Графит
Общие сведения
Графит представляет собой аллотропную модификацию углерода, характеризующуюся выраженной слоистой структурой. Химический состав минерала полностью идентичен алмазу и представляет собой чистый углерод, однако радикальные отличия во внутреннем строении кристаллической решетки обуславливают совершенно иные физико-химические свойства. Данный материал известен человечеству с древнейших времен. Археологические исследования показывают, что еще за четыре тысячи лет до нашей эры графит применялся в гончарном деле для раскрашивания глиняной посуды. В исторической ретроспективе из-за внешнего сходства графит длительное время путали со свинцом. Это заблуждение нашло отражение в терминологии многих языков, где материал именовался черным свинцом, вплоть до окончательного установления его истинной химической природы.
Свойства и характеристики
Минерал имеет темно-серый цвет с выраженным металлическим блеском, он неплавок и обладает характерной жирностью на ощупь. Отличительной физической чертой является крайне низкая твердость, составляющая всего единицу по шкале Мооса, тогда как алмаз имеет максимальный показатель равный десяти. Материал является весьма хрупким, при механическом трении легко расслаивается на отдельные чешуйки, хотя после воздействия экстремально высоких температур его твердость может незначительно возрастать. При температуре 4200 кельвинов вещество закипает, переходя в газообразное состояние. Тепловое расширение графита имеет специфическую динамику: до температуры 700 кельвинов коэффициент теплового расширения является отрицательным, что приводит к сжатию материала при нагревании, а при превышении этого порога показатель становится положительным. Электрическая проводимость монокристалла графита отличается анизотропностью. В магнитном отношении монокристаллы являются диамагнетиками и демонстрируют лишь незначительную магнитную восприимчивость в базовой плоскости. В химическом плане графит способен гореть, выделяя 7832 килокалории энергии на один килограмм массы при сжигании, и окисляться кислородом до состояния углекислого газа. Вещество не растворяется в неокисляющих кислотах, но способно вступать в реакции с галогенами, например, со фтором с образованием фторидов углерода, а также формировать соединения включения со щелочными металлами и различными солями. Внутренняя структура образована прочными ковалентными связями, где каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами. Выделяют две основные кристаллические модификации: гексагональную альфа-фазу и ромбоэдрическую бета-фазу. В структуре альфа-графита половина атомов каждого слоя располагается строго над и под центрами шестиугольников соседних слоев. В бета-графите каждый четвертый слой повторяет пространственное расположение первого. Ромбоэдрическая модификация нестабильна в химически чистом виде, но может присутствовать в природных кристаллах в объеме до тридцати процентов, полностью переходя в классическую гексагональную форму при нагревании в температурном диапазоне от 2500 до 3300 кельвинов.
Нахождение в природе
В естественной геологической среде минерал образуется при высоких температурах в вулканических и магматических горных породах. В природе чистый углерод в виде графита широко распространен в метаморфических породах, кристаллических сланцах, гнейсах, а также встречается в виде включений в кварцевых жилах. Зачастую он залегает в тесной ассоциации с такими минералами, как кварц, каолин, шпинель и биотит. Природный минерал обычно содержит от десяти до двенадцати процентов примесей, преимущественно включающих различные глины и оксиды железа. Крупные промышленные залежи могут формироваться в результате геологических процессов пиролиза каменного угля, что характерно, например, для Тунгусского каменноугольного бассейна. В научной среде также рассматривается гипотеза о том, что некоторые графитосодержащие руды могут включать в свой состав значительные концентрации золота, однако данная теория требует дополнительных геологических изысканий.
Получение
Товарные сорта природного графита получают путем механического и физико-химического обогащения добытых графитовых руд, что позволяет выделять концентраты различной степени очистки в зависимости от требований к итоговой марке продукта. Помимо добычи природного сырья, в промышленности широко развернуто производство искусственного графита. Основным методом синтеза является глубокая переработка нефтяного кокса с добавлением природного графита и сажи. Многоэтапный технологический процесс включает первоначальную подготовку кокса и связующего компонента, в качестве которого традиционно выступает каменноугольный пек. Затем базовые компоненты смешиваются в гомогенную углеродную массу, из которой в глухой матрице формируются необожженные заготовки. На последующих стадиях эти заготовки проходят высокотемпературный обжиг, процесс графитизации и финишную механическую обработку до требуемых геометрических размеров. Существуют и другие химические технологии синтеза, позволяющие получать пиролитический или доменный графит, а также синтезировать материал посредством термического разложения карбидов. Отдельным технологическим направлением является производство терморасширенного графита, который получают путем контролируемого окисления кристаллического минерала с использованием комплекса специализированных присадок. Композиционные антифрикционные углеродные материалы изготавливают из определенных марок графита с последующей пропиткой структуры различными металлами, в том числе баббитом, оловом или свинцом.
Применение
Благодаря выдающейся температурной и химической стойкости в условиях отсутствия кислорода, материал массово применяется для изготовления плавильных тиглей, предназначенных для работы с расплавленными металлами. Высокая электропроводность в сочетании с химической инертностью обуславливает использование графита в производстве нагревательных элементов, токосъемников, контактных щеток для электрических машин и промышленных электродов. Использование графитовых электродов имеет критическое значение в цветной металлургии, в частности при электролитическом производстве алюминия, где образующийся на электроде углекислый газ самостоятельно отводится из рабочего объема электролизера, обеспечивая непрерывное течение реакции. Материал выступает базовым компонентом в производстве современных аккумуляторных батарей, что делает его стратегически важным ресурсом для развития мирового электротранспорта. В химической промышленности графит востребован как функциональный наполнитель для пластмасс, основа для специализированных смазочных материалов и токопроводящих клеевых составов. В ядерной энергетике очищенное вещество выполняет функцию эффективного замедлителя нейтронов. В аэрокосмической отрасли графитовые композиты применяются для создания систем тепловой защиты носовых частей баллистических ракет и внешней обшивки космических аппаратов. Также данный углеродный материал служит исходным химическим сырьем для промышленного синтеза искусственных алмазов. В сфере товаров повседневного спроса графит традиционно используется в производстве стержней канцелярских карандашей, где для достижения необходимых эксплуатационных характеристик его смешивают с каолином.