Графит: свойства и применение

Каждый из нас знает, как выглядит графит. Все мы пользуемся простыми карандашами, в основе которого есть стержень из этого мягкого минерала. Конечно, этот камень не драгоценный, его нельзя назвать самоцветом и гордо полюбоваться им, имея у себя в коллекции. Но мало кто знает, что графит «родной брат» алмаза – самого драгоценного и дорогого камня. Чем же они отличаются? Почему, имея такое родство с драгоценным камнем, графит не прозрачен, пачкается и дешев?

Что такое графит?

Графит в природе в чистом виде без примесей никогда не встречается. Всегда в составе содержится определенное количество золы (до 20%) и множество других соединений. Также до 2% в природном графите занимают газы, битум и вода.

Кристаллы графита имеют пластинчатую или чешуйчатую структуру несовершенной формы. Графит представлен листочками без четких кристаллических очертаний, чаще всего с кривыми гранями. У выделений с крупными кристаллами часто имеется специфическая штриховка на плоскости, напоминающая треугольник.

Образование графита в природе происходит при высоких температурах в горных породах вулканического и магматического происхождения. Часто этот минерал встречается в жилах кварца в месторождениях полиметаллов. Распространен и в метаморфических породах – сланцах и гнейсах. Среди вмещающих минералов в породе образования выделяют кварц, гранат, пирит и шпинель.

История

История минерала графита достаточно запутанная и сложная для изучения, так как минерал очень похож на другие камни. Однако минералоги, изучающие историю камней, всё-таки находят некоторые сведения из истории происхождения и применения графита.

Они считают, что графитовый камень начали применять в средневековые времена. В любом месте на поверхности, где был обнаружен камень, он оставлял четкие жирные пятна. Когда древние люди заметили это, они стали использовать камень для письма и рисования. Позже, благодаря этому свойству, камень стали использовать в Англии. С помощью графитовых мелков английские пастухи делали отметки на шерсти овец, чтобы не упустить их из виду.

Самые первые художники создавали из графита мелки и подобие современных карандашей. С помощью них они писали картины, выполненные в стиле граффити. Инженеры и архитектуры использовали графитовые обломки для построения чертежей при проектировании различных зданий, сооружений, храмов.

Некоторые исследователи нашли первое упоминание о графите 4000 лет до нашей эры. Они утверждают, что минерал применялся первобытными людьми культуры Боян-Морица для украшения глиняной посуды. С помощью графитового камня они окрашивали предметы быта в сероватые и чёрные цвета, а также рисовали на них разнообразные узоры.

Историю названия камня связывают с известным минералогом и химиком Абрамом Вернером. В процессе составления физико-химического описания графита, учёный взял за основу свойство камня оставлять черный цвет за собой. Этим объясняется и древнегреческое название графита, означающее «писать, записывать».

Интересным фактом является и то обстоятельство, что имя первооткрывателя углерода науке до сих пор неизвестно, как и сам факт, какая из его форм – алмаз, графит – была открыта первой. Известно только, что углерод имеет 3 изотопа, два из которых стабильны, а один – радиоактивен и имеет период полураспада больше 5 тыс. лет. Изучение различных учебников химии 18 века тоже не дает четкого ответа о производных углерода. Среди опытов древних химиков часто применялось сжигание различных химических элементов и аллотропных веществ. Так в одном из трудов есть упоминание о сжигании алмаза, где подчеркивалось, что данный минерал лишь один сгорает без остатка. Ученый Лавуазье, проводя подобные опыты пришел к выводу, что алмаз является кристаллической формой углерода. Второй же аллотропный минерал углерода (графит) долгое время считали видоизмененной формой свинца и называли plumbago, пока химик Гитон де Морво осторожно не нагрел алмаз, превратив его в графит, а затем и в угольную кислоту.

Физико-химические характеристики

Физические свойства графита довольно необычны и изменяются при воздействии внешних факторов. Минерал не является диэлектриком и проводит ток. Твердость по шкале Мооса составляет 1-2 единицы. Под действием высокой температуры становится твердым и хрупким. Плотность составляет 2,06-2,24 г/см³. Имеет темно-серый цвет. Блеск металлический. На ощупь жирный. При трении происходит расслоение на чешуйки, поэтому оставляет след.

