Графит: определение, виды, структура и применения

Что такое графит?

Графит, архаично называемый плюмаго, — мягкая кристаллическая форма углерода с атомами, расположенными в шестиугольной структуре. Графит — природная форма кристаллического углерода. Родной минеральный элемент, встречающийся в метаморфических и магматических породах. Графит — минерал экстремумов.

Графит — минерал, образующийся, когда углерод подвергается теплу и давлению в земной коре и верхней мантии. Давления 75 000 фунт/дюйм² и температуры 750 °C необходимы для образования графита. Это соответствует гранулитному метаморфическому фациям. При высоких давлениях и температурах превращается в алмаз.

Серый — черный, непрозрачный, с металлическим блеском, гибкий, но не эластичный. Проявляет свойства металла и неметалла, что делает его пригодным для многих промышленных применений. Металлические свойства: тепло- и электропроводность. Неметаллические: инертность, высокая термическая стойкость, смазываемость.

Графит используют в карандашах и смазках. Хороший проводник тепла и электричества. Высокая проводимость делает его полезным в электронике: электроды, батареи, солнечные панели.

Связано: Что такое металл и неметалл?

Кто открыл графит?

Графит впервые случайно синтезирован Эдвардом Г. Ачесоном при высокотемпературных экспериментах с карборундом. Он обнаружил, что при ~4150 °C (7500 °F) креминий в карборунде испаряется, а углерод остается в графитоподобной форме.

Ачесон получил патент на производство графита в 1896, коммерческое производство началось в 1897. С 1918 года нефтяной кокс — мелкие несовершенные графитовые кристаллы, окруженные органическими соединениями — основное сырье для производства 99–99,5% чистого графита.

Какого цвета графит?

Графит варьируется от серого до черного, непрозрачен и металличен по внешнему виду. Состоит из атомов углерода и можно считать углем высшего сорта, хотя не обычно используется как топливо.

Графит — средне-серый цвет. Как название цвета используется как синоним «угольный». Относится к «свинцу» в деревянных карандашах, которые на самом деле из графитового пигмента и глинистого связующего.

Графит, оттенок серого, — цвет без эмоций. Отстраненный, нейтральный, нерешительный, переход между белым и черным.

Структура графита

Графит имеет слоистую структуру из колец из шести атомов углерода, расположенных в широко расставленных горизонтальных листах. Графит кристаллизует в шестигранной системе, в отличие от того же элемента, кристаллизующего в октаэдрической или тетраэдрической системе как алмаз.

Графит состоит из слоев атомов углерода в 6-членных шестиугольных кольцах. Кольца соединены по краям. Слои сплавленных колец можно моделировать как бесконечную серию сплавленных бензольных колец (без атомов водорода).

Атомы углерода в этих кольцевых структурах в sp²-гибридизованном состоянии. В sp²-молекулярной орбитальной модели каждый атом углерода связан с тремя другими видами — в случае графита с тремя другими атомами углерода. В этом режиме связи угол между соседними атомами углерода 120°.

Эти «кольцевые массивы» расположены в больших слоях атомов углерода, отдельные слои называются графеновыми слоями. Длина связи углерод-углерод в слое 1,418 Å. Графитовые слои наслаиваются параллельно кристаллической оси «C» шестигранной 4-осевой системы, в которой кристаллизует графит. Подробнее о структуре графита — в нашем руководстве.

Свойства графита

Графит — аллотропическая модификация углерода для модераторных стержней атомных станций. Свойства:

• Серо-черное, непрозрачное вещество.
• Легче алмаза, гладкое и скользкое на ощупь.
• Хороший проводник электричества (за счет свободных электронов) и тепла.
• Кристаллическое твердое тело.
• Очень мыльное на ощупь.
• Негорючий.
• Мягкий из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса.
• Проводник электричества.

Физические свойства графита

Графит имеет высокую температуру плавления, как алмаз. Чтобы расплавить графит, недостаточно отделить один слой от другого. Нужно разорвать ковалентные связи во всей структуре.

