атмосфер.

В природе «чистый» минерал не замечен, среди примесей обнаружены редкие, ценные металлы.

Налажено производство искусственного графита.

СТРУКТУРА

Гексагональная кристаллическая полиморфная (аллотропная) модификация чистого углерода, наиболее устойчивая в условиях земной коры. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный вид симметрии), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический в.с.). Кристаллическая решетка графита — слоистого типа. В слоях атомы С расположены в узлах гексагональных ячеек слоя. Каждый атом С окружен тремя соседними с расстоянием 1,42Α

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.

История

История и время формирования графита остается загадкой для науки: он слишком похож на другие минералы по описанию.

Единственная зацепка – глиняная утварь культуры Боян-Марицы (территория современных Болгарии и Румынии, 6 тыс. лет назад). Изделия раскрашены графитовыми красками.

Графитом минерал предложил именовать Абраам Вернер. Этот прославленный химик, «окрестивший» десятки камней, взял за основу свойство минерала оставлять четкий красящий след.

Древнегреческий термин γράφω означает «пишу».

На территории России графит найден в 1826 году на Урале.

В истории, литературе минерал фигурирует также как черный/серебристый свинец, карбидное железо.

Поднимает ли грифель от карандаша температуру?

Как гласит одна из школьных легенд, сердцевина этого инструмента для рисования является верным способом обмануть ничего не подозревающих родителей.

«Канонический» способ употребления выглядит следующим образом:

1. Зачистить деревянную оболочку карандаша, так чтобы осталась только сердцевина;
2. Можно приобрести набор запасных грифелей для циркуля;
3. Растолочь твердые куски до образования черного порошка;
4. Принять средство внутрь;
5. Запить большим количеством чистой кипяченой воды;
6. Результат наступит через полчаса.

Действенность этого состава якобы

великолепная – столбик ртути уверенно занимает положение от 37,5 до 38 градусов. Эффект довольно кратковременный, на несколько часов. Но большего и не надо, чтобы убедить родителей, что в школу можно не ходить.

В настоящее время в пишущих принадлежностях, предназначенных для детей, все чаще используются синтетические материалы

. Поэтому проверить реалистичность старой советской байки на себе при всем желании довольно проблематично.

Физико-химические характеристики

По химической номенклатуре минерал графит – это чистый углерод с формулой из одного символа (C).

Состав иногда дополняют абсорбированный газ, битум, вода, механические примеси.

Класс минерала по международной номенклатуре – самородный элемент. По систематике СССР это неметалл, но наделен характеристиками, присущими металлам, – электропроводностью, магнетизмом.

Основные свойства

Графит представляет собой серое вещество с металлическим блеском. Оно обладает высокой теплопроводностью (3,55 Вт/град./см). Благодаря этому графит активно применяют в различных сферах промышленности. Этот показатель выше, чем у кирпича, что объясняется наличием подвижных электронов в кристаллической решетке. Они также содействуют хорошей электропроводимости. Во всех агрегатных состояниях это вещество характеризуется низким сопротивлением току (от 0,4 до 0,6 Ом).

Графит является инертным веществом, которое не растворяется химически активными компонентами. Это возможно только при попадании его в среду расплавленного металла с высокой точкой кипения. Графит в таких условиях расплавляется полностью, образуя карбиды.

Низкий коэффициент трения и высокая точка плавления обуславливают хорошие герметизирующие качества. Плотность графита (кг/м3) составляет 2,23. Но при этом материал хорошо изгибается и режется.

Где и как добывается

Залежи графита промышленных объемов есть на всех континентах:

• Обе Америки – США, Канада, Бразилия;
• Европа – ФРГ, Гренландия, Италия;
• Австралия.

Сырье каждого графитового рудника можно отличить по структуре, цвету, другим признакам.

Россия располагает тремя крупнейшими месторождениями:

• Бурятия – качественное плотнокристаллическое сырье.
• Краснодарский край (два) – плотно-, мелкокристаллический, чешуйчатый, графитовые сланцы.

