что такое графит в химии

Графит

Графит — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллического графита, образовавшегося при метаморфизме углей.

СТРУКТУРА

Гексагональная кристаллическая полиморфная (аллотропная) модификация чистого углерода, наиболее устойчивая в условиях земной коры. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный вид симметрии), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический в.с.). Кристаллическая решетка графита — слоистого типа. В слоях атомы С расположены в узлах гексагональных ячеек слоя. Каждый атом С окружен тремя соседними с расстоянием 1,42Α

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.

СВОЙСТВА

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится 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 278,4 до 2435 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.

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.

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.

МОРФОЛОГИЯ

Хорошо 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).

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.
Сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель.

ПРИМЕНЕНИЕ

Для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.
Применяется в электродах, нагревательных элементах — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).
Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений, твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках, наполнитель пластмасс.

Является замедлителем нейтронов в ядерных реакторах, компонентом состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
Используется для получения синтетических алмазов, в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт, для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.

Источник

Графит свойства

Помимо широко распространенных в природе соединений с кислородом (карбонатов) и водородом (углеводородов) углерод присутствует в самородном виде, образуя две полиморфные разновидности — графит и алмаз, идентичные по своему составу, но резко отличающиеся по структуре и физическим свойствам.

Синонимы:
Пломбагин (де Лиль, 1783), черный свинец, меланграфит (Хайдингер, 1845), графитоид (Зауер, 1885), графитит (Люци, 1891).

Происхождение названия

Графит известен с древних времен, назван от греческого «графо» — пишу (Вернер, 1789).

Графит

Формула графита

Разновидности графита

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.

Кристаллографическая характеристика

Сингония гексагональная.

Класс гексагонально-дипирамидальный.

Кристаллическая структура. Структура слоистого типа. В бесконечной плоской сетке каждая петля представляет шестиугольник бензольного типа; около каждого атома С имеются три соседних на таком же расстоянии. Параллельные сетки отстоят друг от друга на значительном расстоянии. На период с приходятся две такие взаимно параллельные сетки, которые взаимно смещены так, что над центром шестиугольника нижней сетки находится узел верхней сетки. Ввиду слабой связи между сетками эта закономерность строения решетки графита часто нарушается, и по отношению к центру шестиугольника одного слоя верхний и нижний слои располагаются так, что тройки лучей С — С, находящиеся над и под осью среднего кольца, взаимно повернуты на 180°. Если такое нарушение строения решетки графита проявляется в большом масштабе, то говорят о ромбоэдрической (трехслойной) модификации графита. Возможны и другие нарушения в чередовании слоев. Наличие в решетке подвижных электронов обусловливает ряд свойств графита, приближающихся к свойствам металлов: цвет, блеск, электро- и теплопроводность, кислотоупорность и т. п. Различие связей в решетке в направлении слоистости и перпендикулярно к нему вызывает резко выраженную анизотропию твердости, электропроводности, магнитных, оптических и других свойств.

Главные формы: Кристаллы таблитчатые по (0001), несовершенные; образуют шестиугольные пластинки с развитыми гранями (h0hl) при отсутствии или подчиненном значении (hh2hl). Наиболее обычны формы: с, r, о, q, р.
На гранях наблюдается штриховка.

Форма нахождения в природе

Облик кристаллов. Кристаллы редки. Графит образует мелкие пластинчатые (шестиугольные) кристаллы.

Двойники по (1121) образуются в результате действия давления, проявляются на (0001) в виде тригональной или гексагональной штриховки; редки двойники вокруг [0001 ] с поворотом на 30° (90°). Наблюдались ориентированные срастания с биотитом.

Агрегаты. Отдельные мелкие чешуйки и пластинки, сферические конкреции радиально-лучистого, реже концентрического строения, агрегаты чешуек различной величины, иногда землистый.

Физические свойства

Механические

Химические свойства

Химическая стойкость. Кислотоупорен. В полированных шлифах графит ни одним из стандартных реактивов не травится.
При нагревании с дымящей HNO₃ чешуйчатый графит вспучивается (реакция Броди). При длительном нагревании в смеси дымящей HNO₃ с бертолетовой солью (KClO₃) образуется графитовая кислота. На основе некоторого различия в отношении к HNO₃ и KNO₃ было предложено (Люди 1891) различать две разности — α и β.

Прочие свойства

Коэффициент трения очень низкий, с чем связаны «жирность» на ощупь и применение в качестве смазочного материала.