Мягкий и скользкий на ощупь, для карандашей и сухой смазки замков. Представьте графит как колоду карт — каждая карта прочная, но карты скользят друг по другу или выпадают. При письме слои стираются и прилипают к бумаге.

Также имеет ниже плотность, чем алмаз. Из-за большого «пустого» пространства между слоями.

Нерастворим в воде и органических растворителях — по той же причине, что алмаз. Притяжение между молекулами растворителя и атомами углерода никогда не преодолеет сильные ковалентные связи в графите.

Графит проводит электричество. Делоокализованные электроны свободно движутся по слоям. Если включить графит в цепь, электроны могут сходить с одного конца слоя и быть замещенными новыми на другом конце.

Химические свойства графита

Цвет	Железно-черный до стально-серого; глубокий синий в прошедшем свете
Химическая классификация	Родной элемент
Штрих	Черный
Блеск	Металлический, иногда землянистый
Прозрачность	Непрозрачный
Разделение	Идеальное в одном направлении
Твердость по Моосу	1–2
Удельная гравитация	2,1–2,3
Диагностические свойства	Цвет, штрих, скользкое ощущение, удельная гравитация
Химический состав	C
Кристаллическая система	Шестигранная

Типы графита

Различные типы графита:

1. Природный графит
   1. Высококристаллический графит
   2. Аморфный графит
   3. Чешуйчатый графит
2. Синтетический графит.

1. Природный графит

Природный графит — минеральная форма графитового углерода. Сильно варьирует по кристалличности. Большинство коммерческого графита добывается и обычно содержит другие минералы. После добычи требует значительной минеральной обработки (пенофлотация) для концентирования графита.

Природный графит — отличный проводник тепла и электричества, стабильный в широком температурном диапазоне, высокопрочный материал с высокой температурой плавления 3650 °C. В основном для огнеупоров, батарей, сталеплавления, расширенного графита, тормозных накладок, литейных облицовок, смазок.

Природный графит доступен в трех формах, все из натурального сырья. Каждая форма имеет уникальные свойства для определенных применений.

1.1 Кристаллический ( жиловый) графит

Считается, что кристаллический жиловый или кусковый графит — редчайшая, наиболее ценная и высшая по качеству форма природного графита. Образуется прямым осаждением твердого графитового углерода из подземных высокотемпературных жидкостей (сырая нефть), преобразованных в графит временем, температурой и давлением.

Шри-Ланка — единственная юрисдикция, производящая кристаллический жиловый графит коммерчески. Легко формовочен в твердые формы без связующего добавки, давая значительную экономию над сырьем низкого качества.

Трещины кристаллического жилового графита обычно толщиной 1 см – 1 м, чистота >90% Cg. Чистота 95–99% углерода без очистки. Подходит для многих применений как чешуйчатый графит, дает конкурентное преимущество в ценах и продуктах: смазки, батареи, шлифовальные круга, порошковая металлургия.

1.2 Аморфный графит

Аморфный графит обычно образуется контактным метаморфизмом между антрацитовым пластом угля и метаморфическим агентом. Результат — микрокристаллический графит, известный как аморфный. Наименее качественный среди природных графитов. Содержание графита 25–85% в зависимости от геологии.

Находится в виде экстремально мелких кристаллических частиц в пластах мезоморфных пород: угля, сланца, сланца. Низкая углеродистая чистота 70–85% после очистки. Невидим без увеличения.

Для низкокачественных продуктов: карандаши, смазки, огнеупоры, краски, металлургия, покрытия, тормозные колодки, резиновые добавки. Самая дешевая форма. Крупные месторождения в Китае, Мексике, США.

1.3 Чешуйчатый графит

Природный чешуйчатый графит образуется при воздействии высокого давления и температуры на углеродный материал. Источник может быть органическим или неорганическим, хотя большинство коммерческого чешуйчатого графита из органических отложений. Давление >1 ГПа, температура >750 °C.

