Графит: плотность, свойства, особенности применения и виды. Графит

Смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) - ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Физические свойства

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

Применение

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 .

Единственными в России производителями синтетического графита в промышленных масштабах являются предприятия ООО «Донкарб Графит», дочернее общество АО «ЭНЕРГОПРОМ», входящее в состав ГК «РЕНОВА» Виктора Вексельберга и ООО «ГрафитЭл - Московский электродный завод». Принадлежность к предприятиям полного цикла определяется способностью исполнять все этапы технологического процесса производства графита.

Литература

• Графит / Р. В. Лобзова // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М. : Советская энциклопедия, 1969-1978.
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20th ed.

Трудно сказать, когда именно человечеству стало известно об этом минерале. Многие ученые считают, что осложнение в этом вопросе связано с тем, что графит похож на другие минералы, которые обладают красящими свойствами. Но археологи нашли глиняную посуду, которая использовалась около 4000 лет назад, и раскрашена была графитом.

Графит - это минерал, который принадлежит классу самородных элементов, относится к одной из модификаций углерода. Структура минерала слоистая, слои сами по себе слабовыраженные, почти плоские и состоят из шестиугольных слоев атомов углерода. Сам по себе графит - мягкий материал, который легко поддается механическому воздействию, а графитовая формула довольна проста С - углерод.

В природе минерал встречается наравне с сопутствующими: пирит, гранат, шпинель. Крупные залежи графита расположены в Тунгусском бассейне, а также таких породах как: кристаллические сланцы, гнейсы и мрамор. Образование графита зависит от высокой температуры вулканических и магматических пород и от пиролиза каменного угля. Графит также являются частью состава метеоритов. И занятный факт: в графите в очень незначительных долях присутствуют золото, серебро и металлы платиновой группы.

Месторождение графита

Графит очень востребован в промышленной сфере . Около 600 млн тонн считаются запасами всего мира, а ежегодно его добывают 600 тысяч. Самыми крупными странами, которые занимаются добычей этого минерала являются: Мексика, Россия, Китай, Чехия, Южная Корея, Канада и др.

Помимо стран, указанных выше, существуют и другие крупные месторождения графита. Например, остров Шри-Ланка, с 1834 года - это крупный производитель и поставщик данного минерала. Точки полезных ископаемых находятся по всему острову, а залежи графита сконцентрированы в центральной и юго-восточной частях. Представлены две добываемые породы: Хайленд (гранулиты, кварцы, чарнокиты) и Саутвест (гнейсы, кальцифиры).

Чешуйчатые залежи графита в огромной доле находятся на Украине, в Завальевском месторождении. Эта доля связана с архейскими образованиями Тетерево-Бугской серии. Серия представлена силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцами, кристаллическим известняком и т.д. Добываемые минералы имеют промышленное значение и так же пользуются спросом.

Свойства графита

Физические свойства:

• Электропроводность.
• Обладает низкой твердостью, разница с алмазом колоссальная, хотя оба элемента - углеродные подвиды. При закале высокой температурой уровень твердости увеличивается, однако, графит становится более хрупким материалом;
• Теплопроводность графита варьируется от 100 до 357,7 Вт;
• Теплоемкость.

Химические свойства:

• Не растворяется в неокисляющих кислотах;
• При высокой температуре реагирует с кислородом, сгорая до углекислого газа;
• Образует соединение включения с щелочными металлами, солями.

Как физические, так и химические свойства в процессе обработки могут видоизменяться, поэтому графит имеет специальные марки, которые обозначают различия.

Виды графит

В природе графит встречается двух видов:

• Гексагональный, отличительная его черта заключается в кристаллической решетке, в которой половина атомов находится строго над и под центром шестиугольника;
• Ромбоэдрический, его особенность в том, что каждый четвертый слой повторяет первый, а при нагревании 1000° графит принимает гексагональный вид.

Для ведения промышленных работ обязательно учитывать плотность графита, но высокий уровень этого показателя достигается путем создания искусственных видов минерала:

1. Ачесонофский графит: получение через нагревание смеси из кокса и пека до 2800°;
2. Рекристаллизованный графит: термомеханическая обработка смеси кокса, пека и природного графита;
3. Пирографит: пиролиз из газообразных углеродов;
4. Доменный графит: охлаждение большого объема чугуна;
5. Карбидный графит: термическое разложение карбидов.