Хороший проводник электричества. Электропроводность резко убывает при повышении температуры (Датэ) и возрастает с увеличением влажности и содержания летучих (Вада). Сильно выражена анизотропия магнитных свойств.

Искусственное получение

В электрических печах при температурах выше 2200° графит получается из антрацита и из аморфного углерода (ачесоновский графит). Выделяется при раскристаллизации металлов, особенно в сером чугуне. В виде шестиугольных пластинок был получен из силикатного расплава с примесью сажи и флюорита. Образуется из алмаза при нагревании в вакууме при

2000°; при этом [0001] графита ориентируется параллельно [111] алмаза. Может быть получен при низком давлении и при температуре до 1000° в результате раскисления СО ₂ и СО, образующихся при диссоциации СаСО ₃ (опыты Олинга, Винчела и Фрауэнфельдера, по Шапиро).

Диагностические признаки

Характерны цвет, жирность на ощупь, низкая твердость, мягкость (пишет на бумаге), пачкает пальцы. кислотоупорность.

Мелкие чешуйки от очень сходного молибденита отличаются более темным цветом и менее сильным блеском. В отражательном свете по характеру двуотражения и анизотропии определяется легко. Может быть принят лишь за молибденит (отличается коричневатым оттенком и низкой отражательной способностью — Re), за валлериит и тенорит, отличающиеся по парагенезису; валлериит, кроме того, характеризуется высокой отражательной способностью, тенорит — меньшим двуотражением. Изотропный скрытокристаллический графит в очень мелких выделениях трудно отличим от сульванита, отражательная способность которого, однако, выше средней отражательной способности графита.
Межплоскостные расстояния графита (по Михееву) Fe-антикатод, D = 140,00 мм

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.

Месторождения

Образование скоплений графита в магматических породах связано с ассимиляцией магмой известняков, битуминозных или углистых пород. Некоторые месторождения этой группы имеют промышленное значение. Наиболее известным среди них является Ботогольское (Алиберовское) месторождение в Бурятии, в котором графит образует штоки, гнезда, жилообразные тела и рассеянные выделения среди сиенитов по близости от известняков. Спутники графита — микроклин, эгирин-авгит, альбит, кальцит, сфен и др. В Черемшанском месторождении (Ильменские горы в Челябинской обл.) графит наблюдается в граните в виде сферолитов, гнезд и неправильных выделений. Выделения графита среди гранитов установлены также в округе Клей (шт. Алабама, США). В Овифаке (Зап. Гренландия) графит обнаружен в базальтах вместе с самородным железом, на Гарце (Германия) — в порфирах, порфиритах и габбро, в Малаге (Испания)—среди серпентинита и диорит-порфирита, в Новом Южном Уэльсе (Австралия)—в фельзитах, слагающих дайку. Выделения графита, частью имеющие практическое значение, наблюдаются во многих пегматитовых жилах (графитоносные пегматиты Украины, Таджикистана, Бразилии, Индии, Гренландии, США, Италии, Канады и других стран).
Из высокотемпературных жильных месторождений графита наибольшей известностью пользуются месторождения Цейлона, имеющие большое промышленное значение. Графитовые жилы здесь залегают главным образом среди гнейсов; они состоят почти нацело из графита или содержат наряду с ним пирит, титаномагнетит, кварц, биотит, ортоклаз, апатит, ортит, рутил, цеолиты, кальцит и другие минералы. Шильные месторождения графита такого же типа имеются в Канаде (пров. Квебек), США (шт. Монтана), в Англии (Камберленд) и в других странах.
Отмечается наличие графита в некоторых кварцевых жилах с вольфрамитом, в некоторых золотоносных кварцевых жилах, среднетемпературных гидротермальных свинцово-цинковых месторождениях и др.
В скарновых месторождениях графит наблюдается в ассоциации с гранатом, везувианом, диопсидом, волластонитом, тремолитом, скаполитом, кальцитом, апатитом и другими минералами; некоторые месторождения этой группы являются промышленными. Таковы месторождения Канады — Луиза (пров. Квебек) и Порт-Элнслей (пров. Онтарио). В месторождении Тас-Казган (Узбекистан) графит приурочен к контакту габбро-норитов с битуминозными породами.

