Графит использование человеком. Графит — камень, который используют в промышленности

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).

Графит – уникальный самородный минерал, аллотропная модификация элемента углерода, наиболее устойчивая в земной коре. Свойства графита хорошо изучены и находят широкое применение. Образуется графит в результате вулканической деятельности при высоких температурах, поэтому и находят его в природе в магматических горных породах, где содержание кристаллического графита может доходить до 50%. Встречается графит также совместно с вольфрамитом - в кварценосных жилах, совместно с другими минералами – в полиметаллических среднетемпературных месторождениях, а в таких метаморфических породах, как мраморы, гнейсы, сланцы, графит распространен очень широко. Крупное графитовое месторождение находится в Тунгусском каменноугольном бассейне, образовавшееся в результате высокотемпературного воздействия на уголь – так называемая скрытокристаллическая форма графита, содержание которого лежит в пределах от 60 до 80%.

Структура графита

В кристаллической структуре графита различаются две ее модификации: гексагональную, или а-модификцию, и ромбоэдрическую, или β-модификацию. В альфа-графите каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами sp-3-гибридными облаками, образуя кристаллический слой, состоящий из правильных шестигранников. Каждый слой удерживается с другим, параллельным ему слоем, за счет ван-дер-вальсовских сил. Причем, центры шестигранников верхнего и каждого нижнего слоев совпадают, однако слои смещены относительно друг друга на 0,1418 нм в горизонтальном направлении и в порядке «через один». Слоистая структура объясняет многие свойства графита.

В бетта-графите атомы слоев связаны между собой точно так же, но чередование горизонтального смещения происходит через два слоя. Ромбоэдрическая структура считается нестабильной, разрушающейся при температуре более 2230о, но в природных графитах с гексагональной структурой встречается до 30% β-модификации графита.

Физические свойства графита

Цвет графита варьирует от железо-черного до стального серого с характерным металлическим блеском. На ощупь минерал жирный, скользкий, пачкает пальцы и бумагу, при механическом воздействии расслаивается на отдельные чешуйчатые частицы. Именно это свойство графита позволяет применять его в карандашах.

По сравнению с алмазом графит обладает меньшей твердостью и плотностью, а также графит электропроводен. Его теплопроводность зависит от степени нагрева и колеблется в пределах от 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Графит обладает чрезвычайной огнеупорностью, его температура сгорания - 38500С.

Химические свойства графита

Графит химически малоактивен: в кислотах не растворяется, с некоторыми солями и щелочными металлами образует соединения наподобие включений. С кислородом воздуха реагирует только при очень высокой температуре, образуя углекислый газ. Возможно фторирование графита с образованием (CF)x.

Применение графита

Техническое применение минерала чрезвычайно разнообразно и обусловлено свойствами графита, главным образом его огнеупорностью и электропроводностью. Так, в металлургии графит используется для производства тугоплавких тиглей, чехлов для термопар, емкостей для кристаллизации. В литейном производстве графитовый порошок используется в качестве антипригарной присыпки, а также для смазывания литейных форм.

Из коллоидно-графитовых смесей таких как графит С-1 изготавливают шлифовальные и полировочные пасты.

Хорошие электропроводящие позволяют использовать его для производства электродов и контактов некоторых электрических приборов. Кроме производства карандашей, графит используется для изготовления красок и термостойких смазочных материалов, для наполнения пластмасс.

Даже в атомной энергетике замечательные свойства графита находят свое применение, в первую очередь, это его способность замедлять электроны в реакторах. В ракетостроении сопла ракетных двигателей и многие элементы теплозащиты также производятся с применением графита.

(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:

1. Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода
2. 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

Примечания

Ссылки

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:

1. Альфа (гексагональный).
2. 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.