Графит: свойства, 3 вида, формула, сферы применения, характеристики и месторождения

Что такое графит

Все знают, как выглядит графит. Это стержень-стержень обычного простого карандаша:

  • Руда мягкая, что легко проверить: карандаши ломаются от неосторожного обращения.
  • На ощупь маслянистые, наделены разной твердостью и плотностью, на что указывают сорта карандаша, от мягкого до твердого.
  • Цвета и оттенки: полная гамма оттенков серого с матовым или металлическим блеском.

Способность писать или рисовать создает слоистую структуру минерала.

Графит — минерал, природная кристаллическая модификация углерода. Ближайшие родственники – алмаз, лонсдейлит, чароит. Его структура отличается. Графит слоистый.

графит алмаз

Графит можно превратить в алмаз, нагревая его до 2000°C и подвергая давлению в сотни атмосфер.

углерод графит алмаз

В природе «чистый» минерал не заметен; среди примесей редкие и ценные металлы.

Запущено производство искусственного графита.

История

История и время образования графита остаются для науки загадкой — уж слишком он похож по описанию на другие минералы.

Единственная зацепка — глиняная утварь бояянско-марицкой культуры (территория нынешних Болгарии и Румынии, 6 тыс лет назад). Изделия окрашены графитными красками.

Авраам Вернер предложил называть минерал графитом. Этот знаменитый химик, «окрестивший» десятки камней, взял за основу свойство минерала оставлять четкий цветовой след.

Древнегреческий термин γράφω означает «пишу».

В России графит был найден в 1826 г на Урале.

В истории, литературе руда фигурирует также в виде черного/серебряного свинца, карбида железа.

Виды природного графита:

  • тигельный (используется для производства огнеупорных изделий. Отличается повышенной теплопроводностью и устойчивостью к резким перепадам температуры),
  • литой кристаллический (имеет низкий коэффициент расширения, отличается устойчивостью к высоким температурам, используется для литья деталей),
  • аккумуляторная (используется как добавка, графит используется для производства электродов, имеет улучшенные технические и химические свойства),
  • для производства карандашных грифелей (тонких, мягких, не содержащих железа),
  • элементный (графит используется для производства гальванических элементов, отличается повышенной тепло- и электропроводностью),
  • электрический уголь,
  • для производства смазочных материалов и электропроводной резины.

Месторождения и обработка камня

Добыча графита может осуществляться поверхностным и подземным способами. Часто строение минерала зависит от его местонахождения.

На крупнейшем Ботогольском месторождении добываются преимущественно плотнокристаллические породы. Они концентрируются в виде гнезд и рассеянных россыпей вблизи сиенитов и известняков.

Минерал с чешуйчатой ​​структурой обнаружен в Тайгинском месторождении. Минералы, добываемые там, отличаются формой кристаллов в виде лепестков или пластин. Они пластичны, имеют жирный блеск, окрашиваются при взаимодействии.

Руда, появившаяся в результате пиролиза угля, добывается в основном на Курейском месторождении. Крупные залежи кристаллов образуются под влиянием природных явлений, например магматических излияний в угольных месторождениях.

Основные экономически значимые центры добычи графита сосредоточены:

  • в России;
  • США;
  • Гренландия;
  • Германия;
  • Италия;
  • Австралия;
  • Канада;
  • Бразилия.

В России есть три крупнейших месторождения вещества. Они славятся разнообразием добываемых полезных ископаемых:

  • Ботогольское месторождение в Бурятии — графит плотнокристаллического типа.
  • Курейское в Краснодарском крае — чешуйчатые, тонкокристаллические графитовые сланцы.
  • Ногинское в Красноярском крае — минерал высшего качества, плотнокристаллический.

Тайгинский графитовый карьер
Тайгинский графитовый карьер

Руда перерабатывается исключительно в промышленных целях. Мягкость структуры требует осторожности и технологической точности в этом деле. Необходимо правильно подобрать инструменты и способы переработки руды, иначе появятся сколы и трещины. От обработки напрямую зависит качество будущего изделия.

В процессе промышленной переработки графита изменяется его структура. Поэтому вещества под разными торговыми марками имеют разные свойства и показатели прочности. Эти баллы зависят от квалификации специалистов, токарных приспособлений и программы шлифования.

Иногда минерал вообще не обрабатывается искусственно, в обиходе это называют неким природным веществом.

