Графит

Графит
Общие сведения
Класс минерала	самородные полуметаллы
Подкласс	{{{Класс}}}
Группа	{{{Группа}}}
Генезис	метаморфические
Химическая формула	С
Идентификация
Цвет	серо-стальной, черный
Сингония	гексагональная
Спайность	совершенная
Излом	неровный
Твердость по шкале Мооса	1
Блеск	металлический
Цвет риска	черный
Удельный вес	2,09 - 2,23 г / см ?
Оптические свойства кристаллов
Другие свойства

Графит (от греч. γραφο - Писать) - минерал класса самородных полуметаллов, стойкий в земной коре кристаллическая разновидность углерода.

Писень - староукраинское название графита.

1. Основные характеристики

Графит - темно-серая непрозрачная вещество, аллотропная форма углерода. В отличие от алмаза графит хорошо проводит электрический ток и тепло и очень мягкий.

Примеси: H, N, CO _2, CO, CH _4, NH _3, H ₂ S, H ₂ O. Структура слоистая. Цвет черный, серый. Сингония гексагональная.

Плотность 2,09-2,23. Твердость 1. Блеск металлический, иногда матовый, землистый. Образуется преимущественно вследствие неглибинного метаморфизма горных пород, содержащих органические остатки, и при контаков-пневматолитовых процессах. Г. образует чешуйчатые, столбчатые, массивные, брунькоподибни, сферолитов, цилиндрические зональные агрегаты. Природный Г. различают по величине кристаллов и их взаимным расположением на явнокристаличний (кристаллы более 1 мкм) и прихованокристаличний (менее 1 мкм). В промышленности по величине кристаллов выделяют крупнокристаллическая Г. (более 50 мкм), мелкокристаллический (менее 50 мкм) и тонкокристаличний (менее 10 мкм) Г. жирный на ощупь, берется в руки. Анизотропный.

2. Физико-химические свойства

Как и в алмазе, в граффити каждый атом углерода образует друг с другом четыре связи. Однако эти связи не одинаковы. Три из них являются σ-связями, образованными в результате перекрывания sp2-орбиталей атомов углерода. Все они располагаются в одной плоскости под углом 120 ?, образуя непрерывную плоскую сетку, состоящую из правильных шестиугольников, в углах которых находятся атомы углерода. Четвертый -Связь образуется за счет перекрывания лепестков р-орбиталей выше и ниже плоскости, в которой расположены атомы углерода. -Связь образует сплошную электронное облако по всему слоя атомов углерода, как и в случае металлической связи. Углеродные слои графита связаны очень слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Эти особенности строения графита и обусловливают такие его свойства, как электропроводность, слоистость т.д..

Особенности кристаллической структуры графита и незначительная величина сил сцепления между его слоями обусловливают скольжения слоев друг относительно друга даже при малых значениях напряжений сдвига в направлении скольжения. Это позволяет использовать вуглеграфитови материалы как антифрикционные за счет низких сил сцепления между соприкасающимися поверхностями. С другой стороны, отсутствие прочных межслойных связей в графите облегчает отделение его частиц от трущихся деталей. Это обусловливает уменьшение их износа.

• 

  Элементарная ячейка графита
• 

  Шарико-спичечная модель слоя графита
• 

  Вид сбоку
• 

  Вид сверху
• 

  СТМ -рисунок атомов на поверхности графита of graphite surface atoms. .

Графит, если рассматривать его идеализированную структуру, представляет собой непрерывный ряд слоев, параллельных основной плоскости, состоящие из гексагонально связанных друг с другом атомов углерода (рис. 1.2). По взаимному смещением этих слоев в плоскости различают гексагональную и ромбоэдрической формы. В гексагональной форме слои чередуются по схеме А-В-А-В ..., а в ромбоэдрической - по схеме А-В-С-А-В-С ...

Смещение слоев в ромбоэдрической форме может достигать в природный графит 30%, в искусственных она практически не встречается. Расстояние между любыми соседними атомами углерода в плоскости слоя равна 0,1415 нм, между соседними слоями - 0,3354 нм.

Такое строение приводит к анизотропии физических свойств графита в направлениях параллельном и перпендикулярном взлома.

