Всем известны такие вещества, как графит и алмаз. Графит встречается повсюду. Например, из него делают стержни для простых карандашей. Графит - это вещество вполне доступное и дешевое. Но такое вещество, как алмаз, крайне отличается от графита. Алмаз - это самый дорогой камень, очень редкий и прозрачный, в отличие от графита. В это трудно поверить, но химическая формула графита совпадает с формулой алмаза. В данной статье мы разберем, как такое возможно.
Графит: история и свойства минерала
История графита насчитывает тысячи лет, поэтому точный год начала его применения установить крайне трудно. Графит знаменит тем, что хорошо проводит электрический ток. Кроме того, этот минерал является очень хрупким. Поэтому из него делают стержни для карандашей.
К химическим свойствам минерала можно отнести образование соединений включения со многими веществами, такими как соли и Минерал не растворяется в кислотах.
Формула графита - C, то есть он является одной из знаменитого шестого элемента таблицы Менделеева - углерода.
Алмаз: история и свойства минерала
История алмаза очень необычна. Считается, что первый алмаз был найден в Индии. В то время человечество так и не смогло понять всю силу этого камня. Геологам было лишь известно, что этот камень очень твердый и прочный. До 15 века алмазы стоили намного меньше, чем изумруды и рубины. И только потом неизвестный ювелир в процессе работы с камнем придал ему красивую огранку, которую позже стали называть бриллиантовой. Вот тогда-то камень и показал себя во всей своей красе.
Главным образом алмазы используют в промышленности. Этот минерал самый прочный на всем свете, именно поэтому из него делают абразивы, резцы для обработки прочных металлов и многое другое.
Как нам уже известно, формула графита в химии - C, такую же формулу имеет и алмаз.
Различия между алмазом и графитом
Несмотря на то что минералы имеют схожие химические формулы, они резко отличаются друг от друга как внешним видом, так и с химической точки зрения.
Прежде всего, алмаз и графит имеют совершенно различную друг от друга структуру. Ведь графит состоит из сетки шестиугольников, тогда как алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру. Хрупкость графита обуславливается тем, что связь между его слоями нарушить очень легко, его атомы спокойно отделяются друг от друга. Из-за этого графит легко поглощает свет, сам он очень темный, в отличие от алмаза.
Отличается тем, что один атом углерода окружен еще четырьмя атомами в виде четырехгранного треугольника или пирамиды. Каждый атом находится на одинаковом расстоянии друг от друга. Связь у атомов очень крепкая, именно поэтому алмаз является таким твердым и прочным. Еще одно свойство алмаза - это то, что он может проводить свет, в отличие от графита.
Странно ли, что формула графита совпадает с формулой алмаза, но при этом минералы совершенно разные? Нет! Ведь алмаз создается природой при огромном давлении, а затем очень быстром охлаждении, тогда как графит возникает при низком давлении, но очень высокой температуре.
вещества?
Аллотропные вещества - это очень важное понятие в химии. Это основа основ, которая позволяет отличать вещества друг от друга.
В школе аллотропные вещества изучают на примере графита и алмаза, а также их различии. Итак, изучив различия алмаза и графита, можно сделать вывод, что аллотропия - это существование в природе двух и более веществ, которые различаются по своему строению и свойствам, но имеют схожую химическую формулу или относятся к одному химическому элементу.
Получение алмаза из графита
Формула графита - C - позволила ученым произвести множество опытов, вследствие чего были найдены аллотропные вещества графита.
Преподаватели рассказывают и школьникам, и студентам о том, как ученые пытались создать алмазы из графита. Эта история очень интересная и увлекательная, а еще она позволяет запомнить о существовании таких аллотропных веществ, как графит и алмаз, и об их различиях.
Некоторое время назад ученые пытались создать алмазы из графита. Они считали, что если формула алмаза и графита одинакова, то они смогут создать алмаз, ведь камень очень дорогой и редкий. Теперь мы знаем, что минерал алмаз появляется в природе при высоком давлении и мгновенном охлаждении. Поэтому ученые решили взорвать ѓрафит, тем самым создав нужные условия для образования алмаза. И на самом деле случилось чудо, после взрыва на графите образовались очень маленькие кристаллы алмаза.
