Происхождение названия: От греческого "писать", за то, что графитом можно писать на бумаге. Графит описан в статье, немецкого химика и минералога Вернера А. Г. (Abraham Gottlob Werner) в 1789 году по данным .
Другие названия (синонимы):
Карбидное железо, серебристый свинец, чёрный свинец (Black Lead).
Разновидности минерала:
Кристаллический чешуйчатый графит
(flake graphite) - графит, представленный в виде листоватых агрегатов, либо чешуек.
Кристаллический кусковый графит
(lump graphite) - плотные зернистые агрегаты графита.
Аморфный графит
(amorphous graphite) - разновидность графита, представленная скрытокристаллическими массами.
Фотографии образцов |
Свойства
Сингония: Гексагональная
Состав (формула): C
Цвет:
Чёрный, стально-серый
Цвет черты (цвет в порошке): Чёрный, стально-серый
Прозрачность: Непрозрачный
Спайность: Совершенная
Излом: Зернистый, Ровный
Блеск: Матовый, Металлический, Тусклый
Твёрдость: 1,5-2
Удельный вес, г/см 3: 2,09-2,23
Особые свойства:
Графит обладает хорошей тепло- и электропроводностью. При физическом воздействии графит расслаивается на отдельные чешуйки. Графит не расстворяется в кислотах, термоустойчив в безвоздушном пространстве.
Форма выделения
Месторождения / проявления
Скопления графита, имеющие промышленное значение, известны в гнейсах Криворожского, Мариупольского, Шахтамирибугского районов в Украине. В России подобные месторождения разрабатывают на Урале, в Шахтаминском районе Читинской области. Графитовые сланцы добывают в Узбекистане и Хабаровском крае (Россия).
Листоватые агрегаты были найдены в Шри-Ланке (Радегара,Галле). Известны месторождения графита в Чехии. В России встречается в гранитах и гранитных пегматитах в Ильменский горах (Челябинская обл.), в щелочных породах в Хибинах (Мурманская обл.), добывается на Ботогольском месторождении (Бурятия). Графит встречается в Гренландии, США, Канаде.
Крупные залежи графита известны в Тунгусском бассейне в Сибири (Курейское месторождение). Ведущим добытчиком графита является КНР, также большая доля добычи приходится на КНДР, Индию, Корею и Бразилию.
Применение
Графит применяется в металлургии, например, для изготовления плавильных тиглей, за счёт его термоустойчивости и химической устойчивости к большинству металлов. В электронике графит применяется для изготовления электродов и других элементов, благодаря его хорошей электропроводимости. Графит используется для получения химически активных металлов методом электролиза.
Графит является одним из наполнителей пластмасс. При производстве синтетических алмазов также используют графит. В ядерной энергетике при производстве ядерных реакторов графит применяется в качестве замедлителя нейтронов. В производстве токопроводящих клеёв графит используют в качестве токопроводящего элемента.
В специальных твёрдых смазочных материалах также используется графит. Основным применением графита (и самым известным), конечно, является производство стержней для карандашей (в смеси с каолином).
Слово графит в переводе с греческого обозначает «пишу». Минерал с таким названием у природе образуется при высокой температуре в вулканических горных породах.
Графит является представителем класса самородных элементов высокой прочности. Его структура обладает большим количеством слоев.
В природе встречается два вида графита:
- крупнокристаллический,
- мелкокристаллический.
По величине кристаллов и по их расположению относительно друг друга в природе встречаются следующие типы графитов:
- явнокристаллические,
- скрытокристаллические.
У графита структура является достаточно слоистой. Каждый из слоев обладает волнистой формой. Она является слабовыраженной.
Графит представляет собой один из элементов, который состоит преимущественно из кристаллов разных размеров. Они имеют пластичную структуру и небольшие чешуйки по краям. По своей прочности они могут сравниться алмазами.
Кристаллическая решетка графита состоит из большого количества слоев, которые имеют различное расположение относительно друг друга.
Сегодня не редко производится искусственный графит, который создается из смеси различных веществ. Он используется в разных отраслях человеческой жизнедеятельности. Графит, полученный искусственным путем, обладает большим количеством видов.
