Графит — минерал и промышленное сырьё¶

Графит — минерал, аллотропная форма углерода, в которой атомы образуют плоские шестиугольные решётки, слабо связанные между собой; один из трёх природных аллотропных модификаций углерода наряду с алмазом и фуллеренами. Химическая формула — C. Твёрдость по шкале Мооса 1—2, плотность 2,09—2,23 г/см³, цвет чёрный с металлическим блеском. Графит обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, химически инертен, устойчив к высоким температурам в вакууме и инертных газах. Широко применяется как конструкционный, огнеупорный и электротехнический материал, а также как сырьё для получения искусственного графита и графена.

¶Структура и свойства

Атомы углерода в графите расположены в плоских слоях (графеновых листах), где каждый атом связан с тремя соседями в плоскости — гибридизация sp². Расстояние между атомами в слое составляет около 1,42 Å, между слоями — 3,35 Å. Слои удерживаются слабыми дисперсионными силами, поэтому легко скользят друг относительно друга — отсюда характерная мягкость и способность оставлять след на бумаге.

Ключевые свойства:

• Электропроводность — металлического типа вдоль слоёв, полупроводниковая поперёк;
• Термостойкость — в инертной среде графит не плавится, а возгоняется при температурах свыше 3500 °C;
• Химическая инертность — устойчив к кислотам и щелочам, кроме расплавов и концентрированных окислителей;
• Смазывающая способность — обеспечивается послойным скольжением;
• Антиадгезионные свойства — графит не смачивается расплавленными металлами.

¶Природные месторождения

Графит образуется в результате метаморфизма углеродсодержащих пород, при магматических процессах, а также при восстановлении углекислого газа горячими водами. Крупнейшие в мире месторождения расположены в Китае, Бразилии, Мадагаскаре, Индии, Шри-Ланке и Германии. В России графит добывается на месторождениях в Свердловской области (Таежное, Куртамышское), в Красноярском крае и в Забайкалье. Запасы России оцениваются в сотни миллионов тонн, однако доля отечественной добычи в мировом производстве невелика, а значительная часть потребности покрывается импортом, прежде всего из Китая.

¶Добыча и производство

Природный графит извлекают из руд открытым или подземным способом, после чего обогащают флотацией. По степени кристалличности различают:

• Ламеллярный (природный крупнокристаллический) — высокая кристалличность, используется для электродов и огнеупоров;
• Аморфный (плотный, мелкокристаллический) — применяется в огнеупорной и химической промышленности.

Искусственный (электротехнический) графит получают из нефтяного кокса или каменного угля: шихту нагревают до 2500—3000 °C в электропечях. Этот материал обладает более однородной структурой и предсказуемыми свойствами, поэтому используется там, где требуется высокая точность — электроды для сталеплавильных печей, детали для атомной промышленности, теплоотводящие элементы.

¶Применение

Особое место занимает графит как сырьё для получения графена — одноатомного углеродного слоя, открытого в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым (Нобелевская премия по физике, 2010). Метод «скотч-ленты» — механическое отслаивание графитовых слоёв — стал основой современной нанотехнологической индустрии.

¶Синтетические аналоги

Искусственный графит, получаемый из углеродных прекурсоров, по многим свойствам превосходит природный: он более чистый, изотропный и устойчивый к термоударам. В России производство синтетического графита развито на предприятиях в Подмосковье и Свердловской области, где выпускают электроды, аноды и конструкционные детали для энергетики и металлургии.

Графитовые композиты — материалы на основе графита и связующего — применяются в авиации и ракетостроении благодаря сочетанию лёгкости, прочности и жаропрочности.

¶Интересные факты

• Графит и алмаз состоят из одного элемента, но имеют разную кристаллическую решётку и свойства — классический пример аллотропии.
• В природе графит встречается в виде чёрных блестящих кристаллов, зёрен и плотных скоплений; сорт «чёрный графит» из Шри-Ланки веками использовался для рисования.
• Название «графит» происходит от греческого γράφειν — «писать».
• Графитовые электроды для сталеплавильных печей — один из крупнейших сегментов мирового графитового рынка.

¶Источники

• Геологический словарь. — М.: Недра.
• Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации».
• Минералогия: учебное пособие. — М.: Академический проект.
• Справочник по физическим свойствам минералов.