Структура и виды

Структурно этот минерал представляет собой вещество, в котором все атомы углерода имеют ковалентные связи с тремя другими атомами углерода, которые их окружают.

Современная наука различает два основных природных типа графита: гексагональный α-графит и ромбоэдрический β-графит. Следует отметить, что β-графит никогда не встречается в чистом виде, что объясняется тем, что он является метастабильной фазой.

Физико-химические характеристики

По химической номенклатуре минерал графит представляет собой чистый углерод с формулой из одного символа (С).

графитово-серый

В состав иногда добавляют абсорбированный газ, битум, воду, механические примеси.

Формула Цвет Цвет тире Светить Прозрачность Твердость Декольте Плотность Сингония
С (углерод)
Серая сталь, черный
Черный
Металл
Непрозрачный
1–2
Идеально от {0001}
2,09–2,23 г/см³
Шестигранник (планаксиальный)

Класс минерала по международной номенклатуре — самородный элемент. По систематике СССР является неметаллом, но наделен свойствами, присущими металлам: электропроводностью, магнетизмом.

Физические свойства графита

Физические свойства графита

Одним из основных свойств графита является его способность проводить электричество. Его физические свойства отличаются от свойств алмаза тем, что он не имеет такого высокого уровня твердости. Его структура изначально достаточно мягкая. Однако при нагревании он становится твердым и ломким. Материал начинает крошиться.

Физические свойства графита следующие:

  1. не растворяется в кислоте.
  2. плавление графита при температуре ниже 3800 градусов по Цельсию невозможно.
  3. после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.

Это далеко не все свойства графита. Есть больше вариантов, которые делают этот предмет уникальным.

Графит обладает следующими характеристиками:

  • температура плавления графита составляет 3890 градусов по Цельсию,
  • графитовый цвет темно-серый с металлическим блеском,
  • теплоемкость графита 0,720 кДж
  • удельное сопротивление графита 800 000 10 — 8 (омметр).

Внимание: Единственным параметром всех характеристик графита, который зависит от типа элемента, является теплопроводность графита. Она составляет от 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Таблица. Физические свойства графита.

ХарактеристикиНаправление потокаТемпература, °С20200400600800
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м°С) графита:
— кристаллический || 354,7 308,2
— естественный _|_ 195,4 144,2 112,8 91,9 75,6
— удерживается || 157 118,6 93,0 69,8 63,9
— искусственная с р=1,76 г/см3 _|_ 104,7 81,4 69,8 58,2
— то же, при ø=1,55 г/см3 || 130,3 102,3 79,1 63,9 53,5
Прочность на разрыв σpts, МН/м2 || 14.2 15.2 15,9 16,5 17,6
_|_ 10.3 11.3 12,0 12,5 13,7
Модуль упругости Е, МН/м2 || 5880 7100 7350 7500 7840
_|_ 2700 3040 3200 3630 3920
Удельная теплоемкость с, кДж/(кг0С) 0,71 1,17 1,47 1,68 1,88
Электрическое сопротивление re104, Омсм шестнадцать 13 одиннадцать 10 9
Коэффициент линейного расширения α 106, 1/°C || 7,2*1 8,5*2 10,0*3 13,0*4
_|_ 4,0*1 5,5*2 6,8*3 9,3*4
|| 1,8*1 1,55*2 1,45*3 1,40*4

Добыча графита

Добыча графита — сложный процесс. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Он используется для извлечения и измельчения элемента. Месторождения графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются буровые установки, позволяющие добраться до месторождения этого элемента.

Переработка

Промышленная переработка графита позволяет получать не только различные марки графита, но и готовые графитовые изделия. Товарные виды этой руды получают путем запуска процесса обогащения графитосодержащих руд. В зависимости от степени очистки получаемый графитовый концентрат будет классифицироваться на марки, используемые в промышленности, а также по областям использования.

Переработка в терморасширенный графит

Сначала кристаллический графит подвергается процессу окисления. Этот процесс заключается во внедрении молекул и ионов азотной или серной кислоты в межслоевое пространство кристаллической решетки обрабатываемого минерала. После окисления графит промывают, а затем сушат для удаления остаточной воды. На следующем этапе руда подвергается термообработке при температуре 1000 градусов и с высокой скоростью нагрева. Вследствие очень быстрого нагрева минерала начинается процесс газовыделения и разложения молекул серной кислоты, внедренных в межслоевое пространство кристаллической решетки минерала.