Применение графита и алмаза
На сегодняшний день и графит, и алмаз используют главным образом в промышленности. Но примерно 10 % от всей добычи алмазов идет на ювелирное дело. Чаще всего из графита изготавливают карандаши, так как он очень хрупкий и ломкий, при этом оставляет следы.
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.
Смотрите так же:
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.
Графит (англ. Graphite) — C
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 |
Графит является веществом, которое встречается в природе. Это одна из модификаций углерода, которая характеризуется определенной кристаллической решеткой. Это обуславливает свойства, которыми обладает графит. В природе углерод встречается в двух основных видах. Это графит и алмаз. Их химическая формула идентична, но физические свойства радикально отличаются.
Именно строение кристаллической решетки влияет на эти характеристики. В ней есть свободные электроны, которые определяют физические свойства вещества. Графит, плотность, виды и область применения которого интересны для множества производств, стоит рассмотреть подробнее.
Основные свойства
Графит представляет собой серое вещество с металлическим блеском. Оно обладает высокой теплопроводностью (3,55 Вт/град./см). Благодаря этому графит активно применяют в различных сферах промышленности. Этот показатель выше, чем у кирпича, что объясняется наличием подвижных электронов в кристаллической решетке. Они также содействуют хорошей электропроводимости. Во всех агрегатных состояниях это вещество характеризуется низким сопротивлением току (от 0,4 до 0,6 Ом).
Графит является инертным веществом, которое не растворяется химически активными компонентами. Это возможно только при попадании его в среду расплавленного металла с высокой точкой кипения. Графит в таких условиях расплавляется полностью, образуя карбиды.
Низкий коэффициент трения и высокая точка плавления обуславливают хорошие герметизирующие качества. (кг/м3) составляет 2,23. Но при этом материал хорошо изгибается и режется.
Структура
Рассматривая, какая плотность у графита, а также свойства и виды, необходимо уделить внимание его структуре. Это слоистое вещество. Его атомы углерода выстраиваются в кристаллическую решетку, похожую на соты. Шестиугольники в одном слое плотно прилегают друг к другу. Однако связь между каждым уровнем слаба. Именно эта особенность позволяет легко сломать графит.
Производство очищенного графита осуществляется путем термохимических и термомеханических воздействий. Для каждой отрасли производства изготавливается вещество с определенным набором качеств. Это позволяет удовлетворить потребности промышленности в графите с заданными физическими характеристиками.
Маркировка веществ, созданных искусственно, включает в себя разбивку типов материала по сфере назначения. Различают литейный, электроугольный, аккумуляторный, элементный, смазочный и карандашный графит. Существуют также специальные марки, применяемые в ядерных реакторах.
Сфера применения
При производстве задаются определенные свойства графита. Применение этого вещества полностью зависит от них. Графит используют в металлургии при изготовлении тугоплавких форм или ковшей, емкостей. При литейном процессе порошок из представленного вещества используется в виде смазки. Одной из составляющих огнеупорного кирпича является также графит. Его добавляют в смесь при изготовлении пластмассы.
Для изготовления контактов электроприборов также применяется этот материал. Этому способствуют электропроводные свойства вещества.
Графитовые карандаши известны, пожалуй, каждому человеку. Этот материал также применяется при производстве некоторых видов красок. При этом применяется именно черный (а не серый) графит. Такая краска обладает антикоррозионными качествами.
Из представленного природного минерала получают Их применяют при изготовлении сверхпрочных режущих инструментов. В машиностроении графитовый порошок выступает материалом для подшипников, а также поршневых и уплотнительных колец. В виде смазочного материала он подходит для обработки велосипедных цепей, автомобильных рессор, дверных петель.
Даже в составе многих лекарственных препаратов можно встретить графит.
Применение в пищевой промышленности
Представленное вещество также широко применяется в пищевой промышленности. Для этого при производстве оно подвергается определенной обработке. Плотность железа, этилового спирта, графита и сахара, по понятным причинам, различна. Но представленный материал может как содержать в себе, так и входить в состав некоторых веществ. Он находится в парафинах, эфирах, спирте и даже в сахаре.
