Графите

Графит — это минерал, одна из аллотропных модификаций углерода, характеризующаяся слоистой кристаллической решёткой. В природных условиях образуется в результате метаморфизма осадочных пород, богатых органическим веществом. Является наиболее стабильной формой углерода в условиях земной коры, обладает электропроводностью, теплостойкостью и способностью оставлять след на бумаге, что обусловило его широкое применение в промышленности и технике.

Физико-химические свойства

Кристаллическая структура

Графит имеет гексагональную кристаллическую решётку. Атомы углерода в каждом слое расположены в вершинах правильных шестиугольников и связаны прочными ковалентными связями (длина связи около 0,142 нм). Слои, в свою очередь, удерживаются друг относительно друга слабыми вандерваальсовыми силами (расстояние между слоями около 0,335 нм). Такое строение обуславливает анизотропию свойств: вдоль слоёв графит обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, а перпендикулярно слоям — низкой. Слабость межслоевых связей обеспечивает низкую твёрдость (1–2 по шкале Мооса) и способность к расщеплению на тонкие чешуйки.

Физические параметры

• Плотность: 2,1–2,3 г/см³ (в зависимости от степени кристалличности и примесей).
• Температура плавления: при нормальном давлении не плавится, а возгоняется (сублимирует) при температуре около 3700 °C. Плавление возможно только при высоком давлении (свыше 100 атм).
• Электропроводность: удельное электрическое сопротивление вдоль слоёв составляет 3–5·10⁻⁵ Ом·м, что сравнимо с полуметаллами. Электропроводность обусловлена наличием свободных электронов в π-связях.
• Теплопроводность: вдоль слоёв — около 200–500 Вт/(м·К), перпендикулярно — 5–10 Вт/(м·К).
• Смазывающие свойства: низкий коэффициент трения (0,05–0,15) в паре со сталью, что связано с лёгким скольжением слоёв друг относительно друга.

Химическая стойкость

Графит химически инертен при комнатной температуре. При нагревании до 600–700 °C на воздухе окисляется до углекислого газа. Устойчив к действию большинства кислот и щелочей, но реагирует с расплавами металлов (образуя карбиды) и с сильными окислителями (например, с концентрированной серной кислотой в присутствии окислителей — образуются соединения включения).

Разновидности и классификация

По происхождению

• Природный графит — образуется в земной коре. Основные типы месторождений:
• Кристаллический (чешуйчатый) — встречается в метаморфических породах (гнейсах, сланцах). Чешуйки размером от 0,1 до 10 мм.
• Скрытокристаллический (аморфный) — состоит из микроскопических кристаллов, образуется при метаморфизме углей. Содержание углерода ниже (75–85 %).
• Жильный (коксовый) — заполняет трещины в породах, образуется из углеродистых флюидов.
• Искусственный графит — получают из углеродсодержащего сырья (кокса, антрацита) путём высокотемпературной обработки (графитации) при 2500–3000 °C в инертной атмосфере. Используется для электродов, тиглей, ядерных реакторов.

По размеру кристаллов

• Крупночешуйчатый (размер чешуек более 0,3 мм) — ценится для производства огнеупоров и смазок.
• Мелкочешуйчатый (0,1–0,3 мм) — применяется в литейном производстве.
• Скрытокристаллический (менее 0,1 мм) — используется в карандашах, красках.

История и происхождение

Название «графит» происходит от др.-греч. γράφω (gráphō) — «пишу», что связано с его способностью оставлять след на бумаге. Впервые термин ввёл немецкий геолог Абраам Готлоб Вернер в 1789 году. До этого графит часто путали с молибденитом и свинцовым блеском.

Первое промышленное применение графита в Европе относится к XVI веку, когда в Англии (графство Камберленд) были открыты месторождения чистого графита, использовавшегося для изготовления карандашей. В России добыча графита началась в XIX веке на Урале (Боевское месторождение) и в Восточной Сибири (Курейское месторождение).

Месторождения и добыча

Крупнейшие мировые запасы природного графита сосредоточены в Китае (около 70 % мировой добычи), Бразилии, Индии, на Мадагаскаре, в Канаде и России. В России основными центрами добычи являются:

• Курейское месторождение (Красноярский край) — крупнейшее в России, разрабатывается с 1930-х годов.
• Боевское месторождение (Челябинская область) — чешуйчатый графит.
• Тайгинское месторождение (Кемеровская область) — скрытокристаллический графит.

Добыча ведётся открытым (карьерным) и подземным способами. После извлечения руда подвергается обогащению (флотации, гравитации, магнитной сепарации) для повышения содержания углерода до 90–99 %.

Применение

Электротехника и металлургия

• Электроды для дуговых сталеплавильных печей и электролизёров. Искусственный графит используется в виде графитированных электродов.
• Тигли для плавки цветных металлов и сплавов, устойчивые к высоким температурам.
• Футеровка доменных печей и конвертеров (в составе огнеупорных масс).

Смазочные материалы

Графит применяется в качестве твёрдой смазки в узлах трения, работающих при высоких температурах (до 500 °C) и в агрессивных средах. Входит в состав графитовых смазок (например, «графитовая смазка» ГОСТ 3333-80).

Карандаши

Смесь графита с глиной используется для изготовления грифелей карандашей. Соотношение компонентов определяет твёрдость: больше глины — твёрже грифель (H), больше графита — мягче (B).

Ядерная энергетика

Графит высокой чистоты (с содержанием бора менее 1 ppm) применяется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах (например, РБМК — реактор большой мощности канальный). При облучении нейтронами графит накапливает энергию (эффект Вигнера), что требует периодического отжига.

Химическая промышленность

• Теплообменники и абсорберы из графита, устойчивые к коррозии.
• Электроды для электрохимических процессов (хлорное производство).
• Сорбенты — активированный графит используется для очистки газов и жидкостей.

Новые технологии

• Графен — монослой графита, получаемый методом механического расщепления или химического осаждения из газовой фазы. Обладает уникальными электронными и механическими свойствами.
• Литий-ионные аккумуляторы — графит используется как анодный материал благодаря способности интеркалировать ионы лития.
• Композитные материалы — графит добавляют в полимеры и металлы для повышения теплопроводности и снижения трения.

Интересные факты

• В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили графен, используя обычный канцелярский скотч для расщепления графита. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.
• Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. При высоком давлении (свыше 50 кбар) и температуре (около 1500 °C) графит может превращаться в алмаз; этот процесс используется в промышленном синтезе алмазов.
• Графит является полуметаллом: его зонная структура имеет перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что обеспечивает электропроводность, но меньшую, чем у типичных металлов.
• В природе графит часто содержит примеси кварца, пирита, слюды, которые удаляются при обогащении.

Источники

• «Минералогия» / под ред. А. Г. Бетехтина. — М.: Недра, 1975.
• «Графит: свойства, месторождения, переработка» / М. П. Лебедев, В. И. Павлов. — М.: Металлургия, 1987.
• «Углеродные материалы» / В. С. Островский, В. М. Самойлов. — М.: Химия, 1985.
• ГОСТ 4404-78 «Графит. Технические условия».
• «Графен: свойства и применение» / К. С. Новосёлов, А. К. Гейм // Успехи физических наук, 2010.