Описана структура характерна для монокристаллического графита. Реальные тела состоят из множества областей упорядоченности углеродных атомов, имеющих конечные размеры, отличающиеся на несколько порядков для различных образцов углеродистых тел графитовой или графитоподобный структуры. Структура этих областей может приближаться к идеальным решеток графита или отличаться от нее за счет искажений внутри слоев, так и за счет нарушений их чередования. Такие области упорядоченности называются кристаллитами и имеют собственные геометрические характеристики: Lа - средний диаметр, LС - средняя высота кристаллита и -Среднее расстояние между слоями графита в кристаллита. Эти параметры определяются с помощью рентгеноструктурного анализа. Кроме того, в реальных графитовых телах имеется некоторое количество неупорядоченных атомов (аморфный углерод), занимающие пространство между кристаллитами или внедрены между слоями. Эти атомы могут, находится в sp, sp2 или sp3 - гибридном состоянии.

Особенность строения кристаллической решетки графита, включая наличие в ней свободных электронов, приводит его физические свойства: низкую твердость, низкий коэффициент трения, высокую электропроводность, близкую к металлам, металлический блеск, непрозрачность и т.д.. Важное промышленное значение имеют также высокая теплопроводность, огнестойкость, химическая твердость, гидрофобность, исключительно высокая жирность и пластичность, высокая способность образовывать тонкие пленки на твердых поверхностях.

Графит кристаллизуется в гексагональной сингонии, его слоистая кристаллическая структура характеризуется достаточно прочным ковалентной гомеополярним связью атомов углерода в пределах слоя, и довольно слабым межслойной молекулярным связью.

Электропроводность аллотропных модификаций углерода сильно отличается по абсолютной величине. Алмаз является диэлектриком, причем его электросопротивление одинаков во всех направлениях кристалла. Это связано с тем, что все валентные электроны входят в четыре равноценные σ-связи, а свободные -Электроны, образующие облако, отсутствуют.

В отличие от алмаза в монокристалле графита является σ-связи и -Электронные облака, образующие электронные слои параллельные монослой углеродных атомов и обусловливают электропроводность металлического типа в направлении, параллельном слоям. В направлении им перпендикулярном графит ведет себя как полупроводник, проводимость которого определяется положительно заряженными Дирк. В связи с этим электропроводность графита в параллельном направлении примерно на два-три порядка превышает проводимость в направлении ему перпендикулярном.

В поликристаллических углеродных материалах общая проводимость определяется двумя составляющими: электропроводностью кристаллитов, металлической по своему типу, и проводимостью аморфного углерода-полупроводника. Этим обусловлена, экстремальная зависимость электропроводности многих углеграфитовых материалов от температуры: электросопротивление полупроводника с ростом температуры падает, а металла растет. Поэтому существует минимум температурной зависимости сопротивления, причем его положение сдвигается в область низких температур при совершенствовании кристаллической структуры образца. Таким образом, по положению экстремума можно судить о степени приближения структуры к идеальной графитовой.

В монокристалле графита тепло переносится, главным образом, вдоль слоев атомов углерода, что приводит к анизотропии теплопроводности. Электропроводность и теплопроводность графита имеют разную природу. Последняя определяется тепловыми колебаниями решетки монокристалла. Колебания решетки, которое квантуется, ставится в соответствие движение квазичастиц - фононов. Движение фононов в кристалле подобный движения молекул идеального газа в замкнутом объеме и подчиняется таким же кинетическим закономерностям. Фононная проводимость полностью определяет теплопроводность графита в направлении перпендикулярном слоям. В направлении параллельном слоям перенос тепла осуществляется и носителями заряда.

Как для изотропного алмаза, так и для анизотропного графита температурная зависимость теплопроводности имеет максимум, положение и уровень которого определяется рядом не до конца выясненных факторов, в частности размером образца, величиной и ориентацией в нем кристаллитов и др.. Положение максимума теплопроводности природного графита находится в области Т = 120-200 К. Существует установленный эмпирическим путем связь между теплопроводностью и электропроводностью графита. При температурах, близких к комнатным, он выражается уравнением:

λ ? ρ = const,

где ρ - электросопротивление, λ - теплопроводность.

Классическая теория теплоемкости дает ее значение для кристаллов при достаточно высоких температурах примерно 25 Дж / (моль ? К). В случае графитов величина теплоемкости соответствует теоретической в ​​температурном интервале 2200-3200 К. Затем она начинает расти по экспоненциальному закону. Этот рост объясняют увеличением количества вакансий в кристаллической решетки, возникающих за счет испарения графита.