В этом можно убедиться, если провести несложный опыт. Сначала нужно взять кусочек сахара. Его кладут на твердую крышку и накрывают колпачком (можно наперстком). Затем металл, которым накрыт сахар, сильно нагревают. Из-под наперстка со временем станет выделяться едкий дым. Если к нему поднести спичку, газ станет гореть.
Когда дым перестанет выделяться, можно снять наперсток. На крышке остается черная масса. Это уголь. Он представляет собой углерод, из которого и состоит графит.
Нахождение в природе
Графит, плотность которого зависит от его чистоты, находится в природе в довольно больших количествах. Ежегодно во всем мире добывается около 600 тыс. т этого вещества. Наибольшие запасы его сосредоточены в Мексике, Чехии, Китае, Украине, Бразилии, России, Канаде и Южной Корее.
С давних времен месторождения графита вызывали интерес человечества. Сегодня эти природные ресурсы разрабатывают с целью обеспечения промышленности материалами с требуемыми качествами. Графит находят в гранитах, известковых породах, слюде или гнейсах в виде волокнистых или кристаллических вкраплений. Добыча выполняется открытым и подземным способами.
Стоимость графита
Графит, плотность и чистота которого влияют на его стоимость, сегодня реализуется по достаточно приемлемым ценам. На это влияет размер его кристаллов, а также содержание углерода. Чем оно выше, тем дороже стоит графит. При достаточно большом содержании углерода повышаются Это ценно для промышленности самых разных отраслей.
Сегодня средняя стоимость графита составляет около 45 руб./кг. Если же его обрабатывали искусственно, стоимость значительно увеличивается. Также цена на природный минерал зависит от расположения месторождения.
Ознакомившись с основными свойствами и характеристиками графита, можно сделать вывод, что от его плотности зависит как стоимость, так и технические качества материала. Поэтому добытый в природе минерал подлежит последующей обработке. Это повышает его качества.
Графит – уникальный самородный минерал, аллотропная модификация элемента углерода, наиболее устойчивая в земной коре. Свойства графита хорошо изучены и находят широкое применение. Образуется графит в результате вулканической деятельности при высоких температурах, поэтому и находят его в природе в магматических горных породах, где содержание кристаллического графита может доходить до 50%. Встречается графит также совместно с вольфрамитом - в кварценосных жилах, совместно с другими минералами – в полиметаллических среднетемпературных месторождениях, а в таких метаморфических породах, как мраморы, гнейсы, сланцы, графит распространен очень широко. Крупное графитовое месторождение находится в Тунгусском каменноугольном бассейне, образовавшееся в результате высокотемпературного воздействия на уголь – так называемая скрытокристаллическая форма графита, содержание которого лежит в пределах от 60 до 80%.
Структура графита
В кристаллической структуре графита различаются две ее модификации: гексагональную, или а-модификцию, и ромбоэдрическую, или β-модификацию. В альфа-графите каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами sp-3-гибридными облаками, образуя кристаллический слой, состоящий из правильных шестигранников. Каждый слой удерживается с другим, параллельным ему слоем, за счет ван-дер-вальсовских сил. Причем, центры шестигранников верхнего и каждого нижнего слоев совпадают, однако слои смещены относительно друг друга на 0,1418 нм в горизонтальном направлении и в порядке «через один». Слоистая структура объясняет многие свойства графита.
В бетта-графите атомы слоев связаны между собой точно так же, но чередование горизонтального смещения происходит через два слоя. Ромбоэдрическая структура считается нестабильной, разрушающейся при температуре более 2230о, но в природных графитах с гексагональной структурой встречается до 30% β-модификации графита.
Физические свойства графита
Цвет графита варьирует от железо-черного до стального серого с характерным металлическим блеском. На ощупь минерал жирный, скользкий, пачкает пальцы и бумагу, при механическом воздействии расслаивается на отдельные чешуйчатые частицы. Именно это свойство графита позволяет применять его в карандашах.
