Графит. Свойства, применение

Всем известны такие вещества, как графит и алмаз. Графит встречается повсюду. Например, из него делают стержни для простых карандашей. Графит - это вещество вполне доступное и дешевое. Но такое вещество, как алмаз, крайне отличается от графита. Алмаз - это самый дорогой камень, очень редкий и прозрачный, в отличие от графита. В это трудно поверить, но химическая формула графита совпадает с формулой алмаза. В данной статье мы разберем, как такое возможно.

Графит: история и свойства минерала

История графита насчитывает тысячи лет, поэтому точный год начала его применения установить крайне трудно. Графит знаменит тем, что хорошо проводит электрический ток. Кроме того, этот минерал является очень хрупким. Поэтому из него делают стержни для карандашей.

К химическим свойствам минерала можно отнести образование соединений включения со многими веществами, такими как соли и Минерал не растворяется в кислотах.

Формула графита - C, то есть он является одной из знаменитого шестого элемента таблицы Менделеева - углерода.

Алмаз: история и свойства минерала

История алмаза очень необычна. Считается, что первый алмаз был найден в Индии. В то время человечество так и не смогло понять всю силу этого камня. Геологам было лишь известно, что этот камень очень твердый и прочный. До 15 века алмазы стоили намного меньше, чем изумруды и рубины. И только потом неизвестный ювелир в процессе работы с камнем придал ему красивую огранку, которую позже стали называть бриллиантовой. Вот тогда-то камень и показал себя во всей своей красе.

Главным образом алмазы используют в промышленности. Этот минерал самый прочный на всем свете, именно поэтому из него делают абразивы, резцы для обработки прочных металлов и многое другое.

Как нам уже известно, формула графита в химии - C, такую же формулу имеет и алмаз.

Различия между алмазом и графитом

Несмотря на то что минералы имеют схожие химические формулы, они резко отличаются друг от друга как внешним видом, так и с химической точки зрения.

Прежде всего, алмаз и графит имеют совершенно различную друг от друга структуру. Ведь графит состоит из сетки шестиугольников, тогда как алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру. Хрупкость графита обуславливается тем, что связь между его слоями нарушить очень легко, его атомы спокойно отделяются друг от друга. Из-за этого графит легко поглощает свет, сам он очень темный, в отличие от алмаза.

Отличается тем, что один атом углерода окружен еще четырьмя атомами в виде четырехгранного треугольника или пирамиды. Каждый атом находится на одинаковом расстоянии друг от друга. Связь у атомов очень крепкая, именно поэтому алмаз является таким твердым и прочным. Еще одно свойство алмаза - это то, что он может проводить свет, в отличие от графита.

Странно ли, что формула графита совпадает с формулой алмаза, но при этом минералы совершенно разные? Нет! Ведь алмаз создается природой при огромном давлении, а затем очень быстром охлаждении, тогда как графит возникает при низком давлении, но очень высокой температуре.

вещества?

Аллотропные вещества - это очень важное понятие в химии. Это основа основ, которая позволяет отличать вещества друг от друга.

В школе аллотропные вещества изучают на примере графита и алмаза, а также их различии. Итак, изучив различия алмаза и графита, можно сделать вывод, что аллотропия - это существование в природе двух и более веществ, которые различаются по своему строению и свойствам, но имеют схожую химическую формулу или относятся к одному химическому элементу.

Получение алмаза из графита

Формула графита - C - позволила ученым произвести множество опытов, вследствие чего были найдены аллотропные вещества графита.

Преподаватели рассказывают и школьникам, и студентам о том, как ученые пытались создать алмазы из графита. Эта история очень интересная и увлекательная, а еще она позволяет запомнить о существовании таких аллотропных веществ, как графит и алмаз, и об их различиях.

Некоторое время назад ученые пытались создать алмазы из графита. Они считали, что если формула алмаза и графита одинакова, то они смогут создать алмаз, ведь камень очень дорогой и редкий. Теперь мы знаем, что минерал алмаз появляется в природе при высоком давлении и мгновенном охлаждении. Поэтому ученые решили взорвать ѓрафит, тем самым создав нужные условия для образования алмаза. И на самом деле случилось чудо, после взрыва на графите образовались очень маленькие кристаллы алмаза.

Применение графита и алмаза

На сегодняшний день и графит, и алмаз используют главным образом в промышленности. Но примерно 10 % от всей добычи алмазов идет на ювелирное дело. Чаще всего из графита изготавливают карандаши, так как он очень хрупкий и ломкий, при этом оставляет следы.

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:

1. не растворяется в кислоте.
2. плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
3. 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.

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.

Структура слоистая. Хорошо образованные кристаллы редки, они имеют вид шестиугольных табличек с хорошо развитой гранью базопинакоида. Отмечаются двойники. Обычно образует чешуйчатые, столбчатые, массивные, почковидные, сферолитовые, сферолитоподобные и цилиндрические зональные агрегаты.

Плотнокристаллический графит слагает жилы и линзы в месторождениях гидротермально-пневмалитового генезиса или гнезда, и вкрапленность в контактово-реакционных месторождениях. Пневматолито- связаны с согласными, реже секущими пегматитовыми, кварцевыми, полевошпатовыми и кальцитовыми . Контактово-реакционные месторождения приурочены к зонам контакта обогащенных углеродом карбонатных и сланцевых пород со щелочными и габброидными породами, реже . сложены полевым шпатом, кварцем, реже слюдами, карбонатом; в скарновых зонах они обогащены гранатом, а также минералами и габброидных пород (нефелином, канкринитом, содалитом, сфеном, апатитом). Графит (от крупно- до тонкокристаллического) слагает чешуйчатые и волокнистые агрегаты. Содержание в рудах 15-40%, на некоторых месторождениях 60-90%. Разрабатывается обычно подземным способом. Известные месторождения — Богала (Шри-Ланка) и Ботогольское (CCCP).

Скрытокристаллический графит отличается несовершенной текстурой, часто содержит примесь тонкодисперсного углеродистого вещества. Слагает мощные и протяжённые пластообразные залежи, иногда переходящие в угли. Содержание углерода составляет 80-90%. Основные породообразующие минералы: кварц, полевой шпат, серицит, хлорит, кальцит. Графит образуется при метаморфизме углей, углистых и битуминозных сланцев вблизи . Залежи разрабатываются открытым и подземным способами. Основные месторождения расположены в Мексике (штат Сонора), Южной Kopee, Австрии (рудник "Кайзерсберг"), CCCP (месторождение Ногинское).

Получение графита

Наряду с природным применяют искусственный графиты, который получают при охлаждении пересыщенных сплавов, термическим разложением газообразных углеводородов, нагреванием , нефтяного кокса, каменноугольного пека. Применяются графиты в металлургии (тигли, литейные формы, противопригарные краски), в химическом машиностроении (футеровочный материал, трубы и др.), в производстве коллекторов для динамо-машин, электродов, проводящих порошков, смазочных материалов, антифрикционных изделий, в ядерной технике, в производстве карандашей, красок, теплоизоляционных материалов. Искусственный кусковой графит используют в качестве эрозионностойких покрытий для сопел ракетных двигателей, камер сгорания носовых конусов.

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.

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.