Положение углерода в периодической таблице

Углерод – элемент четвертой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Он является органогенным. К данной группе также относятся кислород, азот и водород. Это значит, что они входят в состав всех живых организмов на планете, составляя их основу.

Такое положение определяет строение атома углерода. На его внешнем энергетическом уровне находится четыре электрона. Это значит, что данный химический элемент может проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления ( 4 или – 4).

А вот алмаз является твердым прозрачным и бесцветным веществом, которое не проводит электрический ток. Хотя иногда в природе встречаются розовые, желтоватые, синие или зеленые минералы. Формула алмаза и графита в химии одинаково представлена углеродом – С. Однако благодаря своей кубической кристаллической системе это вещество является одновременно твердым и хрупким.

Общая информация и свойства

Этот минерал представляет собой одну из разновидностей модифицированного углерода. Это очень мягкий и хрупкий материал, который очень просто обрабатывается. Химическая формула графита — «С», что означает углерод в таблице элементов.

У графита электропроводность в два с половиной раза выше, нежели у ртути. Также этот элемент характеризуется высокой степенью теплопроводимости, которая в пять раз больше теплопроводности кирпича. К самым главным химическим свойствам материала относится абсолютная инертность к твердым соединениям, газам и жидкостям, а также способность полностью растворяться в металлических сплавах.

Этот материал не эластичен, но вместе с тем прекрасно режется и гнется. Благодаря отличной пластичности и жирной структуре часто используется в промышленности. Кроме того, высокая жирность дает возможность использовать графит в качестве материала для смазки.

Этот природный минерал обладает слоистой структурой. Углеродные атомы его кристаллической решетки образуют ячейки-соты: множество рядов шестиугольников. Атомы в рядах очень крепко скреплены, но у самих рядов связь очень слабая. Именно по этой причине графит так просто сломать.

По таблице Мооса, твердость рассматриваемого минерала лежит в пределах 1. У алмаза она составляет 10. Это объясняется разной кристаллической решеткой. У алмазов каждый из углеродных атомов связан одновременно с четырьмя близлежащими. Примечательно, что результаты многочисленных исследований показали, что из графита можно получить алмаз при температуре более 1500 °C.

На производстве учитываются свойства материала. Компании, занимающиеся изготовлением графитовой продукции, предъявляют к сырью особые требования. Именно поэтому специалисты разработали специальную маркировку. Каждая марка имеет свое назначение. Некоторые материалы используются для производства карандашей, другие — для обустройства ядерных реакторов и т. д.

Понятие об аллотропии

Формула графита показывает, что в состав этого вещества входит только углерод в свободном виде. Хотя в природе он часто встречается и в виде соединений. Такими примерами являются углекислый и угарный газ, известняк, мел, мрамор.

Дело в том, что формула графита в химии такая же, как и у алмаза. Возможно ли это? Получается, что вещества с одинаковым составом имеют абсолютно разные свойства. Такое явление называется аллотропией. Она может быть обусловлена количеством атомов в молекуле вещества или их пространственным расположением. Примером первого случая является кислород. Если в молекуле два атома этого химического элемента, образуется кислород, а если три – озон.

Добыча и месторождения

На планете находится около 600 миллионов тонн графита. Самые крупные залежи минерала находятся в следующих странах:

  • Свойства графитаЮжная Корея;
  • Россия;
  • Бразилия;
  • Чехия;
  • Китай;
  • Мексика;
  • Украина.

Встречается материал в форме плотных вкраплений в гранитах, слюде, гнейсах и известковых породах. Выглядит минерал как крупные скопления в форме чешуйчатых, землистых или серых масс. Расцветка его может варьироваться от черного до металлического. Графитовая руда добывается с помощью открытой технологии, а кусковое сырье — подземной.

Формула графита в химии

Аллотропия углерода является пространственной. Обратите внимание на рисунок ниже. Первый из них – это формула графита. Атомы углерода формируют слои, расположенные друг от друга на значительном расстоянии. Поэтому связи между ними не прочные. Каждый раз, проводя графитовым стержнем по бумаге, мы оставляем на нем слой углерода.

