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:
- Природный графит
- Высококристаллический графит
- Аморфный графит
- Чешуйчатый графит
- 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.
Металл
- Токарная обработка: определение, типы и основные операции
- Сварка: определение, виды и применение
- Токарные станки: типы, функции и применение
- Строгальный (расточной) станок: определение, детали и виды
- Строгальные станки: определение, составные части и классификация
- Шлифовальные станки: определение, виды и применение
- Инженерные допуски: Определение, виды и практическое применение
- Ковка: процесс, типы и материалы
- Чугун: определение, свойства, виды и применение
- Клеевое соединение: определение, виды, преимущества и применение