Теплопроводность зависит от ряда факторов:

• марки графита;
• направления базисных плоскостей кристаллов;
• температуры.

Электропроводимость анизотропна. В параллельном направлении плоскости близка к проводимости металлов, в перпендикулярном направлении резко уменьшается до сотни раз, причем наименьшие значения проводимости достигаются при низких температурах. Максимум электрической проводимости наблюдается у рекристаллизованого графита. Электропроводность в 2,5 раза выше, чем у ртути.

Минерал сжимается при нагревании до 700 К. Предельная температура плавления лежит в диапазоне 3847-3891°C. При 4200° C графит начинает кипеть.

Обладает большой теплопроводностью, занимая место между платиной и палладием. Коэффициент теплопроводности в 5 раз больше, чем у кирпича.

Минерал считается немагнитным. Химически инертен, не растворяется в растворителях, кроме расплавленных металлов. Жирность и пластичность – важные свойства, которые широко применяются в промышленности. Чем жирнее графит, тем меньше коэффициент трения, поэтому графит используется в различных смазках.

Как обозначается графит в химии?

Графит – аллотропное вещество углерода, поэтому обладает схожими химическими свойствами с углеродом и обозначается латинской буквой С. В соединении с другими элементами в формуле добавляется базисное вещество.

Почему алмаз прозрачный, а графит черный, хотя оба из углерода?

Как мы уже знаем, эти минералы являются углеродом, но не всё так просто. Дело в том, что кристаллическая решетка у них отличается друг от друга. Атом углерода содержит 4 электрона, с помощью которых происходит до четырех соединений с другими атомами. В алмазе возникает 4 прочные связи, делая этот минерал самым прочным на Земле. Графит же формируется из 3 прочных связей электронов и 1 слабой, при этом имеет слоистую структуру, где эти три прочные связи формируют слой, а четвертая (слабая) скрепляет эти слои. Этим и объясняется мягкость графита, в отличие от алмаза, так как слои легко распадаются при механическом воздействии.

Непрозрачность графита объясняется поглощением света любой частоты свободными электронами. В алмазе, наоборот, электроны поглощают свет только на частотах возбуждения связей между атомами. Такие частоты света не входят в часть спектра, видимую глазом человека, поэтому для нас алмазы всегда прозрачны. Таким образом, прозрачность алмаза и непрозрачность графита объясняется различием их кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка алмаза

Кристаллическая решетка графита

Месторождения

Востребованность графита в промышленности очень высока. На сегодня подсчитаны приблизительные запасы во всем мире в размере 600 млн тонн. Самые крупные месторождения графита находятся в Китае, Мексике, России, Чехии, Южной Корее и др. странах. Помимо перечисленных стран, графит добывают и на острове Шри-Ланка. Большие запасы этого минерала найдены и в Украине, в так называемом Завальевском месторождении. Обнаруженные выделения графита промышленно значимы и пользуются большим спросом.

Где и как добывается?

Графит добывают по всему миру. Рейтинг стран по запасам и добыче в мире представлен ниже.

1. Китай. Около 780 тыс. т в год. В 2017 году страна стала крупнейшим производителем этого минерала в мире. За год Китай добыл графита столько же, сколько за предыдущие 2 года. Геологическая служба США подсчитала, что на долю этой страны приходится 65% мирового производства и 35% потребления.
2. Индия. Добыто 150 тыс. тонн. Запасы месторождений варьируются от штата к штату. 43% запасов находятся в штате Аруначал-Прадеш. Всего в стране занято 8 компаний по добыче и производству графита.
3. Бразилия. Добыча составляет 90 тыс. тонн в год. Все ведущие компании-производители являются частными. Уровень добычи остается прежним, но есть предпосылки вытеснения с рынка компаниями из Китая и Индии.
4. Канада. Добывается 30 тыс. т графита в год. Спрос на канадский графит растет, особенно после заявления компании Тесла о закупке графита для производства батарей у компаний, сосредоточенных в Канаде.
5. Мозамбик. Добыча 23 тыс. тонн. Добыча графита в этой стране выросла с нулевых отметок в 2016 году до представленной в 2017. Темпы добычи постоянно наращиваются, рынок в этом регионе представлен двумя компаниями.