Графиты формируются каменноугольным пиролизом либо под влиянием экстремально высоких температур и давления. Например, излияниями магмы на отложения каменного угля.

Его добывают наземным или подземным способами. Графитовые кристаллы находят в сланцах, мраморах, других органических породах.

Ежегодный мировой объем добычи графита – 600 тыс. тонн.

Описание графита. Свойства графита. Применение графита

Описание и свойства графита

Графит – это природный элемент, легко раскалываемый минерал, одна из модификаций углерода. Графит – материал очень мягкий, легко поддающийся механической обработке, обладает металлическим блеском. Графитовая формула – С (углерод).

Электропроводность графита, фото которого можно посмотреть выше, превышает ртутную электропроводимость в 2,5 раза. Удельное сопротивление электротока с температурой в 0 градусов находится в границах 0,390-0,602 Ом, а его самое низкое значение для различных видов данного элемента одно и то же – 0,0075 Ом.

Элемент отличается повышенной теплопроводимостью, коэффициент которой в 5 раз выше, чем имеет кирпич (0,041). Графитные медные цепочки отличаются более низкой теплопроводностью. Пределы температуры плавления – 3845-3890 С, кипение начинается при 4200 С. Во время сжигания элемента выделяется 7832 ккал тепла. Графит является диамагнитным.

Его основные химические свойства – инертность по отношению к жидкостям, газам и твёрдым веществам, способность растворяться в расплавленных металлах, с точкой плавления превышающей его собственную. На высокой температуре может взаимодействовать с другими элементами.

Не эластичен, но в то же время изгибается и режется. Благодаря жирности и пластичности имеет широкое применение в промышленном производстве. Жирность также позволяет применять его как смазочный материал. Плотность графита 2,23 г/ см3.

Графит отличается слоистой структурой, имеющей свои особенности. Атомы углерода кристаллической решётки графита представляют собой сотовые ячейки: шестиугольники, расположенные рядами. В каждом ряду атомы плотно связаны друг с другом, а ряды между собой имеют слабую связь. Поэтому графит легко сломать даже если только слабо надавить.

Твёрдость по шкале Мооса приравнивается к единице, в то время как у алмаза – десять, несмотря на тот факт, что алмаз и графит – это углеродовые подвиды. Всё дело в кристаллической решётке. У алмаза один атом углерода связан с четырьмя лежащими рядом. На основе исследований учёные доказали, что кристаллическая решётка графита при температуре выше 1500 С может преобразоваться в решётку алмаза.

В процессе переработки как физические, так и химические свойства графита меняются, поэтому его классифицировали на марки, которые имеют соответствующие различия. В промышленности отдельная марка графита используется для определённого вида продукции.

Графит подразделяется на естественный (природный) и искусственный. При его производстве учитывают свойства в зависимости от назначения продукции. Естественный в свою очередь делится на графит кристаллический и скрытокристаллический, представляет собой порошок, похожий на порох.

Производители продукции из графита предъявляют свои требования к сырью в зависимости от его назначения. В соответствии с этим проведена маркировка, и сейчас вырабатываются различные марки графита, имеющие каждая свое предназначение.

Среди них электроугольная, литейная, элементная, аккумуляторная, карандашная, смазочная, а также специальная марка по производству графита для ядерных реакторов. Весь производимый графит должен соответствовать техническим требованиям в зависимости от области его применения.

Месторождения и добыча графита

Ресурсы графита во всём мире составляют примерно 600 млн т, а его ежегодная добыча свыше 600 тыс. т. Наибольшими запасами владеют Мексика, Китай, Чехия, Бразилия, Украина, Россия, Южная Корея, Канада. Образовался этот минерал метаморфизацией осадочных пород из органических соединений. Месторождения графита с давних времён представляют интерес с экономической точки зрения и оцениваются мощностью в миллионы тонн.

