Графит: добыча, свойства и применение

Графит – описание, характеристики, применение – энциклопедическая заметка о графите

Свойства

Минерал не растворяется в кислотах. В его состав входит не менее 10-12% примеси оксидов железа или глины. Довольно редко можно встретить хорошо образованные экземпляры, зачастую это — пластинчатые камни несовершенной формы. Самородки с молекулярным весом 12.01 и удельным весом, 2. 1 до 2. 3. С гексагональной сингонией. Он непрозрачный и обладает совершенной спайностью и слюдоподобным изломом. По своему внешнему виду минерал может быть схож с каменным углем или алмазом. Самородные экземпляры, добытые из глубины земной коры, чаще обладают чёрным цветом, мягкие и отлично пишут по горизонтальной поверхности. Отсюда и пошло его название.

Для работы с тугоплавкими металлами графит переплавляют при температуре 4000º Цельсия. А его пластичность позволяет формовать из него детали независимо от сложности формы. Минерал в рисованном виде можно механически обрабатывать без труда. Но одним из важнейших свойств минерала считается его способность к приращению в алмаз.

У камня высокая степень теплопроводности, показатели составляют 3,55 Вт/град/см. Такое свойство камень обретает благодаря подвижным электронам. Подвижные электроны наделяют его не только теплопроводностью, но и электропроводностью.

Химический состав

В химическом составе минерала присутствует абсорбированный газ, механические примеси, они после сжигания могут частично оставаться в золе. Некоторые экземпляры содержат битумы.

Среди других свойств можно выявить его инертность и неспособность к растворению химически активными веществами. Растворение просто происходит только в случае высоких температур с образованием карбидов. Они же могут стать основой твердого сплава. Чаще используют соединение титана с вольфрамом, что даёт возможность производить режущие инструменты, обладающие износостойкой устойчивостью.

Классификация

Стоит различать несколько разновидностей минерала.

  • Шунгит был открыт на территории Российской Федерации в Карелии возле села Шунга в 1879 году. Его относят к группе антраксолитов. В своём составе он имеет кристаллическую фазу тонкодисперсного графита. При этом существует несколько разновидностей этого полезного ископаемого: шумит 1, 2, 3, 4 степени.
  • Также следует выделить графитит, представляющий собой амперную разновидность графита (Graphitit).
  • Также стоит выделить графитовую слюдку. (Graphitglimmer)

Сопутствующие минералы — кальцит, микролин, пирит, кварц, рутил, гранат, и другие.

История[править | править код]

Графит известен с древних времён, однако точных сведений об истории его использования получить не удаётся из-за сходства красящих свойств с другими минералами, например, молибденитом. Одним из наиболее ранних свидетельств применения графита является глиняная посуда культуры Боян-Марица (4000 лет до н. э.), раскрашенная с помощью этого минерала[1]. Название «графит» предложено в 1789 году Абраамом Вернером, встречаются также названия «чёрный свинец» (англ. black lead), «карбидное железо», «серебристый свинец»[2].

Что такое графит

Как выглядит графит, знает каждый. Это грифель-сердцевинка обычного простого карандаша:

  • Минерал мягок, в чем несложно удостовериться: от неосторожного обращения карандаши ломаются.
  • Жирноват на ощупь, наделен разной твердостью и плотностью, на что указывают марки карандаша – от мягкой до твердой.
  • Цвета и оттенки – полная серая гамма с матовым или металлическим отблеском.

Возможность написания или рисования создает слоистая структура минерала.

Графит – это минерал, природная кристаллическая модификация углерода. Ближайшие родичи – алмаз, лонсдейлит, чароит. Их отличает структура. У графита она слоистая.

алмаз-графит

Графит можно превратить в алмаз, разогрев до 2000°C и поместив под давление в сотни атмосфер.

углерод графит алмаз

В природе «чистый» минерал не замечен, среди примесей обнаружены редкие, ценные металлы.

Налажено производство искусственного графита.

Физические свойства[править | править код]

Хорошо проводит электрический ток. Обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного более твёрдым и очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Теплопроводность графита от 100 до 354,1 Вт/(м·К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры[3].

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.

Теплоёмкость графита в диапазоне температур 300÷3000 К хорошо согласуется с дебаевской моделью[4]. В высокотемпературной области после Т>3500K наблюдается аномальное поведение теплоёмкости графита аналогично алмазу: экспериментальные данные по теплоёмкости резко отклоняются вверх от нормальной (дебаевской) кривой и аппроксимируются экспоненциальной функцией[5][6][7], что обуславливается больцмановской компонентой поглощения тепла кристаллической решеткой[8].