 Остальные страны добывают менее 20 тыс. тонн в год. Десятку стран замыкают Россия (6 место), Украина, Пакистан, Норвегия и Мадагаскар. В сумме эти страны добывают около 63 тыс. т графита в год. Рынок графита в мире постоянно растет. Связано это с переходом на электрические батареи во многих отраслях промышленности. Резкий подъем производства электромобилей по всему миру производит стимулирование спроса на графит.

Потребление в мире росло с 2013 по 2019 год, затем случилось понижение спроса на этот минерал. Цены снизились на уровень 2017 года, так как произошел переизбыток предложений и компании снизили производство для стабилизации мировых цен на минерал.

Разновидности

Среди природного графита различают несколько видов:

• тигельный;
• кристаллический литейный;
• аккумуляторный;
• для производства карандашей (тонкодисперсный, серый);
• элементный (для гальванических элементов);
• электроугольный.

Природный графит делят и по форме залегания в земной коре:

• шунгит (уже не каменный уголь, но еще и не графит);
• графитит (аморфная разновидность минерала);
• графитовая слюдка (второе название графита).

Где используется?

Применение графита является неотъемлемой частью некоторых технологических процессов. Используется в таких отраслях, как машиностроение, атомная техника, металлургия, электротехника, химическая промышленность.

При создании химической аппаратуры используются некоторые разновидности графита, пропитанные различными синтетическими смолами. Это вызвано свойством графита не вступать в реакцию с окислителями.

Из искусственного графита изготавливают торцевые уплотнения, подшипники, корпуса реакторов, футеровочные плитки.

Как производят графитовые стержни?

Процесс производства автоматизирован и делится на несколько этапов. Сначала из смеси глины с графитом производят сам грифель. От соотношения пропорций этих материалов зависит твердость будущего карандаша. Чем больше графита, тем мягче карандаш.

Глину дробят и смешивают с теплой водой, затем добавляют жидкое стекло для удаления примесей (песка). Далее в глину добавляется графит по рецептуре. Вся эта масса смешивается со связующим веществом из крахмала.

Стержневую массу доводят до определенной температуры и консистенции. На этом этапе производства должны выполняться строгие правила технологического процесса, в противном случае сырье будет испорчено. Полученное «тесто» пропускается через пресс, в котором формируется через специальные вальцы необходимое изделие с тремя зазорами. В результате этого процесса удаляются пузырьки воздуха. Если этот этап будет происходить с нарушением технологии, то будущий карандаш будет крошиться при нажиме.

Далее масса приобретает нужную форму и склеивается между двумя дощечками. На выходе получается всем нам знакомый карандаш.

Искусственный графит

Получение графита происходит разными способами. Выделяют следующие:

• ачесоновский (нагревают смесь кокса и пека до 2800° С);
• рекристализованный (термомеханическая обработка смеси кокса, пек, природного графита и карбидных соединений);
• пирографит (пиролиз газообразных углеводородных соединений в вакууме);
• доменный графит (при охлаждении больших масс чугуна);
• карбидный (образуется при термическом разложении карбидов).

Искусственный графит область применения

Применение искусственного графита обусловлено использованием в производстве фасонных изделий в металлообработке, химии, машиностроении и металлургическом производстве.

Он хорошо обрабатывается механически на станках, позволяя производить изделия любой сложности. Благодаря своим уникальным свойствам графиты применяются во всех сферах производства:

• изготовление из порошкообразного материала нагревателей, стекла, кинескопов и различных сплавов;
• антифрикционная разновидность необходима в производстве изделий постоянного трения (подшипников, вкладышей, колец уплотнения);
• в литейном процессе в металлургии просто незаменим. Используется в качестве наполнителя для противопригарных красок. Такими красками покрывают формы, в которые разливается чугун и цветные металлы.