Разработка этих месторождений обеспечивает промышленность необходимым сырьём. Натуральный графит встречается в виде плотных кристаллических или волокнистых вкраплений в граниты, известковые породы, гнейсы, слюду. Он образует большие скопления в виде непрозрачных, серых, землистых или чешуйчатых масс. Цвет графита в пределах от серого стального до чёрного. Кусковой графит добывают подземным способом, а графитовую руду – открытым.

Применение графита

И производители, и обыватели уже давно знакомы с графитовым веществом, зарекомендовавшим себя наличием качеств, которые позволяют применять его не только для производственных процессов, но и в повседневной жизни.

Благодаря таким основным свойствам как электропроводность и огнеупорность, этот минерал нашёл широкое применение в промышленности. Металлургия использует его для изготовления тугоплавких ковшей, форм для сплавов, ёмкостей для кристаллизации. Литейное производство применяет графитовый порошок как смазку форм для литья.

Является одной из составляющих при изготовлении огнеупорного кирпича. Полировочные и шлифовальные пасты получают из графитовых смесей. Учитывая электропроводящие свойства природного элемента, он незаменим для изготовления контактов электроприборов и электродов.

Промышленность по производству графитовых карандашей, смазочных материалов и изготовления красок тоже не обходится без этого вещества. Стержни для карандашей изготавливаются из чёрного графита, хотя в природе существует серый графит со стальным блеском. Является наполнителем пластмассы, с его помощью налажено производство искусственных алмазов.

Даже атомная энергетика оценила свойства графита и взяла его на использование. Машиностроение – материал для подшипников, уплотнительных и поршневых колец. В быту также стали использовать графитовую смазку – обрабатывать автомобильные рессоры, велосипедные цепи, даже дверные петли.

Покрасочным средством, обладающим антикоррозионными качествами является краска графитовая. Она представляет собой однокомпонентную суспензию. В её состав, кроме графитового наполнителя, входят пластификатор и связующие пигменты. Применяя такую краску, защищают бетонные, стальные, деревянные, алюминиевые, чугунные изделия от коррозии.

В медицине графит зарекомендовал себя как одно из гомеопатических средств при кожных заболеваниях, являющихся следствием внутренних и трудно поддающихся терапии нарушений. Препятствует образованию спаек и рубцов после воспалений, а также влияет на обменные процессы. Заболевания, на которые благотворно воздействует графит, сложно перечислить, поэтому он входит в состав многих лекарственных препаратов.

Цена графита

Продажей графита занимаются специализированные компании, занимающиеся добычей и переработкой графита, цены на который достаточно приемлемы. Ценовая категория природного графита зависит от размеров его кристаллов и содержания углерода. Каждый сорт графита имеет свою стоимость – чем выше содержание углерода, тем лучше технические свойства, и тем он дороже.

Реализация данного минерала производится как в розницу, так и оптом. Потребитель может графит купить на выгодных для него условиях. При покупке оптом делается скидка, обеспечивается его доставка. Стоимость зависит и от региональной принадлежности. Средняя цена на графит примерно 45 руб/кг. Готовая продукция стоит дороже.

Разновидности

Природный графит многообразен, поэтому разработана классификация по нескольким признакам.

По составу и сферам применения:

• Коллоидный. Техническая разновидность, порошок из искусственного графита. Используется промышленностью.
• Пиролитический. Материал искусственного происхождения. Нашел применение как основа инструментария для исследований микроструктур.
• Силицированный. Графит, обогащенный кремнием. Устойчив к коррозии.

Природный графит по структуре подразделяют на волокнистый, плотнокристаллический, чешуйчатый, графитовый сланец. Выделяют также разновидности – графитит и графитовую слюдку.

Переработка

Промышленная переработка графита позволяет получить не только разные марки графита, но и готовые графитные изделия. Товарные виды этого минерала производятся путем запуска процесса обогащения графитсодержащих руд. Исходя из степени очистки, полученный графитовый концентрат будет классифицирован на марки, использующиеся в промышленности, а также по сферам использования.