В современном мире планируется из графита добывать золото. Ученые выяснили, что в одной тонне графита содержится примерно 18 граммов золота. Данное количество золотой руды присуще золотым месторождениям. В настоящее время получать золото из графита есть возможность не только в нашей стране, но и в других государствах мира.
Одним из главных свойств графита является его способность проводить электрический ток. Его физические свойства отличаются от параметров алмаза тем, что у него не такой высокий уровень твердости. Его структура является изначально довольно мягкой. Однако после нагревания она становится твердой и хрупкой. Материал начинает рассыпаться.
Физические свойства графита являются следующими:
- не растворяется в кислоте.
- плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
- после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.
Это далеко не все свойства графита. Есть еще параметры, которые делают этот элемент уникальным.
Графиту присущи следующие характеристики:
- температура плавления графита составляет 3890 градусов Цельсия,
- цвет графита является темно-серым с металлическим отливом,
- теплоемкость графита составляет 0.720 кДЖ
- удельное сопротивление графита составляет 800.000 · 10 − 8 (Ом · Метр).
Внимание: Единственный параметр из всех характеристик графита, который зависит от вида элемента, является теплопроводность графита. Она составляет 278,4 до 2435 Вт/(м*К).
Таблица. Физические свойства графита.
| Характеристики | Направление потока | Температура, °С | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 200 | 400 | 600 | 800 | ||
| Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м°С) графита: | ||||||
| - кристаллический | || | 354,7 | 308,2 | |||
| - естественный | _|_ | 195,4 | 144,2 | 112,8 | 91,9 | 75,6 |
| - прессованный | || | 157 | 118,6 | 93,0 | 69,8 | 63,9 |
| - искусственный с р=1,76 г/см 3 | _|_ | 104,7 | 81,4 | 69,8 | 58,2 | |
| - то же, с р=1,55 г/см 3 | || | 130,3 | 102,3 | 79,1 | 63,9 | 53,5 |
| Сопротивление разрыву σ пц, МН/м 2 | || | 14,2 | 15,2 | 15,9 | 16,5 | 17,6 |
| _|_ | 10,3 | 11,3 | 12,0 | 12,5 | 13,7 | |
| Модуль упругости Е, МН/м 2 | || | 5880 | 7100 | 7350 | 7500 | 7840 |
| _|_ | 2700 | 3040 | 3200 | 3630 | 3920 | |
| Удельная теплоемкость с, кДж/(кг 0 С) | 0,71 | 1,17 | 1,47 | 1,68 | 1,88 | |
| Электросопротивление р э 104, Омсм | 16 | 13 | 11 | 10 | 9 | |
| Коэффициент линейного расширения α·10 6 , 1/°С | || | 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 является сложным процессом. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Оно используется для добычи и дробления элемента. Залежи графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются бурильные установки, которые позволяют добраться до месторождения этого элемента.
Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.
Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.
Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.
Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.
Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.
При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.
Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.
Область применения графита, описание и свойства. Виды природного и искусственного графита - химическая структура, механические и физические характеристики.
Графит (от др.-греч. γράφω - пишу) – это природный материал, относящийся к классу самородных элементов, аллотропная модификация углерода. Он имеет слоистую структуру. Каждый слой кристаллической решетки графита может по-разному располагаться по отношению друг к другу, образуя политипы. Графит находит свое применение в производственной и промышленной деятельности. Графитовые изделия отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками. Графит устойчив к химическим и природным воздействиям, он достаточно прочный, хорошо проводит электрический ток, отличается низкой твердостью, относительной мягкостью, после воздействия высоких температур затвердевает. Плотность составляет 2.23 г/см 3 . Графит имеет металлический блеск и темно-серый цвет. Теплопроводность этого минерала достаточно большая, поэтому его используют для изготовления комплектующих деталей электрооборудования.
Структура и состав графита
Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.
Модификаций природного минерала существует две:
- α-графит (гексагональный). В данной модификации половина атомов каждого из слоев располагается под и над центром шестиугольника.
