Свойства графита: физические и химические, применение

Формула графита и алмаза

Такой распространенный химический элемент, как углерод, встречается в природе в виде двух полиморфных разновидностей. Эти разновидности – графит и алмаз.

Формула графита — C, что означает, что графит состоит из атомов углерода. Графит представляет собой аллотропную форму углерода, в которой атомы углерода образуют слои, состоящие из шестиугольных колец. Каждый атом углерода в графите образует три ковалентные связи с другими атомами углерода в том же слое, образуя плоскую структуру.

Химическая формула графита и алмаза: C и они идентичны, и они являются природными проявлениями одного и того же химического элемента, они довольно резко отличаются по своим физическим свойствам и структуре.

Алмаз и графит являются двумя различными аллотропными формами углерода. Это означает, что они имеют разную кристаллическую структуру и физические свойства, несмотря на то, что оба состоят из атомов углерода.

Алмаз — это трехмерная кристаллическая структура, где каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами в виде тетраэдра. Это делает алмаз крайне твердым материалом, одним из самых твердых известных в природе.

Графит, напротив, имеет слоистую структуру, где атомы углерода образуют плоские слои, связанные слабыми взаимодействиями между слоями. Это делает графит мягким и смазочным материалом.

Таким образом, алмаз и графит — это две разные формы углерода, которые обладают разными физическими и химическими свойствами, несмотря на то, что они состоят из одного и того же химического элемента.

Такие различия обусловлены особенностями строения кристаллической решетки графита. Наличие свободных электронов, которые имеет кристаллическая решетка графита, обуславливает его физические свойства.

Кристаллическая решетка графита

Графит имеет кристаллическую решетку, которая состоит из плоских слоев атомов углерода, расположенных параллельно между собой. В каждом слое атомы углерода соединены ковалентными связями и образуют шестиугольные кольца, а между слоями действуют слабые ван-дер-Ваальсовские силы. Это обеспечивает слоистую структуру графита, благодаря которой слои могут легко скользить друг относительно друга, делая графит мягким и смазочным материалом.

Свойства графита

Природный графит представляет собой серое вещество, имеющее слабый металлический блеск. Он имеет высокую степень теплопроводности, которая составляет около 3,55 Вт/град/см. Этот показатель в несколько раз выше, нежели у простого глиняного кирпича. Такая высокая теплопроводность объясняется присутствием в его кристаллической решетке подвижных электронов.

Подвижные электроны обуславливают не только высокую теплопроводность элемента, но и такое физическое свойство, как высокая электропроводимость. Удельное сопротивление материала электрическому току составляет от 0,4 до 0,6 Ом. Такой низкий предел электрической сопротивляемости характерен для всех видов и агрегатных состояний, которые он имеет.

Если рассматривать его химические свойства, то он является инертным и неспособен растворяться в химически активных растворах. Его полное растворение может происходить только в металлах, имеющих высокую точку плавления. При этом процессе образуются карбиды. Такие химические соединения имеют очень разнообразные химические и физические свойства, которые используются для производства современных твердосплавных материалов.

Карбиды являются основой для производства всех твердых сплавов, которые известны на сегодняшний день. Наиболее часто используются соединения углерода с вольфрамом и титаном. Их применение дает возможность для производства режущего инструмента, который обладает такими эксплуатационными характеристиками, как термическая устойчивость и износостойкость.

Низкий коэффициент трения и устойчивость к действию высоких температур делает его незаменимым материалом для производства изделий, основной функциональной задачей которых является обеспечение герметичности различных соединений. Подобные изделия из графита позволяют изготавливать качественные уплотнительные материалы без применения смол и различных неорганических наполнителей.

Для этих целей промышленностью выпускается терморасширенный графит. Для его производства используется природный чешуйчатый графит, который обрабатывается неорганическими кислотами. В результате обработки природного чешуйчатого варианта материала получается эластичный и химически инертный образец, используемый для производства набивок и смазок, используемых для герметизации соединений.