Переработка в терморасширенный графит

Сперва кристаллический графит проходит процесс окисления. Этот процесс заключается во внедрении молекул и ионов азотной или серной кислоты в межслойное пространство кристаллической решетки перерабатываемого минерала. После окисления графит проходит мойку и последующую сушку для удаления остатков воды. На следующем этапе минерал проходит термическую обработку при температуре в 1000 градусов и с высокой скоростью нагрева. За счет очень быстрого нагрева минерала запускается процесс выделения газов и разложение молекул серной кислоты, внедренных в межслойное пространство кристаллической решетки минерала.

Выделение газообразных веществ помогает создать избыточное расклинивающее давление в 400 атмосфер в межкристаллическом пространстве. В итоге образуется терморасширенный графит, имеющий высокую удельную поверхность и низкую насыпную плотность. В случае использования серной кислоты при создании этого искусственного минерала в готовом материале остается определенное остаточное количество серы. На следующем этапе готовый терморасширенный графит прокатывается, в некоторых случаях дополнительно армируется и прессуется с добавлением специальных присадок для получения готовых изделий.

Для получения различных марок искусственного графита

В процессе производства синтетического графита зачастую применяется нефтяной кокс, выступающий в качестве структурного наполнителя, а также каменноугольный пек, использующийся в роли связующего вещества. В конструкционных видах искусственного минерала применяется в качестве специальной добавки сажа и графит природного происхождения. Также в качестве связующего компонента вместо пека могут использоваться различные искусственные смолы (фурановые, фенольные и так далее).

Процесс производства синтетического графита состоит из следующих технологических промышленных этапов:

• кокс подготавливается к производственному процессу, он проходит предварительное измельчение путем дробления, прокалывается, а также рассеивается по отдельным фракциям;
• подготавливается связующее вещество;
• приготавливается углеродистая масса;
• формируются зеленые необожженные заготовки в глухую матрицу;
• заготовки проходят обжиг;
• осуществляется процесс графитации ранее обожженных заготовок;
• на завершающем этапе заготовки проходят механическую обработку для получения формы готового изделия.

Для получения композиционных материалов

На сегодняшний день современная промышленность изготавливает антифрикционные углеродистые материалы таких марок, как:

• обожженные антифрикционные материалы марки АО;
• графитированные и антифрикционные материалы марки АГ;
• материалы с баббитовой, оловянной и свинцовой пропиткой;
• графитопластовые материалы марок АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Подобные материалы изготавливаются из неятного кокса, не проходящего процедуру прокаливания, а также угольного пека с добавлением графита природного происхождения. С целью повышения плотности материала используют методику его пропитки металлами.

Искусственный графит

Графит синтезируют из кокса и пека. Это продукты переработки каменного угля, нефтяных смол, угольного дегтя. На них воздействуют химически и механически при высоких температурах. Исходное сырье предварительно сортируют, затем прокаливают, пропитывают. Получается материал почти абсолютной чистоты.

Искусственный графит применяют везде, от безобидного пластика до ядерного оборудования. Самые востребованные марки:

• аккумуляторный;
• карандашный;
• литейный;
• смазочный;
• электроугольный;
• элементный;
• ядерный.

Под каждую марку, сферу использования графита подбирается точная пропорция пека и кокса.

Отличить рукотворные образцы несложно. Например, по треугольной штриховке на плоскостях. Она есть только у минерала природного происхождения.

ПРОЧНОСТЬ

Еще одна характеристика, выделяющая графит среди прочих природных минералов. Она меняется в зависимости от температуры. У большинства марок (включая искусственные виды материала) при нагревании возрастает предел прочности при изгибе, сжатии и растяжении (до двух раз). Максимум достигается при 2200-2800 градусах. Если же температура поднимается выше 3000 градусов, прочностные характеристики стремительно падают.

