Хорошо проводит электрический ток, относительно мягкий, имеет металлический блеск, устойчив при нагревании, скользкий на ощупь и хорошо известен своей чешуйчатой структурой – все это свойства графита. С этим минералом мы знакомимся еще в детстве, когда к нам в руки попадает простой карандаш. Но помимо стержней у графита еще множество полезных применений. О свойствах, характеристиках, способах переработки и применения графита читайте в нашем материале.
История о первом карандаше
Ученые не могут понять, когда древние люди впервые начали использовать графит. Все дело в том, что по своим красящим свойствам он напоминает другие минералы. В частности – молибденит. Так что рисовать и чертить люди могли с помощью разных ископаемых. А вот первое точно зафиксированное применение графита – древняя посуда культуры Боян-Марица, раскрашенная графитом за 4000 лет до н. э. Однако старинные карандаши появились, увы, не в эпоху неолита.
Широкое применения графита в рисовании началось после происшествия в Англии. В середине XVI века в графстве Камберленд была сильная буря. Много старых и грузных деревьев были повалены вверх корнями. В образовавшихся ямах пастухи нашли твердое красящее вещество, напоминающее уголь. Местные ремесленники решили, что это разновидность олова и прозвали минерал «рисовальным оловом». Свое нынешнее название графит обрел лишь в 1789 году, благодаря немецкому геологу Абрааму Вернеру. В основе – древнегреческое слово «γράφω», что означает «я пишу».
Свойства и характеристики
Графит обладает рядом полезных свойств, которые сегодня активно применяются в промышленности. Чтобы не вдаваться в подробности, для знакомства с графитом достаточно основных характеристик:
- Проводит электрический ток;
- Обладает низкой твердостью (1 по шкале Мооса);
- Плотность 2,08—2,23 г/см³;
- Цвет серый, черный, стальной/ блеск металлический;
- Устойчив при нагревании в отсутствие воздуха;
- Жирный, скользкий на ощупь (содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа);
- При трении расслаивается на отдельные чешуйки (например, след карандаша на бумаге – последовательно уложенные чешуйки графита).
Происхождение и добыча
Природный графит образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, а именно – пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и другими минералами. Широко распространен в кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате термического разложения каменного угля на каменноугольные отложения. Известное месторождение графита – Тунгусский бассейн. В горных породах, где есть графит, часто встречаются сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель. В очень малых количествах графит присутствует в составе метеоритов.
Помимо природного графита, есть графит искусственный. Его ученые научились получать разными способами.
- Ачесоновский графит. Производится из смеси кокса и пека при нагревании до 2800 °C;
- Рекристаллизованный графит. Основной способ – термомеханическая обработка смеси кокса, пека, природного графита и карбидообразующих элементов.
- Пиролитический графит. Производится путем пиролиза (термического разложения) из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °C в вакууме с последующим увеличением температуры до 2500—3000 °C при давлении 50 Мпа. В результате получается пиро- или электрографит.
- Доменный графит. Выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.
- Карбидный графит. Образуется при термическом разложении карбидов.
Применение и переработка
У графита много областей применения. Он используется в производстве нагревательных элементов, так как обладает высокой электропроводностью и стойкостью практически к любым агрессивным водным растворам. В твердых смазочных материалах, при производстве токосъемников, тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов. О некоторых вариантах применения графита на практике расскажем подробнее.
Отверждение отходов
Ученые научились не только синтезировать графит, но и перерабатывать его в другие вещества с улучшенными качествами. Так, например, появился терморасширенный графит. Технология производства такая: исходный кристаллический графит окисляют с помощью молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя. Окисленный графит отмывают и сушат, а затем подвергают высокой термической обработке на большой скорости. Благодаря скорости процесса происходит разложение внедренной серной кислоты из кристаллической решетки графита и дальнейшее выделение газообразных продуктов. Они давят на межкристальное пространство и расклинивают структуру графита, расширяя его. Далее материал прокатывают, армируют (увеличивают прочность с помощью дополнительной арматуры), добавляют присадки для улучшения свойств и прессуют. Терморасширенный графит отличается высокой удельной прочностью и низкой насыпной плотностью. Выглядит как порошок. Его используют в атомной промышленности для отверждения отходов радиоактивных масел.
Замедление нейтронов
В ядерной промышленности графит также играет важную роль при замедлении нейтронов. Однако природный графит для этих целей не подходит, так как в нем слишком много примесей. Реакторный графит получают из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Из них прессуют блоки и термически их обрабатывают при высокой температуре. Замедлители нейтронов при ядерной реакции крайне важны, без них реакция может не состояться.
Калибровочный материал
Существует также пиролитический графит, который используется в сфере микроскопических исследований в качестве калибровочного материала. Этот вид создан искусственно при нагревании кокса и пека. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии.
Наполнение для пластмасс
Графитопласты – это композиционные материалы на основе углеграфитовых наполнителей и полимерных связующих. В состав могут входить природный, тигельный или коллоидный графиты. Графитопласт используется для производства скользящих электроконтактов, узлов трения сельскохозяйственной техники, насосов, компрессоров без смазки, сепараторов водоэмульсионных сред, химически стойких узлов оборудования, теплообменников для агрессивных сред.
Золото и алмазы
Российские ученые изучили пробы графита и выяснили, что содержание золота достигло 17,8 г/т. Это сравнимо с уровнем золотых приисков и делает графитовые руды перспективным местом добычи золота, так как чаще всего месторождения находятся в районах с развитой инфраструктурой, а не в местах с суровыми природными условиями. Из графита возможно получить и алмазы синтетического происхождения.
Материал подготовлен по данным из открытых источников.
Фото на странице и на главной странице сайта: kues1 / Фотобанк Freepik