Чешуйчатый графит в метаморфических породах: равномерно распределен в рудном теле или в линзовидных карманах. Углерод 5–40%. Находится в виде пластинчатых или чешуйчатых форм в известняке, гнейссе, сланцах.

Пенофлотация для извлечения. «Плавучий» графит — 80–90% содержания. >98% слоя изготовлено химической подготовкой графита. Чешуйчатый графит во многих местах мира.

2. Синтетический графит

Синтетический графит получают из кокса и пичи. Хотя менее кристалличен, чем природный. Можно получить высокоупорядоченный пиролитический графит или высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) — графит с угловым рассеянием между листами <1°.

Базово два типа синтетического графита. Один — электронатрит, чистый углерод из угольной пичи и обкаленного нефтяного кокса в электропечи. Второй — синтетический графит, нагревание обкаленного нефтяного битума до 2800 °C.

Синтетический графит имеет более высокое электросопротивление и пористость, более низкую плотность. Повышенная пористость делает его неподходящим для огнеупорных применений.

Синтетический графит содержит преимущественно графитовый углерод, полученный графитизацией, термической обработкой неграфитового углерода или химическим осаждением из паров углеводородов при >2100 K.

Применение: аэрокосмические применения, углеродные щетки, графитовые электроды, батареи, модераторные стержни в атомных станциях. Высокая пористость делает его неподходящим для огнеупоров.

Применение графита

Графит используют с древних времен. Широкий спектр применений в современном мире.

Распространенные применения:

• Письменные материалы
• Смазки
• Огнеупоры
• Ядерные реакторы
• Батареи
• Графеновые листы

1. Письменные материалы

Слово «графит» от греческого «γράφω» — «писать». Самое частое использование — стержни карандашей. Стержень — смесь глины и графита в аморфной форме.

2. Смазки/Отталкиватели

Графит — основной ингредиент смазок типа смазки. Реагирует с водяным паром атмосферы, создавая тонкую пленку на поверхности и снижая трение. В тормозах и сцеплениях авто.

Порошковая форма кускового графита также в красках. Почему? Графит по природе водоотталкивающий. Дает защитное покрытие на дереве и других поверхностях.

3. Огнеупоры

Благодаря высокой термостойкости и неизменности, графит — широко используемый огнеупорный материал. Применяется в производстве, помогает в производстве стекла и стали, обработке железа.

Связано: Что такое ядерный реактор?

4. Ядерные реакторы

Графит поглощает быстрые нейтроны. Поэтому используется в реакторах для стабилизации ядерных реакций.

5. Электротехническая промышленность

Кристаллический чешуйчатый графит для углеродных электродов, щеток, пластин в сухих элементах и электротехнике. Природный графит перерабатывают в синтетический — полезен в литий-ионных батареях.

6. Графеновые листы

Из графита делают графеновые листы. Говорят, они в 100 раз прочнее и в 10 раз легче стали. Производное графита для легкого прочного спортивного оборудования. Многие рассматривают будущие применения в медицине и авиации.

Читайте также

• Что такое структура графита
• Каковы основные свойства графита
• Каковы применения графита
• Чугун | Типы, свойства, применение, преимущества и недостатки
• Что такое хром? Свойства, применение, влияние на организм.

Ссылка:

Материалы графита: usgs.gov

Часто задаваемые вопросы

Что такое графит?

Графит, архаично плюмаго — мягкая кристаллическая форма углерода с атомами в шестиугольной структуре. Природная форма кристаллического углерода. Родной минеральный элемент в метаморфических и магматических породах. Минерал экстремумов.

Какие типы графита?

Природный графит: три формы — аморфный, чешуйчатый, кристаллический жиловый, каждая с уникальными свойствами для определенных применений.

Кто открыл графит?