Производство и применение графита

В основном графит применяется в промышленной сфере:

1. При изготовлении плавильных тиглей из-за стойкости графита к повышенным температурам;
2. В нагревательных элементах, так как данный минерал обладает химической стойкостью к агрессивным водным растворам, а также электропроводностью;
3. Для получения алюминия;
4. В твердых смазочных материалах, для образования густых масс и паст;
5. Графит выступает наполнителем пластмасс;
6. Замедлитель нейронов в ядерных реакциях;
7. При производствн синтетических алмазов;
8. При изготовлении "простых" карандашей;
9. Также графит использует при обработке носовой части баллистических ракет и космических аппаратов для тепловой защиты;
10. Для производства различных элементов и инструментов электрических машин (щетки), электротранспорта, насосного оборудования (лопасти, лопатки) и т.п.
11. Применение в пищевой промышленности.

Последний пункт заставляет обратить на себя внимание. Прежде чем минерал будет использован в пищевых продуктах, он проходит тщательную обработку. Графит входит в состав парафинов, спиртов, эфирах и сахаре. Насчет сахара достаточно легко убедиться и самостоятельно, если провести небольшой и несложный опыт.

Кусочек сахара нужно положить на твердую поверхность, а сверху плотно закрывают металлическим колпаком. Колпак нагревают, и из-под него должен начать выделяться газ, который нужно поджечь. После того, как газ полностью выгорит, можно поднять колпачок. На поверхности, где был сахар, останется черная масса, которая является углем. Ну а уголь - это и есть углерод, из которого состоит графит.

Графит - важный и ценный материал, который достаточно легко добыть и обработать, но несмотря на это обладает удивительными свойствами. Минерал широко применяется во всех промышленных отраслях и встречается в переработанном виде ежедневно в повседневной жизни.

Мир камней богат, разнообразен. Многие породы отличаются не только внешней красотой, но и уникальностью химического, физического состава. Каждый минерал по-своему ценен, используется в разных отраслях с давних времен зарождения жизни на земле. Одним из таких особенных камней считается графит, модификация углерода, внешне напоминающий обычный уголь. Увидев камень впервые, складывается впечатление, что он похож на обычный черный уголь, зато узнав о свойствах, минерал причисляют ближе к алмазу .

Уже в глубокой древности при первых находках камня, люди заметили его удивительные свойства. Стали активно использовать природный элемент в жизни. Именно графит стал первым «мелком» для нанесения наскальных надписей, письма. Сегодня мало что изменилось, данный самородок по-прежнему ценен, широко используется во многих сферах, отличается высоким спросом, большими добычами, сравнительно низкими ценами.

Описание минерала графит

Природный материал отличается плотной структурой, но достаточно приложить легкое усилие и камень легко расколется. Мягкость природного элемента позволяет выполнять быструю обработку. Слоистая структура минерала, делает его отличным от других камней. Атомы углерода, представляют небольшие ячейки-шестиугольники, которые формируются правильными рядами. Между собой ряды связаны плохо, зато элементы рядов плотно прикреплены между собой. Именно это строение, объясняет легкое раскалывание природного камня, даже при малейших усилиях.

Черный, плотный камень добывается из недр, отличается твердостью, способностью оставлять следы на ровной поверхности. Именно поэтому минерал и был назван греками «графитом», от слова пишу – «графо». Другие народы называли породу черным свинцом, скальником, сливовиком, углистым железом. Подобные названия были связаны с тем в каком виде находили породу. Иногда, внешне минерал напоминал нависающие капли, камни, имеющие своеобразный темный оттенок, отливающий словно слива серебристым блестящим оттенком стали.

Алмаз и Графит

Такой уникальный вид природному элемент присущ за счет того, что он формируется не в чистом виде, а включает в себя другие породы. Примеси, входящие в камень различны, в нем можно отыскать даже золото. Именно поэтому приходится выполнять несколько этапов очищения, прежде чем будет получен уникальный, чистый природный материал.

Удивительно, но металлурги знают, что раскаленный чугун, при остывании способен выделять большое количество искусственного графита, который практически не уступает по свойствам природному собрату. Поэтому сегодня вполне реально получить искусственный заменитель незаменимого природного материала.

Месторождение и добыча

Отыскать графитовые залежи можно во многих уголках планеты. Общее число ресурсов колеблется в пределах 600 миллионов тонн. Ежегодно добывается чуть выше 600 тысяч тонн минерала. Добыча производится в Китае, Чехии, Мексике, Южной Кореи, Бразилии, Украине, Канаде, России, других странах.

Зарождение природного ископаемого располагается по соседству с другими породами. Нередко залежи натурального графита располагаются рядом с известковыми, гранитными породами, гнейсом, слюдой. Представляют собой волокнистые, кристаллические вкрапления.