Применение в пищевой промышленности

Из искусственного графита изготавливают специальные пластины, которые применяются в насосах и компрессорах. Известно, что без этих агрегатов пищевая промышленность не может обойтись. Так как графит не вступает в реакцию с окислителями, то и продукция не будет подвергаться загрязнению. Поэтому все уплотнительные кольца, ленты и прочие элементы конструкций в пищевой промышленности делают с применением искусственного графита.

Как ухаживать за графитом

Алгоритм ухаживания за камнем в первую очередь зависит от его твердости. Для того чтобы сохранить минерал в целости и сохранности, необходимо уберечь его от механического воздействия, предотвратить падение камня, удары тяжёлыми предметами.

Если на камне графита появятся пятна грязи или пыли — аккуратно удалите их тёплой водой.

Хранить графитовый камень лучше в специальном боксе или коробке, чтобы он не подвергаются воздействию внешних факторов и не оставлял след на месте хранения.

Лечебное влияние

Графит обладает большим количество целебных свойств, что позволяет народной медицине активно применять его в качестве средства от болезней.

1. Графит благоприятно воздействует на слои эпидермиса. Он используется при лечении кожных покровов от трещин, рубцов, синяков, экзем.
2. Литотерапевты применяют графитовые изделия для лечения болезней в области носовых пазух. Камень помогает избавиться от сухости в слизистой оболочке носа, устранить различные хронические заболевания дыхательных путей, ринит, ларинготрахеит. Графит также используют в качестве профилактики лечения бронхиальной астмы.
3. Камни графита способствуют улучшению состояния желудочно-кишечного тракта, налаживают процессы обмена веществ в организме, борются с хроническим гастритом, устраняют изжогу и снижают обострение запоров или диареи.
4. Лечебный графит помогает справиться с сильной головной болью, апатией и стрессом.
5. Графит оказывает целебное влияние на глаза человека. Маленькие камни снимают воспаление при ячмене, конъюнктивите, а также помогают в лечении катаракты или язвы роговицы.
6. Минерал регулирует эмоциональный баланс, снижая уровень злости, вспыльчивости, агрессии, депрессии и неврастении.

Магические свойства

Эзотерики утверждают, что графит обладает сильными магическими свойствами. Глубокий и пугающий чёрный цвет графита символизирует накопившуюся в нём отрицательные энергию, которую камень собирает из окружающей среды. Камень помогает человеку избавиться от негативных эмоций, сомнений, неуверенности и ненависти. Амулеты из графита служат надёжными оберегами домашнего очага. Они защищают владельцев от неблагоприятного влияния завистников, конкурентов и недоброжелателей. Графит служит символом мотивации и энергии, так как магический камень способствует появлению новых идей, развивает фантазию, лишает хозяина чрезмерной лени и усталости, а также дарит решительность и смелость в новых начинаниях. Кроме того, графитовые камни позволяют людям восполнять запас энергии и сил, становиться более работоспособными, мотивированными и активными в какой-либо сфере деятельности.  Особенно полезен графит тем, кто желает достичь карьерного роста или творческих успехов. Он не только поможет расположить к себе коллег в офисе, но и даст возможность занять более престижную должность.

Магические качества графита способствуют налаживанию обстановки в семейных отношениях. Супружеским парам необходимо приобрести изделия с использованием графита и расположить их в доме на видном месте. В таком случае волшебный камень регулярно будет очищать энергетические поля от негативного воздействия, предотвращать конфликты и ссоры и защищать семейный очаг от порчи, сглаза, проблем и невзгод.

Важно отметить, что сила магического воздействия зависит от глубины цвета графита. Невзрачные серые разновидности камня обладают слабыми магическими свойствами.