Учитывая то, что аллотропная форма углерода характеризуется определенной кристаллической решеткой, он имеет следующие структурные формы:

Физические свойства графита

Свойство	Характеристика
Цвет	черный, серый, стальной
Блеск	металлический
Твердость	1 по шкале Мооса
Плотность	2,09-2,23 г/см³
Теплопроводность	высокая
Электропроводность	высокая
Химическая стойкость	высокая
Устойчивость к температурам	высокая
Пластичность	низкая
Прочность	низкая
Смазывающие свойства	да

Другие свойства:

• Графит является аллотропной модификацией углерода.
• Он обладает слоистой структурой, что обуславливает его мягкость и хрупкость.
• Графит хорошо проводит тепло и электричество.
• Он устойчив к химическим веществам и высоким температурам.
• Графит используется в качестве смазочного материала, в производстве карандашей, электродов, тиглей и других изделий.

Химические свойства графита

Свойство	Характеристика
Химическая стойкость	высокая
Растворимость	не растворяется в воде и большинстве кислот
Окисление	сгорает на воздухе при температуре выше 600°C
Взаимодействие с металлами	образует карбиды с некоторыми металлами
Взаимодействие с галогенами	реагирует с фтором и хлором при высоких температурах
Восстановление	восстанавливается до оксида углерода(II) при нагревании

Другие свойства:

• Графит является более реакционноспособным, чем алмаз, но значительно инертнее аморфного углерода.
• Учитывайте условия реакции, если они указаны.
• Учитывайте коэффициенты при реагентах, если они указаны.

Пример:

Сжигание графита:

C + O2 → CO2

Реакция графита с фтором:

C + 3F2 → CF4

Обратите внимание, что это лишь некоторые из химических свойств графита. Для более подробной информации, пожалуйста, обратитесь к справочным материалам по химии.

Классификация графитов

По составу и сферам применения:

• Коллоидный. Техническая разновидность, порошок из искусственного графита. Используется промышленностью.
• Пиролитический. Материал искусственного происхождения. Нашел применение как основа инструментария для исследований микроструктур.
• Силицированный. Графит, обогащенный кремнием. Устойчив к коррозии.

Природный графит по структуре подразделяют на волокнистый, плотнокристаллический, чешуйчатый, графитовый сланец. Выделяют также разновидности – графитит и графитовую слюдку.

1. По происхождению:

• Природный:
  • Кристаллический:
    • Чешуйчатый
    • Плотнокристаллический (жильный)
    • Аморфный (скрытокристаллический)
  • Микрокристаллический
• Искусственный:
  • Ачесоновский
  • Рекристаллизованный
  • Графитированный

2. По размеру зерна:

• Крупнозернистый: > 0,5 мм
• Среднезернистый: 0,1-0,5 мм
• Мелкозернистый: 0,01-0,1 мм
• Микрозернистый: < 0,01 мм

3. По степени чистоты:

• Высокочистый: > 99,9% C
• Чистый: 99,0-99,9% C
• Технический: 94,0-99,0% C
• Обычный: < 94,0% C

4. По области применения:

• Электротехнический: для производства электродов, щеток, токопроводящих материалов
• Литейный: для изготовления тиглей, форм, стержней
• Огнеупорный: для производства огнеупорных изделий
• Смазочный: для производства смазочных материалов
• Другое: для производства карандашей, красок, резинотехнических изделий

5. По ГОСТ 18176-72:

• Г1: кристаллический, чешуйчатый
• Г2: кристаллический, плотнокристаллический
• Г3: аморфный
• ГП: графитированный
• ГА: ачесоновский
• ГР: рекристаллизованный

Важно отметить, что данная классификация является условной и может меняться в зависимости от различных факторов.

Месторождения графита

Графит – это минерал, состоящий из чистого углерода. Он встречается в различных геологических условиях, но наиболее распространен в следующих типах месторождений:

1. Магматические месторождения:

• Пегматитовые жилы: Графит в пегматитах обычно крупнозернистый и чешуйчатый.
• Скарновые месторождения: Графит в скарнах может быть как крупнозернистым, так и мелкозернистым.

