Графит состав физические и химические свойства. Графит. Свойства, применение
В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.
Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.
Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.
Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .
Даны следующие физические свойства графита различной плотности:
- теплопроводность графита, Вт/(м·град);
- сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
- модуль упругости графита, МН/м 2 ;
- удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
- удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
- коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.
Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры
В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.
Приведены следующие свойства углерода (графита):
- коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
- удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).
В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности .
По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .
В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).
Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается .
Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры
В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.
Теплопроводность измельченного графита
В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).
Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .
Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости
В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.
Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры
В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе .
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.
Теплоемкость углерода в зависимости от температуры
В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.
Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.
Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах
В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.
Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).
По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.
Источники:
1. Агроскин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М., Недра, 1980 — 256 с.
2.
3. .
4. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.
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.
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 - кристаллическая форма углерода, в которой атомы находятся в состоянии spІ-гибридизации, имеет слоистую структуру. spІ-гибридные орбитали направлены к вершинам треугольника. Поэтому в графите каждый атом углерода связан с тремя соседними. Образуя плоскую сетку, и, кроме того, имеет один неспаренный электрон на негибридизованной p-орбитали, перпендикулярной к плоскости сетки. Эти электроны образуют общую систему пи-связей, которая представляет собой наполовину заполненную зону проводимости. Связь между сетками - слоями в графите осуществляется в основном за счёт относительно слабых межмолекулярных сил. Всё это определяет свойства графита: он мягок, легко расслаивается, имеет серый цвет и металлический блеск, электропроводен и химически более активен, чем алмаз.
Сажа, древесный уголь и другие угли, получаемые из органического и неорганического сырья, представляют собой мелкокристаллический графит, так что обычно термином «углерод» обозначают именно графит той или иной степени дисперсности.
Получение графита
Кристаллический графит извлекают из руд методом флотации, руды скрытокристаллический графит используют без обогащения.
Исходное сырье для получения графита - нефтяной или металлургический кокс, антрацит, и пек. Отдельные частицы исходных углеродных материалов в результате карбонизации при обжиге связываются в монолитное твердое тело, которое затем подвергают графитизации (кристаллизации). По одному из методов кокс или антрацит измельчают и смешивают с пеком в определенных соотношениях, прессуют при давлении до 250 МПа, а затем подвергают обжигу при 1200 о С и графитации при нагреве до 2600-3000 о С. Для уменьшения пористости полученный графит пропитывают синтетической смолой или жидким пеком, после чего снова подвергают обжигу и графитации. В производстве графита повышенной плотности пропитку, обжиг и графитацию повторяют до пяти раз.
Из смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и до 20% тугоплавких карбидообразующих элементов (например Ti, Zr, Si, Nb, W, Ta, Mo, B), получают рекристаллизованный графит. Исходную шихту нагревают в графитовых пресс-формах до температуры, на 100-150 о С превышающей температуру плавления эвтектической смеси карбида с углеродом, под давлением 40-50 МПа в течении нескольких десятков минут.
Пирографит получают пиролизом газообразных углеводородов с осаждением образовавшегося углерода из газовой фазы нам подложку из графита. Осадки имеют кристаллическую структуру различной степени совершенства - от турбостратной неупорядоченной (пироуглерод) до упорядоченной графитовой (пирографит).
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.
Загрузка...