Графит по зодиаку

Современные астрологи утверждают, что графит подходит преимущественно только овнам. Это связано с тем, что для обладателей этого знака зодиака характерны следующие черты: жёсткий характер, импульсивность, вспыльчивость и агрессивность. Овны часто зацикливаются на себе, они не умеют идти на компромисс и всегда отстаивают свое мнение, даже если не правы. В обществе овнам бывает сложно найти общий язык с людьми из-за своей эксцентричности.

Талисман с графитом помогает овнам стать более мягкими по характеру и понимающими. Камень забирает накопившуюся злую энергетику и преобразует её в положительную.

Кроме того, графит подходит скорпионам, так как они достаточно злопамятны и мстительны, любят все держать под контролем и ассоциируются, как правило, с напором агрессии и амбиций. Этим знакам зодиака графит подарит такое качество, как отходчивость и умение идти на компромисс.

Влияние графита на остальные знаки зодиака незначительно.

Различия между алмазом и графитом

По мнению ученых кристаллическая решетка алмаза и графита представляют собой модификацию углерода, но в разных формах. Наибольшую важность в отличии алмаза от графита играет особенность кристаллической структуры каждого из веществ, которая определяется их свойствами. Графит образован слоистой структурой, а алмаз имеет тетраэдрическое строение. Рассмотрим подробнее:

По своим свойствам алмаз является прозрачным кристаллом, самым твердым минералом из всех природных веществ. Его атомная кристаллическая решетка имеет особую структуру, которая позволяет ему быть очень прочным. Каждая из вершин тетраэдра имеет такой же состав как у остальных атомов углерода, расположенных в его вершинах.

По цвету кристаллов алмаз бывает синим, голубым или красным, а по их форме – прямоугольной, квадратной или шестиугольной. За счет высокой светопреломляющей, светоотражательной способности они имеют очень сильный блеск.

Графит — темно-серый или чёрный кристаллический материал, который имеет металлический блеск. Однако в отличие от алмаза графит более мягкий и непрозрачный; он хорошо проводит тепло и электрический ток. Это обусловлено тем, что в состав графита входит слой из тончайших волокон, которые расположены между слоями основного материала.

На поверхности графитовых кристаллов атомы углерода расположены в правильной шестиугольной системе, которые скреплены между собой прочными связями.

Относительно применения алмаз и графит существенно отличаются. Алмаз идеально подходит для ювелирного дела, он является самым популярным и дорогостоящим камнем. Этот материал обладает высокой прочностью, поэтому он может быть использован для изготовления качественных резцов по стеклу, а также других необходимых изделий.

Графит в свою очередь используется для изготовления специальных стрежней, которые выступают в роли электродов.

Получение алмаза из графита

Получить алмаз искусственным образом можно из веществ с большим содержанием углерода. Для этого процесса отлично подходит именно графит. Для того чтобы преобразовать графит в алмаз можно только под воздействием высоких температур (1800 °С) и сильного давления (120 тысяч атмосфер) на слоистую кристаллическую структуру черного камня. Однако, все не так просто, как кажется на первый взгляд. Превращение невзрачного тёмного графита в шикарный и переливающийся алмаз — это постепенная и сложная технологическая работа. Для этого необходимо соблюдать следующий алгоритм:

1. Подготовить и создать благоприятную атмосферу для выращивания кристаллов в виде специализированной лаборатория, способной произвести от 200 новых камней за один год.
2. Окрасить выращенный алмаз в естественный и привычный для него цвет, так как искусственный камень, полученный из графита, имеет желтоватый оттенок. Для этого используют технологии постростовой термобарической обработки, то есть дополнительный отжиг минерала при высоких температурах и давлениях.

Интересный факт. В Швейцарии есть услуга превращения кремированного тела человека в искусственный алмаз. Из 2,5 кг пепла некий Риналдо Уилли создает вечный прочный алмаз небольшого размера. Смерть, превращенная в бриллиант.

Стоимость

Графит широко применяется в различных областях производства, так как запасы материала на сегодняшний день большие. Именно поэтому стоимость графитового камня сравнительно низкая — 50 рублей.

Ценообразование также напрямую зависит от размеров минералов и процентного содержания в нем углерода. На коллекционные виды графита ценник колеблется от 700 до 920 рублей.