2. Метаморфические месторождения:

• Графитовые гнейсы: Графит в гнейсах обычно мелкозернистый и равномерно распределен в породе.
• Мраморы: Графит в мраморах может быть как крупнозернистым, так и мелкозернистым.

3. Осадочные месторождения:

• Углистые сланцы: Графит в углистых сланцах обычно мелкозернистый и рассеянный.
• Антрацитовые месторождения: Графит в антрацитах может быть как крупнозернистым, так и мелкозернистым.

4. Месторождения аморфного графита:

• Крупные залежи: Образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов.

Крупнейшие месторождения графита:

• Китай: провинции Шаньси, Хэйлунцзян, Ганьсу.
• Индия: штаты Джаркханд, Орисса, Андхра-Прадеш.
• Бразилия: штаты Минас-Жерайс, Баия.
• Украина: Завальевское месторождение.
• Россия: Ботогольское месторождение, Тайгинское месторождение.
• Мадагаскар: месторождение Амбатолаока.
• Мозамбик: месторождение Накала.

Природный вариант этого минерала представляет собой черный порошок, имеющий серебристый оттенок.

Добыча графита

Добыча графита — это процесс извлечения графита из земли. Графит — это минерал, состоящий из чистого углерода. Он встречается в различных геологических условиях, но чаще всего в метаморфических породах, таких как гнейсы и сланцы.

Существует два основных метода добычи графита:

1. Открытый способ:

• Используется для месторождений, залегающих близко к поверхности.
• Вскрышные работы: удаление почвы и горных пород, покрывающих месторождение.
• Добыча: с помощью экскаваторов, погрузчиков и самосвалов.
• Переработка: дробление, измельчение и обогащение руды для получения концентрата графита.

2. Шахтный способ:

• Используется для месторождений, залегающих на большой глубине.
• Проходка шахт: вертикальных или наклонных выработок, для доступа к месторождению.
• Добыча: с помощью буровзрывных работ, отбойных молотков и погрузочно-доставочных машин.
• Переработка: дробление, измельчение и обогащение руды для получения концентрата графита.

Искусственный графит: получение и применение

Преимуществом графита, который получают искусственным путем, является его химическая чистота. Содержание углерода в нем составляет 99%. Наибольшая плотность графита наблюдается в рекристаллизованных вариантах.

Этот вариант производится путем термомеханических и термохимических обработок. Благодаря таким способам обработки значительно повышаются показатели плотности. Этот показатель крайне важен для теплопроводности материалов.

Из искусственных вариантов этого материала нужно выделить силицированный графит. Этот современный материал получают путем пропитывания пористого графита кремнием. Процесс пропитки производится под действием высокой температуры и давления. В результате такой обработки получается материал, обладающий высокой степенью износостойкости.

Основным достоинством этого материала является низкий коэффициент трения. Этот искусственный вариант используется для производства деталей, работающих при воздействии больших температур, когда не требуется высокая механическая прочность и твердость.

Еще одной разновидностью данного минерала является изостатический графит, получаемый в результате прессования при больших температурах. Основное применение этой разновидности лежит в изготовлении литейных форм. Ее также применяют для производства приборов для нагревания.

Сопротивление при механической резке у этого материала в несколько раз ниже, чем у стали и чугуна. Поэтому изготовление деталей из изостатического графита обходится намного дешевле, чем изготовление аналогичных деталей из других материалов. При этом эксплуатационные характеристики изостатического графита в несколько раз превышают аналоги, которые изготовлены из альтернативных материалов.

Каждая отрасль современной промышленности, которая потребляет этот минерал в качестве исходного сырья для производства определенных изделий, выдвигает свои требования к качеству графита. Поэтому современная промышленность производит достаточно большую номенклатуру сырья на его основе в зависимости от потребностей заказчиков.

Основные сферы применения графита

Графит обладает множеством уникальных свойств, таких как высокая электропроводность, теплопроводность, химическая стойкость и смазывающая способность. Благодаря этому он используется в самых разных областях:

1. Электротехническая промышленность:

• Электроды: используются в различных электротехнических устройствах, таких как аккумуляторы, электролизеры, печи.
• Щетки: используются в электродвигателях и генераторах.
• Токопроводящие материалы: используются в кабелях, шинах, контактах.