Крупные скопления минерала представляют собой непрозрачные, земляные, серые, чешуйчатые массы, их форма меняется в зависимости от месторождения. Отсюда собственно и оттенок камня, который меняется от серого, стального, до смолянисто черного. Кусками минерал добывают подземными способами, открытыми способами ведется добыча графитовой руды.

• литейную;
• элементную;
• электроугольную;
• аккумуляторную;
• карандашную;
• смазочную форму графита.

Кроме того, особо ценной считается специальная марка, предназначенная исключительно для ядерных реакторов. Производство основано на общих требованиях к предъявляемой продукции в соответствии с назначением.

Физические и химические свойства

Графит отличается плотностью, диамагнитностью, хорошей теплопроводимостью, которая выше кирпичной в пять раз. Минерал поддается плавлению при температуре 3 845-3 890 °С. Закипает при 4 200 °С, тепло выделяемое при сжигании достигает предела 7 832 ккал.

Материал по отношению к любой жидкости, газу, твердым веществам, остается инертным. В расплавленных металлах, температура плавления которых выше самого камня, полностью растворяется. Допускается взаимодействие с другими веществами в период плавления.

Плотность породы 2,23 г/ см3, она легко сгибается, разрезается. Плотность по шкале Мооса не превосходит число 1. Оставаясь эластичным, пластичным, жирным, графит нашел широкое применение в промышленности, используется как смазочный компонент.

Сравнение свойств графита и алмаза

Несмотря на то, что графит и алмаз считаются подвидами углерода, минералы имеют существенное отличие. Плотность графита в отличие от алмаза на 9 единиц ниже, по шкале Мооса. Основное отличие в расположении атомной решетки. Атом углерода алмаза, соединяется с четырьмя расположенными рядом. Однако, если графит поместить в среду выше 1 500 °С, то его кристаллическая решетка может плавно перейти по строению схожему с алмазной. Именно поэтому иногда можно услышать шуточное высказывание о том, что графит можно считать братом алмазов и угля.

Область применения

Основной особенностью графита можно считать его широкомасштабную сферу применения. Используется данный минерал в том или ином виде не только в промышленных сферах, но и быту, каждый человек практически ежедневно пользуется предметами, которые изготавливают на основе графита. Графитовые изделия, вещества, отличаются высоким качеством, долгим сроком эксплуатации, поэтому остаются востребованными, порой даже незаменимыми. Формирование разного рода деталей выполняется за счет высокой пластичности материала. В твердом состоянии природный элемент остается максимально доступным к обработке.

В литейном деле, графитовый порошок используется как смазочный компонент для форм при литье. Металлургическая отрасль, на основе уникального минерала изготавливает тугоплавкие ковши, производит формы для разных сплавов, своеобразные емкости для кристаллизации разных веществ. Минерал стал «ингредиентом» огнеупорного кирпича, красок, карандашей, шлифовальных, полировочных паст, пластмассы. Краска на основе такого компонента обладает антикоррозийными свойствами, используется при окрашивании металла, бетона, чугуна. Незаменим графит при изготовлении электродов, электропроводов. Благодаря графиту, производят искусственные формы алмаза.

Машиностроительная сфера использует минерал при изготовлении поршневых, подшипников, при обработке дверных петлей, велосипедных, мотоциклетных цепей, автомобильных рессоров. Даже медицина оценила природный минерал, найдя применение при лечении кожных патологий. Считается, что вещество способно ускорять заживление, рассасывание рубцов, предотвращать появление спаек, улучшает обменные функции организма. Обладая такими лечебными свойствами, графит стал чуть ли не основным составляющим многих высокоэффективных медикаментозных препаратов.

/ минерал Графит

Графит - минерал, гексагональная кристаллическая полиморфная (аллотропная) модификация чистого углерода, наиболее устойчивая в условиях земной коры. Другие модификации: алмаз, лонсдейлит, чаоит. 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.

В кислотах графит не растворяется. Жирный на ощупь. Гибкий. Природный графит содержит 10-12 % примесей глин и окислов железа.

Формы нахождения

Хорошо образованные кристаллы редки. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые, кривогранные, обычно имеют пластинчатую несовершенную форму. Чаще бывает представлен листочками без кристаллографических очертаний и их агрегатами. Образует сплошные скрытокристаллические, листоватые или округлые радиально-лучистые агрегаты, реже - сферолитовые агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто наблюдается треугольная штриховка на плоскостях (0001).

Происхождение

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

рассказать об ошибке в описании

Свойства Минерала

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.