Выделение газообразных веществ способствует созданию в межкристаллитном пространстве избыточного давления разделения в 400 атмосфер. В результате образуется терморасширенный графит, который имеет большую удельную поверхность и малую объемную плотность. В случае использования серной кислоты при создании этого искусственного минерала в готовом материале остается некоторое остаточное количество серы. На следующем этапе готовый терморасширенный графит прокатывают, в ряде случаев дополнительно упрочняют и прессуют с добавлением специальных добавок для получения готовых изделий.

Для получения различных марок искусственного графита

При производстве синтетического графита в качестве конструкционного наполнителя часто используют нефтяной кокс, а в качестве связующего — каменноугольный пек. В структурных разновидностях искусственного минерала в качестве специальных добавок используются сажа и графит природного происхождения. Также в качестве связующего вместо пека могут использоваться различные искусственные смолы (фурановые, фенольные и др).

Графит камень

Процесс производства синтетического графита состоит из следующих технологических производственных стадий:

  • кокс подготавливается к производственному процессу, подвергается предварительному измельчению дроблением, бурением, а также диспергируется на отдельные фракции;
  • готовится связующее;
  • готовится углеродистая масса;
  • зеленые сырые заготовки формируются в массив заготовок;
  • холостые выстрелы;
  • осуществляется процесс графитизации ранее обожженных заготовок;
  • на завершающем этапе заготовки механически обрабатываются до формы готового изделия.

Для получения композиционных материалов

На сегодняшний день современная промышленность выпускает антифрикционные углеродные материалы таких марок, как:

  • обожженные антифрикционные материалы марки АО;
  • графитированные и антифрикционные материалы марки AG;
  • материалы с пропиткой из баббита, олова и свинца;
  • графитопласты марок АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Такие материалы производятся из непрозрачного кокса, не проходящего процедуру прокаливания, а также из каменноугольного пека с добавлением природного графита. Для повышения плотности материала используется метод пропитки металлами.

Применение графита

Применение графита

Как известно, такой материал, как графит, обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они определяют сферу его применения. Благодаря тому, что этот материал устойчив к высоким температурам, его используют для производства облицовочных плит.

Использование графита также используется в атомной промышленности. Там он играет важную роль в замедлении нейтронов.

Также можно получить графитовый алмаз. В современном мире можно получить синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит — это особая форма графита. Эта разновидность нашла широкое применение в области микроскопических исследований. Используется в качестве калибровочного материала. Чаще всего он используется в сканирующей туннельной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Этот тип графита относится к разряду синтетических. Его можно получить путем нагревания кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные с химической точки зрения металлы электролизом. Такой способ использования элемента объясняется тем, что графит обладает достаточно хорошей электропроводностью.

В производстве пластмассовых изделий также нашел свое применение графит. Используется для заливки пластика.

Самый известный способ использования графита – это изготовление обычных простых стержней для карандашей, к которым так привыкли люди.

Графит широко используется в промышленности. Большинству производств этот материал нужен в чистом виде или с добавками. Список вещей, сделанных из графита, огромен: от карандашей и огнеупорных футеровок до стержней и смазок для ядерных реакторов.

Приложения:

  • Металлургия. Изготовление огнеупорных тиглей, а также для нанесения защитного слоя на литейные формы. Свойства графита позволяют формовочной массе не гореть. Графит обладает химической стойкостью к различным расплавленным металлам. Кроме того, материал устойчив к высоким температурам при отсутствии кислорода.
  • Электротехническая промышленность. Создание электродов и углей дуги требует добавления материала. Обладает хорошей электропроводностью и химической стойкостью к любому водному раствору. Хорошие электропроводящие свойства материала также используются для создания токопроводящего клея.
  • Химическая промышленность. Для создания смазочных материалов, работающих в условиях высоких температур. Они также добавляют материал в производство печатных красок и китайских чернил. Используется как наполнитель в пластмассах.
  • Атомная промышленность использует графитовые стержни для управления ядерными реакциями в реакторах. Графит действует как замедлитель нейтронов.
  • Инжиниринг. Намоточные штампы от прессов обеспечивают высокое качество стальных заготовок. Заготовки не нужно потом шлифовать.
  • Для производства синтетических алмазов.