2. Литейная промышленность:

• Тигли: используются для плавки металлов.
• Формы: используются для литья металлов.
• Стержни: используются в литейном производстве для образования отверстий в отливках.

3. Огнеупорная промышленность:

• Огнеупорные изделия: используются для футеровки печей, тиглей, других емкостей, где требуется высокая температура.

4. Смазочные материалы:

• Сухая смазка: используется для снижения трения и износа деталей машин в условиях, где невозможно использовать жидкие смазки.
• Компоненты смазочных материалов: используются для улучшения характеристик смазок.

5. Другие области применения:

• Карандаши: используются для письма и рисования.
• Краски: используются для окрашивания различных поверхностей.
• Резинотехнические изделия: используются для изготовления шин, ремней, уплотнителей.
• Композиционные материалы: используется для армирования композиционных материалов.
• Ядерная промышленность: используется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

Высокая стойкость к температуре, которую имеет природный углерод, обуславливает его основную сферу применения. Это изделия, которые работают в условиях высокой температуры окружающей среды.

Например, из них делаются формы, в которых производится закалка различных инструментов. Графит является основным материалом для производства качественных гальванических элементов.

Природный минерал и препараты, его содержащие, являются основой для таких изделий, как формы для литья, огнеупорные лакокрасочные материалы, смазки для подшипников качения и пр.

При изготовлении электродов с положительным зарядом он способствует улучшению электропроводности. Химическая инертность минерала делает его идеальным сырьем для материалов, которые работают в агрессивных средах.

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

Это лишь некоторые из примеров применения графита. Благодаря своим уникальным свойствам, он используется в самых разных областях промышленности и техники.

Марки графита

Существует следующая классификация марок этого материала:

Каждая из этих марок отличается процентным содержанием чистого углерода. Современная промышленность выпускает на основе графита такой инновационный материал, как стеклоуглерод.

Существует множество марок графита, которые классифицируются по различным критериям, таким как:

• Зернистость:
  • Крупнозернистый: ГМЗ, 3ОПГ
  • Среднезернистый: ППГ
  • Мелкозернистый: МПГ-6, МПГ-7
• Чистота:
  • Высокочистый: ГЭ-1, ГЭ-2
  • Чистый: ГЭ-3, ГЭ-4
  • Технический: ЭУЗ-М, ЭУЗ-II, ЭУЗ-III
• Назначение:
  • Электротехнический: ЭУТ-I, ЭУТ-II, ЭУТ-III
  • Литейный: ГЛ-1, ГЛ-2, ГЛ-3
  • Огнеупорный: ГТ-1, ГТ-2, ГТ-3

Этот материал обладает практически нулевой пористостью. Этот показатель крайне важен для эксплуатационных характеристик.

Основная сфера применения лежит в изготовлении химически стойкой посуды. Он способен выдерживать температуры до 3000 градусов.

Причем такую температуру он способен выдерживать как в условиях вакуума, так и в условиях агрессивной окружающей среды.

В последнее десятилетие интерес к этому минералу значительно возрос. На основе волокон углерода производятся следующие виды современных материалов:

• Углеродные волокнистые материалы
• Углеродные волокнистые сорбенты
• Углепластики
• Композиционные материалы на основе углеродного волокна

Особое внимание уделяется использованию углепластиков, которые находят все более широкое применение в машиностроении, химической промышленности и во многих других сферах.

Их применяют в качестве альтернативы металлическим изделиям. По прочности они не уступают изделиям из металла, а вот по таким параметрам, как коррозионная стойкость и стойкость к высоким температурам, значительно их превосходят.

Графит и знаки Зодиака

Астрологи установили, что графит – талисман Овнов. Влияние на остальные знаки Зодиака нейтральное.

Магические свойства графита

Эзотерики утверждают: магия графита создает для владельца мощный щит от внешнего негатива (сглаза, порчи, проклятия). Изделие или первозданный камень подойдёт как оберег дома, офиса.