Случайно синтезирован Эдвардом Г. Ачесоном при высокотемпературных экспериментах с карборундом. При ~4150 °C (7500 °F) креминий в карборунде испаряется, оставляя углерод в графитоподобной форме.

Для чего используется графит?

В карандашах, сталеплавлении, электронике (смартфоны). Главное — литий-ионные батареи, где графит важнее лития. В батарее графита в 10–30 раз больше лития.

Из чего сделан графит?

Графит из чистого углерода. Атомы углерода формируют связи, создающие разные структуры. Алмаз и графит — две известные аллотропические формы углерода.

Что особенного в графите?

Уникален свойствами и металла, и неметалла: гибкий, но не эластичный, высокая тепло- и электропроводность, высокорефрактерный, химически инертный. Низкое поглощение рентгена и нейтронов — ценен для ядерных применений.

Где находится графит?

Чаще всего в виде чешуек или кристаллических слоев в метаморфических породах: мрамор, сланцы, гнейссы. Также в органических сланцах и угольных пластах — результат метаморфизма мертвых растений и животных.

Хорош ли графит для кожи?

Графиты в гомеопатии для хронических кожных заболеваний и грубой, трескающейся кожи. Только анекдотические доказательства помощи при псориазе.

Используется ли графит как смазка?

Графит годами как смазка. Механизм считается механическим: скольжение частицы графита по другой частице. Может использоваться как сухая смазка или диспергированная в масле.

Как превратить уголь в графит?

В микроволновке искры внутри стеклянной флакон с угольной пылью. Медная фольга, стеклянные емкости, обычная микроволновка — исследователи Уайоминга показали: порошковый уголь превращается в нанографит.

Графит прочнее стали?

Графен — материал из одного слоя атомов углерода — самый прочный известный материал, в 200 раз прочнее стали, легче бумаги, с необычными механическими и электрическими свойствами.

Является ли графит веществом?

Графит — аллотропическая модификация углерода. Мягкое, серо-черное непрозрачное вещество из атомов углерода.

Что может расплавить графит?

Графит не плавится при нормальных давлениях. Как диоксид углерода, переходит прямо из твердого в газообразное. Точки плавления нет до ~100 атмосфер.

Кто производит графит?

Китай — мировой лидер по производству графита, но запасы вторые в мире. Страна с крупнейшими запасами — Турция. В 2020 г. ~90 млн т природного графита.

Где чистейший графит в мире?

Шри-Ланка. Добыча с голландского оккупации. Единственная страна, производящая чистейший жиловый графит (кусковый) коммерчески, <1% мирового производства.

Блокирует ли графит излучение?

Графитовые пленки экранируют электронику от электромагнитного (ЭМ) излучения, но текущие методы производства занимают часы и требуют температур ~3000 °C.

Побочные эффекты графита?

Последствия перевоздействия: многолетнее вдыхание природного графита может вызвать рубцование легких с симптомами: сдавленность в груди, одышка, кашель, черная мокрота, боль.

Почему графит в карандаше?

Графит имеет слоистую структуру, связанную силами Ван-дер-Ваальса. Легко расщепляется между слоями, поэтому очень мягкий и скользкий. Поэтому в карандашах и смазках для высокотемпературных машин.

Почему графит отличная смазка?

Атомы углерода сильно связаны в листах. Из-за слабых связей между листами графит показывает низкую сдвиговую прочность под трением. Твердая смазка — один из традиционных и основных материалов твердой смазки.

Почему графит как смазка, а алмаз нет?

Из-за мягкости и нелетучести графит — смазка для быстро движущихся частей машин. Для смазки деталей при высоких температурах. Алмаз — экстремально твердое вещество, не может быть смазкой.

Почему графит отличается от алмаза?

Графит и алмаз — интереснейшие минералы. Идентичны химически — оба углерод (C), но физически очень разные. Графит очень мягкий, твердость 1–2. Алмазы — самое твердое природное вещество, твердость 10.