Графит широко развит в метаморфических породах, гнейсах и сланцах, в виде отдельных рассеянных чешуек, скоплений, линзовидных и пластовых залежей. Образуется в результате глубокой метаморфизации древних осадочных пород, первоначально содержавших значительные количества органических остатков (битуминозных), или карбонатных отложений. Таковы широко развитые чешуйчатые выделения в гнейсах и сланцах Украины — результат интенсивной метаморфизации древних кристаллических пород, возможно, при участии летучих (месторождения Старо- Крымское, Завьяловское и др.), Союзное месторождение на Малом Хингане в Амурской обл., Тайгинское и Мурзинское месторождения Свердловской обл., богатые месторождения в гнейсах около Пассау (Германия), в метаморфизованных известняках Паргаса в Финляндии, Эшленд в шт. Алабама (США), крупные месторождения чешуйчатого графита на Мадагаскаре и др.
Широко развиты месторождения скрытокристаллического графита, связанные с метаморфизацией каменных углей. В соответствии с различными условиями метаморфизма степень метаморфизации углей различна. Графит образует прослойки, пласты и пластовые залежи. Под влиянием контактного воздействия траппов на угольные пласты образовались, например, крупные залежи западной части Тунгусского угольного бассейна (Красноярский край), состоящие из мельчайших выделений графита с примесью пирита, кальцита, небольших количеств апатита, рутила, магнетита и др. С метаморфизмом каменных углей связано также образование некоторых графитовых месторождений Урала (Боевское, Полтавское, Брединское, Фадинское Челябинской обл.). Тонкодисперсный графит, выявляемый лишь рентгеновским анализом, содержится во многих ископаемых каменных углях.
Графит содержится в некоторых элювиальных, реже в аллювиальных россыпях, образующихся при выветривании графитсодержащих пород.
В сублиматах вулкана Билюкай на Камчатке графит в виде налета на нашатыре образовался, вероятно, в результате действия лавового потока на растительность (по устному сообщению Набоко). Отмечается наличие графита в каменных и железных метеоритах.
Неясен генезис пленок графита на кристаллах алмаза в южноафриканских месторождениях.

Завальевское месторождение чешуйчатого графита

Многочисленные промышленные залеж и чешуйчатого графита Украинской графитоносной провинции связаны с архейскими образованиями тетерево-бугской серии в составе Украинского кристаллического массива. Эта серия сложена сильно дислоцированными амфиболитами, амфиболовыми, плагиоклазовыми, пироксеновыми, силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцитами и кристаллическими известняками, перемежающимися с графитистыми биотитовыми, серицитовыми, биотит-хлоритовыми и хлоритовыми гнейсами, имеющими нередко промышленное значение. В пределах провинции выделяют три рудных района: Прибугский (по рекам Тетерев и Буг), Криворожский (по р. Ингулец) и Приазовский (вдоль побережья Азовского моря). Все месторождения провинции имеют большую промышленную ценность благодаря высокому качеству графита, большим масштабам оруденения, легкости о богащения руд и возможности открытой разработки.

Продуктивная толщ а графитоносных биотит-хлоритовых и полевошпат-гранатовых гнейсов состоит из нескольких (1—5) графитсодержащих горизонтов, разделенных безрудными гнейсами. Мощность этих горизонтов варьирует от 3,5 до 70 м, а протяж енность составляет сотни метров; в них по данным опробования оконтуриваются промышленные рудные тела пластовой и линзовидной формы, сложенные вкрапленными рудами. Графит в этих телах крупночешуйчатый (размером от 0,1 до 1—2 мм) со средним содержанием 6— 10%. Иногда чешуйки графита объединяются в пятнистые скопления — агрегаты. Помимо графита в составе руд присутствуют кварц, калиевый полевой шпат, плагиоклаз, а так ж е небольшие количества биотита, хлорита, граната,
кальцита, апатита, циркона и пирита.

Практическое применение

Графит имеет очень разнообразное применение, основанное на его «жирности», кислотоупорности, огнестойкости, электропроводности. Идет на изготовление тиглей для плавки стали и цветных металлов (около 65—70% общего потребления), широко применяется в электротехнике (для изготовления электродов), как смазочный материал, при производстве красок, карандашей и др. Наиболее ценным считается кристаллический графит; скрытокристаллические разности употребляются лишь в литейном деле, как наиболее дешевое сырье.

Источник

Графит

Графит
Формула	C (углерод)
Сингония	Гексагональная (планаксиальная)
Цвет	Серый, чёрный стальной
Цвет черты	Чёрная
Блеск	Металловидный
Прозрачность	Непрозрачный
Твёрдость	1—2
Спайность	Совершенная по
Плотность	2,09—2,23 г/см³