Пределы температуры плавления — 3845—3890 °C, кипение начинается при 4200 °C[источник не указан 791 день]. Во время сжигания 1 кг графита выделяется 7832 ккал тепла.

Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.

Формула графита

C (углерод)

Химический состав

Даже чисто отобранный, всегда содержит абсорбированные газы — главным образом Н, N, в меньшем количестве СОз, СО, CH4, иногда NH3, H2S, а также Н2О. Нередко содержит механические примеси, которые при сжигании полностью или частью остаются в золе; иногда содержит битумы. В золе, кроме Si, Al, Fe, Mg, Са и щелочей, могут присутствовать S, Р, Си, Ni, Мо, Mn, а также Be, Ge, Ti, V, благородные металлы и др. Наличие в золе V характерно для графита органогенного происхождения. Fe, возможно, иногда содержится в виде твердого раствора.

Разновидности графита

  • Шунгит – аморфная разновидность графита (переходная разность между каменным углем и графитом).
  • Графитит (Graphitit) = аморфный разновидность графита
  • Графитовая слюдка (Graphitglimmer), излишнее название = графит

Шунгит — shungite (Иностранцев, 1879). Впервые обнаружен около с. Шунгав (Карелия, Россия). Относится к группе антраксолитов, является промежуточным продуктом между аморфным углеродом и графитом. Содержит кристаллическую фазу в виде очень тонкодисперсного графита. Выделяют четыре разновидности, отвечающие различной степени метаморфизма и различному содержанию углеродистого вещества.

Шунгит I наиболее близок к графиту. Излом его раковистый. Твердость 3,5—4. Плотность 1,84—1,98. Цвет черный; с едва заметным буроватым отливом. Блеск сильный полуметаллический. Непрозрачен. Содержит мельчайшие включения

кварца

,

доломита

,

кальцита

,

пирита

и др. Электропроводность близка к таковой графита.

В полированных шлифах латунно-желтый (напоминает

пирротин

). Двуотражения (в отличие от графита) не обнаруживает. Заметно анизотропен.

Содержит 93—98% С, до 3—4% соединений водорода, также N, О, S, до 8% гигроскопической воды; в золе — значительные количества V, Ni, Мо, а также W, Се, As; по спектральным анализам: Со, Ti, Mg, Sr, Си, Сг, Zr, Rh, Ru, Pt, Mn. Содержание V, характерное для шунгита, по данным Мармо, связано с примесями.

Под паяльной трубкой растрескивается и сгорает чрезвычайно медленно. Крепкие H

2

SO

4

и HNO

3

окисляют тонкий порошок лишь при длительном кипячении.

Шунгит II, III и IV — разновидности со слабым и с матовым блеском содержат соответственно всего 40—60%, 28—44% и меньше 15% углерода.

Имеет очень ограниченное распространение. Образовался, по-видимому, в результате метаморфизма докембрийских битуминозных осадочных пород под воздействием диабазов. В Карелии слагает прожилки, линзочки на контакте известняков и диабазов, пропитывает сланцы. Наблюдался в нескольких местах в р-не Онежского оз. в Карелии и в Финляндии, отмечался в Бурятии и Якутии, а также на Урале — в магнезитах Сатки (Челябинская обл.) и в породах спилито-альбитофировой формации около Красноуральска (Свердловская обл.), где приурочен к контактам спилитов и альбитофиров с прослоями метаморфизованных осадочных и туфогенно-осадочных пород.

Может быть использован как удобрение, в качестве топлива в специально приспособленных топках, как сырье для извлечения V, Мо, в металлургии (в качестве заменителя кокса и носителя легирующих

Химические свойства[править | править код]

Со многими веществами (щелочными металлами, солями) образует соединения включения.

Реагирует при высокой температуре с кислородом, сгорая до углекислого газа. Фторированием в контролируемых условиях можно получить (CF)x.

В неокисляющих кислотах не растворяется.

МОРФОЛОГИЯ

графитХорошо образованные кристаллы редки. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые, кривогранные, обычно имеют пластинчатую несовершенную форму. Чаще бывает представлен листочками без кристаллографических очертаний и их агрегатами. Образует сплошные скрытокристаллические, листоватые или округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — сферолитовые агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто наблюдается треугольная штриховка на плоскостях (0001).

Структура[править | править код]

Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.

Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный P63/mmc) и β-графит (ромбоэдрический R(-3)m).Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500—3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Лечебные свойства

Графит благодаря своему насыщенному черному цвету и богатой истории широко используется литотерапевтами для лечения следующих заболеваний:

  • депрессий, неврастений, страхов
  • болезней глаз и ушей
  • заболеваний кожи
  • болезней, связанных с органами дыхания
  • заболевания пищеварительного тракта
  • бесплодие и болезни мочеполовой системы

Месторождения

Самые большие залежи графита расположены в Китае, Украине, Мексике, Канаде и Южной Корее. Месторождения минерала экономически выгодны для страны, на территории которой он расположен. В процессе разработки залежей обеспечение промышленности нужным сырьём. Камнем образованы скопления серого цвета. Графитовая руда добывается открытым способом, а кусковой минерал подземным методом.

Одним из высокотемпературных жильных залежей минералов стоит выделить месторождение на Цейлоне, которое обладает большим промышленным значением. Здесь графитовые жилы расположены среди гнейсов. Такие же месторождения есть в Квебеке, штате Монтана и Англии.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание) 1/B.02-10
Dana (7-ое издание) 1.3.5.2
Dana (8-ое издание) 1.3.6.2
Hey’s CIM Ref. 1.25

Искусственный синтез[править | править код]

Искусственный графит получают разными способами:

  • Ачесоновский графит: нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C;.
  • Рекристаллизованный графит: термомеханической обработкой смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и карбидообразующие элементы.
  • Пиролитический графит: пиролизом из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °C в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500—3000 °C при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт — пирографит; в электротехнической промышленности применяется наименование «электрографит»).
  • Доменный графит: выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.
  • Карбидный графит: образуется при термическом разложении карбидов.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание) 1/B.02-10
Nickel-Strunz (10-ое издание) 1.CB.05a
Dana (7-ое издание) 1.3.5.2
Dana (8-ое издание) 1.3.6.2
Hey’s CIM Ref. 1.25

Переработка[править | править код]

Переработкой графита получают различные марки графита и изделия из них.

Товарные сорта графита получают обогащением графитовых руд. В зависимости от степени очистки графитовые концентраты классифицируют на промышленные марки по областям применения, каждая из которых выдвигает специфические требования к физико-химическим и технологическим свойствам графитов.

В свете последних открытий российских учёных появилась перспектива получения из графитовых руд золота и платиноидов.

Переработка графита в терморасширенный графит[править | править код]

На первом этапе исходный кристаллический графит окисляют. Окисление сводится к внедрению молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя (пероксид водорода, перманганат калия и др.) между слоями кристаллической решетки графита. Окисленный графит отмывают и сушат. Затем окисленный графит подвергают термообработке до Т=1000 °C со скоростью 400—600 °C/с. Благодаря чрезвычайно высокой скорости нагрева происходит резкое выделение газообразных продуктов разложения внедренной серной кислоты из кристаллической решетки графита. Газообразные продукты создают большое (до 300—400 атм) расклинивающее давление в межкристаллитном пространстве, при этом образуется терморасширенный графит, отличающийся высокой удельной поверхностью и низкой насыпной плотностью. В полученном материале остается некоторое количество серы при применении сернокислой технологии. Далее полученный терморасширенный графит прокатывают, иногда армируют, добавляют присадки и прессуют для получения изделий.

Переработка графита для получения различных марок искусственного графита[править | править код]

Для производства искусственного графита используют в основном нефтяной кокс как наполнитель и каменноугольный пек как связующее. Для конструкционных марок графита в качестве добавок к наполнителю применяют природный графит и сажу. Взамен каменноугольного пека как связующего или пропитывающего вещества используют некоторые синтетические смолы, например, фурановые или фенольные.

Производство искусственного графита складывается из следующих основных технологических этапов:

  • подготовки кокса к производству (предварительного дробления, прокаливания, размола и рассева кокса по фракциям);
  • подготовки связующего;
  • приготовления углеродной массы (дозировки и смешивания кокса со связующим);
  • формования так называемых «зелёных» (необожжённых) заготовок в глухую матрицу или через мундштук прошивного пресса;
  • обжига заготовок;
  • графитации заготовок;
  • механической обработки заготовок до размеров изделий.

Кокс дробят до величин кусков 30—40 мм, затем прокаливают в специальных прокалочных печах при 1300 °C. При прокаливании достигается термическая стабильность кокса, уменьшается содержание в нём летучих веществ, увеличиваются его плотность, электро- и теплопроводность. После прокаливания кокс размалывают до необходимой крупности. Порошки кокса дозируют и смешивают с пеком в смесильных машинах при 90—130 °C.