- β-графит (ромбоэдрический). В этой модификации графита каждый четвертый слой атомов повторяет первый. В природе он в чистом виде не наблюдается. При температуре от 2500 до 3300К ромбоэдрический графит переходит полностью в гексагональный. Природный материал удобно представляется в гексагональных узлах.
Химический состав графита не отличается чистотой. В большом количестве (до 10-20%) присутствует зола, состоящая из разных составляющих (FeO, SiO2, Аl2O3, MgO, Р2О5, CuO, СаО и др.), газы (до 2%) и битумы, иногда вода.
Цвет преобладает железно-черный, доходя до стально-серого. Имеет сильный металловидный блеск; скрытокристаллические агрегаты не блестят, матовые. Показатель преломления графита Nm==l,93-2,07. На ощупь жирный, оставляет след на бумаге и пальцах. Удельный вес графита 2,09-2,23 (меняется исходя от степени дисперсности и присутствия тончайших пор), у шунгита 1,84-1,98. Обладает высокой электропроводностью, что связано с очень плотным расположением атомов в листах.
Графит не плавится, если накаливать в струе кислорода, то сгорает тяжелее в сравнении с алмазом. Улетучивается лишь в пламени вольтовой дуги, не плавясь. В кислотах не растворяется. В смеси с KNO3 порошок при нагревании дает вспышку.
Графит в природе
В природе содержится в гранитах, пирите. Он образуется в магматических и вулканических горных породах, скарнах и пегматитах при высоких температурах, встречается в кварцевых жилах с различными материалами, широко распространен в мраморе, кристаллических сланцах, гнейсах. В результате пиролиза под воздействием на каменноугольные отложения траппов образуются крупные залежи природного минерала.
Показатели:
- Содержание минералов 2.0%
- Содержание углерода > 98.0%
- Содержание серы 550 ppm
- Температурный диапазон -200...3000°C
- Выщелачиваемый хлорид 50 ppm
- Сжимаемость 40%
- Регенерация 15%
- pH диапазон 0-14
- Проседание под нагрузкой
Виды природного графита:
- тигельный (используется для производства огнеупорных изделий. Он отличается повышенной теплопроводностью и стойкостью к резким температурным перепадам),
- литейный кристаллический (имеет низкий коэффициент расширения, характеризуется прочностью при высоких температурах, используется при отливе деталей),
- аккумуляторный (применяется как добавка, графит используется для производства электродов, отличается повышенными техническими и химическими свойствами),
- для производства стержней для карандашей (тонкодисперсный, мягкий, не содержит примесей железа),
- элементный (графит используется для производства гальванических элементов, отличается повышенной тепло- и электропроводностью),
- электроугольный,
- для изготовления смазок и электропроводящей резины.
Искусственный графит - область применения
Искусственно производится конструкционный, мелкозернистый, антифрикционный и литейный графит. Область применения материала достаточно широкая. Графит используется для изготовления огнеупорных материалов, электрических машин и установок, в химической, горнодобывающей промышленности, а также на производстве. Из него также изготавливают стержневые карандаши, краски, покрытия и аккумуляторные батареи. Графит незаменим в ядерной промышленности и в других узконаправленных областях.
(карбид железа; Fe 3 C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит
стабильная высокоуглеродистая фаза
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:
- Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода
- 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
В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.
Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.
Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.
Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .
Даны следующие физические свойства графита различной плотности:
- теплопроводность графита, Вт/(м·град);
- сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
- модуль упругости графита, МН/м 2 ;
- удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
- удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
- коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.
Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры
В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.
Приведены следующие свойства углерода (графита):
- коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
- удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).
В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности .
По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .
В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).
Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается .
Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры
В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.
Теплопроводность измельченного графита
В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).
Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .
Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости
В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.
Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры
В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе .
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.
Теплоемкость углерода в зависимости от температуры
В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.
Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.
Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах
В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.
Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).
По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.
Источники:
1. Агроскин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М., Недра, 1980 — 256 с.
2.
3. .
4. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.
Загрузка...