Пищевая промышленность — еще одна область применения графита, хотя и в связанном виде. Но перед использованием компонент проходит некоторый процесс. Железо, этиловый спирт, графит и сахар имеют разную плотность. Но рассматриваемое вещество может входить в состав других пищевых продуктов. Он содержится в сложных эфирах, спирте и сахаре.

Простой опыт с сахаром показывает содержание в нем графита. Для этого на крышку кладут кусок сахара и накрывают крышкой. Снизу крышка нагревается огнем до тех пор, пока из-под крышки не начнет подниматься дым. Если вы поднесете к нему источник огня, дым воспламенится. После окончания газовыделения огонь на дне колпака гасится. На крышке будет черная масса нагара.

Искусственный графит

Для производства синтетического графита кокс (побочный продукт переработки угля) и пек (остатки перегонки нефтяной и каменноугольной смолы) подвергают химическому и механическому воздействию при высоких температурах.

Соотношение пека и кокса зависит от марки графита, что влияет на его дополнительные свойства. Обычно такой минерал имеет высокую чистоту (до 99%). Дополнительный ассортимент зависит от его технических характеристик. В производственном цикле часто присутствуют дополнительные этапы просеивания, отбраковки исходного материала, прокаливания и пропитки.

Искусственный графит делится на марки по сфере применения:

  • элементарный;
  • смазка;
  • электрический уголь;
  • литейный завод;
  • карандаш;
  • ударные;
  • специальная марка, используемая при эксплуатации ядерных реакторов.

Основные сферы применения графита

Высокая устойчивость к температуре, которой обладает природный уголь, определяет его основную область применения.

Это изделия, которые работают при высоких температурах окружающей среды.

Например, из них изготавливают формы, в которых закаляют различные инструменты.

Графит является основным материалом для производства высококачественных гальванических элементов.

Природный минерал и содержащие его препараты являются основой таких изделий, как литейные формы, огнеупорные краски, смазки для подшипников и др.

При изготовлении положительно заряженных электродов помогает улучшить электропроводность.

Химическая инертность минерала делает его идеальным сырьем для материалов, работающих в агрессивных средах.

Материалы, изготовленные на его основе, способны работать без изменения своих эксплуатационных характеристик в тех областях, где другие конструкционные материалы работать не могут.

Марки графита

Можно синтезировать материал с различной зернистостью:

  • 500–3000 мкм – графит крупнозернистый марки ЭГ, ГЭ;
  • 150–500 мкм – среднезернистые, марки ППГ, ВПГ, В-1;
  • 30–50 мкм — мелкозернистые, марок МПГ, МГ, АРВ;
  • 30–150 мкм — мелкозернистый изотропный, марка МИГ-1;
  • 1–30 мкм: изостатические графиты и мелкозернистый МИГ-2.

Искусственный графит широко используется во всех отраслях промышленности. Например, электроды изготовлены из крупнозернистого материала. Мелкозернистый конструкционный графит АРВ, МГ применяется при изготовлении изделий сложной формы. Использование искусственного графита позволяет добиться высочайшей точности изготовления различных деталей и производить оборудование, соответствующее стандартам 21 века.

Оптические свойства

Что-то вроде одноосный (-)
Показатели преломления nω = 1,93-2,07
Анизотропия излишний
Отраженный цвет железно-черный, переходящий в серо-стальной
Плеохроизм сильный красный
Люминесценция в ультрафиолетовом свете нефлуоресцентный

Кристаллографические свойства

Точечная группа 6 мм — бигексагонально-пирамидальный
Космическая группа P63mc
Сингония шестиугольный
Параметры ячейки а = 2,461 Å, с = 6,708 Å
Побратимство по {1121}
Источники

  • https://jgems.ru/podelochnye/grafit
  • https://vseprokamni.ru/vidy/organicheskie/ximicheskaya-formula-grafita.html
  • https://zakamnem.ru/vidy/grafit
  • https://uglevodorody.ru/publ/dobycha-grafita-opisanie-svoystva-primenenie
  • http://lkmprom.ru/clauses/materialy/grafit-ego-svoystva-i-sfera-primeneniya/
  • https://Karatto.ru/organicheskie-kamni/grafit.html
  • https://zolotoe-runo-sl.ru/podelochnye-kamni/fizicheskie-svojstva-grafita-tablica.html
  • https://vseprokamni.ru/svoistva/kristallicheskaja-reshetka-grafita.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Сайт каталог о камнях / gorodgranit