Тепловое расширение графита анизотропная, как и многие его других физических свойств. Анизотропия характеризуется отношением коэффициентов расширения образца в параллельном и перпендикулярном направлениях взлома. Это отношение для различных графитов находится в пределах от 1 до 30.

Графит и алмаз могут при определенных условиях переходить друг в друга.

3. Разновидности графита

Различают:

• графит аморфный (скопления графита, состоящие из рентгеноаморфних агрегатов) Размер зерен в аморфном граффити менее 0,001 мм.
• графит землистый (землистые скопления графита) В зернистом граффити размер кристаллов тот же, что и в дрибнолускатому, однако они не ориентированы, что затрудняет расщепление агрегата и сдвиги при деформации.
• графитит (прихованокристалична форма графита);
• графит кристаллический (агрегаты графита, состоящие из кристаллических индивидов);
• графит лускуватий (агрегаты графита, составленные из лускуватих индивидов) Чешуйчатые графиты по диаметру кристаллов выстраиваются в великолускати (0,1-1,0 мм) и дрибнолускати (0,001-0,1 мм).
• графит марганцевые ( пороков);
• графит пластинчатый (агрегаты графита, составленные из великолускуватих индивидов);
• графит хлопьевидный (графит пластинчатый)
• графит искусственный (графит, полученный при нагревании угля ( антрацита) до 2200-2500 ⁰ С в электрической печи).

Определены природные разновидности графита не бывают безупречно чистыми. Они содержат примеси минералов-спутников, а также углерода, не превратился в графит.

4. Переработка и получения искусственного графита

4.1. Обогащение графитовых руд

Графит относится к наиболее легкофлотованих минералов, но его флотованисть зависит от величины кристаллов, характера примесей и степени окисления поверхности. Флотацию графита обычно проводят с использованием керосина (0,2 - 2,5 кг / т) и вспениватель (соснового масла, Т-66 и др..) в щелочной ( рН = 8 - 10) или кислой (рН = 4 - 5) среде, создается содой, известью или серной кислотой. Природный аполярний характер кристаллов графита, их чешуйчатая форма и малая плотность обусловливают легкую флотованисть графита и позволяют флотировать достаточно крупные частицы.

4.2. Получения искусственного графита

В промышленности графит получают:

• нагревом кокса или антрацита в специальных электрических печах при температуре около 3 000 ? С и повышенном давления без доступа воздуха.
• с газообразных углеводородов при температуре 1400-1500 ? С в вакууме с последующим нагреванием образованного пировуглецю до температуры 2500-3000 ? С под давлением 50 МПа (образован продукт - пирографит).

Искусственный графит отличается высокой чистотой и мягкостью. По своим качествам он лучше естественный.

Искусственный графит по качеству примерно соответствует естественному чешуйчатом и щильнокристаличному, отличаясь большей чистотой и меньшей кристалличность.

5. Графитовые руды

Различают три типа графитовых руд: чешуйчатые, щильнокристалични, прихованокристалични.

Графитовые руды зависимости от структуры графита подразделяются на чешуйчатые, щильнокристалични и прихованокристалични.

Наибольшую ценность имеют чешуйчатые руды, в которых графит находится в виде отдельных кристаллов в форме чешуек размером до нескольких миллиметров.

Щильнокристалични руды содержат большое количество (до 60 - 70%) графита с размером чешуек менее 0,1 мм, в прихованокристаличних рудах размеры кристаллов не превышают 1 мкм.

6. Месторождения графита

6.1. В Украине

• Завалиивське графитовое месторождение
• Петровское графитовое месторождение

6.2. В мире

7. Применение

Графит широко применяется для изготовления электродов, в смеси с глиной для производства огнеупорных тиглей. С графита делают обычные карандаши. В смеси с минеральной маслом его используют для смазки машин, работающих при повышенных температурах.

Графит имеет уникальные власивости улучшать антифрикционные свойства многих полимерных материалов (фторопласт, полиамиды и др.), которые применяются в качестве деталей узлов трения.

См.. также

• Список минералов
• Графитовые руды
• Лучший бумага для реалистичных рисунков графитным карандашом

Источники

• Ф. А. Деркач "Химия" Л. 1968
• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Донбасс, 2004. - ISBN 966-7804-14-3.