По сравнению с алмазом графит обладает меньшей твердостью и плотностью, а также графит электропроводен. Его теплопроводность зависит от степени нагрева и колеблется в пределах от 278,4 до 2435 Вт/(м*К).
Графит обладает чрезвычайной огнеупорностью, его температура сгорания - 38500С.
Химические свойства графита
Графит химически малоактивен: в кислотах не растворяется, с некоторыми солями и щелочными металлами образует соединения наподобие включений. С кислородом воздуха реагирует только при очень высокой температуре, образуя углекислый газ. Возможно фторирование графита с образованием (CF)x.
Применение графита
Техническое применение минерала чрезвычайно разнообразно и обусловлено свойствами графита, главным образом его огнеупорностью и электропроводностью. Так, в металлургии графит используется для производства тугоплавких тиглей, чехлов для термопар, емкостей для кристаллизации. В литейном производстве графитовый порошок используется в качестве антипригарной присыпки, а также для смазывания литейных форм.
Из коллоидно-графитовых смесей таких как графит С-1 изготавливают шлифовальные и полировочные пасты.
Хорошие электропроводящие позволяют использовать его для производства электродов и контактов некоторых электрических приборов. Кроме производства карандашей, графит используется для изготовления красок и термостойких смазочных материалов, для наполнения пластмасс.
Даже в атомной энергетике замечательные свойства графита находят свое применение, в первую очередь, это его способность замедлять электроны в реакторах. В ракетостроении сопла ракетных двигателей и многие элементы теплозащиты также производятся с применением графита.
Структура слоистая. Хорошо образованные кристаллы редки, они имеют вид шестиугольных табличек с хорошо развитой гранью базопинакоида. Отмечаются двойники. Обычно образует чешуйчатые, столбчатые, массивные, почковидные, сферолитовые, сферолитоподобные и цилиндрические зональные агрегаты.
Плотнокристаллический графит слагает жилы и линзы в месторождениях гидротермально-пневмалитового генезиса или гнезда, и вкрапленность в контактово-реакционных месторождениях. Пневматолито- связаны с согласными, реже секущими пегматитовыми, кварцевыми, полевошпатовыми и кальцитовыми . Контактово-реакционные месторождения приурочены к зонам контакта обогащенных углеродом карбонатных и сланцевых пород со щелочными и габброидными породами, реже . сложены полевым шпатом, кварцем, реже слюдами, карбонатом; в скарновых зонах они обогащены гранатом, а также минералами и габброидных пород (нефелином, канкринитом, содалитом, сфеном, апатитом). Графит (от крупно- до тонкокристаллического) слагает чешуйчатые и волокнистые агрегаты. Содержание в рудах 15-40%, на некоторых месторождениях 60-90%. Разрабатывается обычно подземным способом. Известные месторождения — Богала (Шри-Ланка) и Ботогольское (CCCP).
Скрытокристаллический графит отличается несовершенной текстурой, часто содержит примесь тонкодисперсного углеродистого вещества. Слагает мощные и протяжённые пластообразные залежи, иногда переходящие в угли. Содержание углерода составляет 80-90%. Основные породообразующие минералы: кварц, полевой шпат, серицит, хлорит, кальцит. Графит образуется при метаморфизме углей, углистых и битуминозных сланцев вблизи . Залежи разрабатываются открытым и подземным способами. Основные месторождения расположены в Мексике (штат Сонора), Южной Kopee, Австрии (рудник "Кайзерсберг"), CCCP (месторождение Ногинское).
Получение графита
Наряду с природным применяют искусственный графиты, который получают при охлаждении пересыщенных сплавов, термическим разложением газообразных углеводородов, нагреванием , нефтяного кокса, каменноугольного пека. Применяются графиты в металлургии (тигли, литейные формы, противопригарные краски), в химическом машиностроении (футеровочный материал, трубы и др.), в производстве коллекторов для динамо-машин, электродов, проводящих порошков, смазочных материалов, антифрикционных изделий, в ядерной технике, в производстве карандашей, красок, теплоизоляционных материалов. Искусственный кусковой графит используют в качестве эрозионностойких покрытий для сопел ракетных двигателей, камер сгорания носовых конусов.