В смесильную машину вначале загружают сухие компоненты, а затем добавляют жидкий пек. После смешивания массу равномерно охлаждают до температуры прессования (80—100 °C). Заготовки прессуют или методом выдавливания массы через мундштук, или в пресс-форме. При прессовании холодных порошков изменяют технологию подготовки помола и смешения.

Для карбонизации связующего и скрепления отдельных зёрен в монолитный материал заготовки обжигают в многокамерных газовых печах при температуре 800—1200 °C. Продолжительность цикла обжига (нагрев и охлаждение) составляет 3—5 недель в зависимости от размера и плотности заготовок. Графитация — окончательная термическая обработка — превращает углеродный материал в графит. Графитацию проводят в печах сопротивления Ачесона или в печах прямого нагрева Кастнера при температурах 2400—3000 °C. При графитировании углеродистых нефтяных заготовок идет процесс укрупнения кристаллов углерода. Из мелкокристаллического «аморфного» углерода получается крупнокристаллический графит, атомная решетка которого ничем не отличается от атомной решетки природного графита.

Некоторые изменения технологического процесса получения искусственного графита зависят от требуемых свойств конечного материала. Так, для получения более плотного материала углеродные заготовки пропитывают (после обжига) в автоклавах один или несколько раз пеком с последующим обжигом после каждой пропитки и графитацией в конце всего технологического процесса. Для получения особо чистых материалов графитацию проводят одновременно с газовой очисткой в атмосфере хлора.

Переработка графита для получения композиционных материалов[править | править код]

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают следующих марок: обожженный антифрикционный материал марки АО, графитированный антифрикционный материал марки АГ, антифрикционные материалы, пропитанные баббитом, оловом и свинцом марок АО-1500Б83, АО 1500СО5, АГ-1500Б83, АГ-1500СО5, Нигран, Химанит и графитопластовые материалы марок АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают из непрокаленного нефтяного кокса, каменноугольного пека с добавкой природного графита. Для получения плотного непроницаемого антифрикционного материала применяют пропитку его металлами. Таким методом получают антифрикционные материалы марок АГ-1500 83, АГ-1500СО5 АМГ-600Б83, АМГ-600СО5 и им подобные. Допустимая рабочая температура на воздухе и в газовых средах, содержащих кислород для АО — 250—300 °C, для АГ — 300 °C (в восстановительных и нейтральных средах 1500 и 2500 °C соответственно). Углеродные антифрикционные материалы химически стойки во многих агрессивных газовых и жидких средах. Они стойки почти во всех кислотах (до температуры кипения кислоты), в растворах солей, во всех органических растворителях и ограниченно стойки в концентрированных растворах едких щелочей.

Графит как золотосодержащее сырьё[править | править код]

Содержание найденного с помощью ионной масс-спектрометрии золота до десятков раз превышает содержание, выявляемое ранее при помощи химического анализа. В изученных российскими учёными пробах графита содержание золота было до 17,8 г/т — это уровень богатых золотых приисков.О перспективности добычи золота из графитовых руд говорит то, что графитовые месторождения данного типа (позднедокембрийского-раннепалеозойского возраста) широко распространены и в России, и в мире. Они есть в Европе, США, Австралии, Африке — в сущности, легче перечислить где их нет. При этом практически все они когда-то разрабатывались, а сегодня находятся в хорошо обжитых местах, с развитой инфраструктурой, в том числе промышленной. Следовательно, для запуска добычи в них золота и других благородных металлов не нужно затевать стройку на пустом месте, не нужно бороться с суровыми условиями заполярной тундры или пустыни. Это облегчает, ускоряет, а главное, удешевляет производство[9].

Происхождение и нахождение

Широко распространенный минерал, образующий местами крупные скопления. Возникает при высоких температурах — при кристаллизации магмы, при образовании жильных месторождений и при процессах метаморфизма.

Интересные факты

Графит обладает высоким диамагнетизмом[2]

Литература[править | править код]

  • Графит / Р. В. Лобзова // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  • Яковлев В. А. Графит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20th ed. ISBN 0-471-80580-7
  • Бетехтин А. Г. Группа углерода // Курс минералогии: учебное пособие. — М.: КДУ, 2007. — С. 185. — 721 с.
  • Веселовский В. С. Графит. — 2 изд.. — М.: Металлургия, 1960. — 180 с.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...