Самой высокой прочностью отличается рекристаллизованный материал.

Где используется

Графит почти универсален. В этом нет ничего необычного: необходимые характеристики закладываются на стадии его обработки. Так, одним требуется повышенная теплопроводность, другим – электропроводность. Третьих интересуют прочностные свойства графита.

С учетом кондиций готового продукта минерал востребован для следующих целей:

• Производство тугоплавких емкостей.
• Смазка при выплавке стали, сплавов.
• Стержни ядерных реакторов на АЭС, других агрегатах.

  
  Сувенирный графитовый блок

  Читайте также:  Как почистить бижутерию от потемнения в домашних условиях?
• Добавка к составу пластиковых изделий, огнеупоров (керамики, кирпича).
• Исходник частей электроприборов, подшипников, автомобильных рессор.
• Краска, используемая промышленностью и в быту как защитное покрытие от ржавчины.
• Сырье при изготовлении искусственных алмазов.
• Ингредиент лекарств, пищевых парафинов, эфирных субстанций, спиртов, сахара.

Самое известное применение графита – сердцевина карандашей.

Московские ученые создали из графита лекарство для лечения кожных заболеваний.

Применение в пищевой промышленности

Представленное вещество также широко применяется в пищевой промышленности. Для этого при производстве оно подвергается определенной обработке. Плотность железа, этилового спирта, графита и сахара, по понятным причинам, различна. Но представленный материал может как содержать в себе, так и входить в состав некоторых веществ. Он находится в парафинах, эфирах, спирте и даже в сахаре.

В этом можно убедиться, если провести несложный опыт. Сначала нужно взять кусочек сахара. Его кладут на твердую крышку и накрывают колпачком (можно наперстком). Затем металл, которым накрыт сахар, сильно нагревают. Из-под наперстка со временем станет выделяться едкий дым. Если к нему поднести спичку, газ станет гореть.

Когда дым перестанет выделяться, можно снять наперсток. На крышке остается черная масса. Это уголь. Он представляет собой углерод, из которого и состоит графит.

Лечебное влияние

Первыми оценили графит гомеопаты. Они установили, что минерал подходит для лечения кожных патологий (экземы, псориаз, лишай, другие).

Сегодня список расширен:

• Нарушение обмена веществ.
• Сбой в работе щитовидной железы.
• Заболевания дыхательных путей (ринит, бронхиальная астма).
• Проблемы ЖКТ (гастрит, язва желудка, 12-перстной кишки, колиты).
• Женские недуги (аменорея, хроническое воспаление яичников, мастопатия).
• Конъюнктивит, катаракта, ячмень.

Минерал «курирует» также эмоциональное здоровье. Его прописывают при утренней головной боли, неврастении, апатии, депрессии.

Как обмануть градусник?

Далеко не каждый человек, пусть и находящийся в пубертатном возрасте, решится травить свой организм ради одного дня отдыха от школы. Ведь есть небольшие хитрости, которые позволяют добиться высоких значений на термометре без опасности приобрести инвалидность:

• Если в помещении нет никого, то можно просто нагреть сам измерительный прибор путем быстрого натирания или прикладывания к теплому предмету. Единственный минус этой идеи – опасность взрыва и расплескивания очень токсичной ртути;
• Передвигать полоску ртути можно с помощью постукиваний то с одного, то с другого конца термометра;
• Если градусник электронный, то простые фокусы с ним не пройдут. Получать высокие значения на экране придется с помощью домашних любимцев, которые более теплокровны, чем человек;
• Измерение проходит при посторонних? Не беда – можно заранее натереть подмышки перцем, горчицей или нагревающими лекарственными составами. Конечно, будет больно, но требуемый эффект будет достигнут;
• Закрепить под одеждой грелку таким образом, чтобы она располагалась на некотором отдалении от термометра (в противном случае прибор покажет космические значения) .