В кристаллической решетке алмаза (ее демонстрирует рисунок справа) расстояние между атомами в узлах одинаково во всех направлениях. Такое строение обеспечивает и прочность связей. Алмаз является самым твердым веществом. Считается, что его нельзя разбить.

Сферы 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 искусственные алмазы. 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.

структура графита

Даже в составе многих лекарственных препаратов можно встретить графит.

Предлагаем ознакомиться  Химическая формула, свойства и получение графита

Свойства графита позволяют его применять и в повседневной жизни, и в промышленности. Благодаря высокой огнеупорности и электропроводимости его применяют в металлургии для производства форм и ковшей. Литейные предприятия используют порошок в качестве смазки.

Кроме того, графит добавляется в состав огнеупорного кирпича, шлифовальных и полировочных растворов. Самое известное применение — изготовление карандашей для рисования. Даже сфера атомной энергетики применяет его на своих объектах.

В медицинской сфере графит применяется при лечении болезней кожи, которые представляют собой следствие самых разных внутренних нарушений. Также этот элемент предотвращает формирование рубцов и спаек после серьезных воспалений и оказывает положительное влияние на процессы обмена веществ. Именно поэтому его добавляют во многие лекарства.

Стоимость графита

Реализацией графита и его смесей занимаются специальные организации, добывающие и получающие материал. Стоимость его находится на вполне приемлемом уровне и зависит от содержания углерода и габаритов кристалликов. У каждого сорта есть своя цена — чем больше в материале углерода, тем, соответственно, он дороже и имеет лучшие технические характеристики.

Продается графит как оптом, так и в розницу. Примечательно, что при оптовой покупке можно получить очень неплохую скидку.

Молекула 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 физические свойства материала. 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.

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.

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. Плотность графита (кг/м3) составляет 2,23. Но при этом материал хорошо изгибается и режется.

Природные источники графита

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 и состав графита

В природе графит никогда не встречается в чистом виде. Он содержит довольно большое количество золы (иногда до 20%). Она состоит из множества разных соединений (FeO, MgO, CuO, CaO и т. д.). До 2% массы в природном графите могут занимать газы. Может также присутствовать битум и вода.

Плотность порошка графита меняется в зависимости от дисперсионности, наличия пор. Указанное выше значение может снижаться до 2,09 кг/м3. На ощупь графит жирный. Если его взять руками, на пальцах останется характерный след. Поэтому из такого материала создают стержни для простого карандаша. Он оставляет четкий след на бумаге.

Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.

Модификаций природного минерала существует две:

  • α-графит (гексагональный). В данной модификации половина атомов каждого из слоев располагается под и над центром шестиугольника.
  • β-графит (ромбоэдрический). В этой модификации графита каждый четвертый слой атомов повторяет первый. В природе он в чистом виде не наблюдается. При температуре от 2500 до 3300К ромбоэдрический графит переходит полностью в гексагональный. Природный материал удобно представляется в гексагональных узлах.

Химический состав графита не отличается чистотой. В большом количестве (до 10-20%) присутствует зола, состоящая из разных составляющих (FeO, SiO2, Аl2O3, MgO, Р2О5, CuO, СаО и др.), газы (до 2%) и битумы, иногда вода.

Цвет преобладает железно-черный, доходя до стально-серого. Имеет сильный металловидный блеск; скрытокристаллические агрегаты не блестят, матовые. Показатель преломления графита Nm==l,93-2,07. На ощупь жирный, оставляет след на бумаге и пальцах. Удельный вес графита 2,09-2,23 (меняется исходя от степени дисперсности и присутствия тончайших пор), у шунгита 1,84-1,98. Обладает высокой электропроводностью, что связано с очень плотным расположением атомов в листах.

Графит не плавится, если накаливать в струе кислорода, то сгорает тяжелее в сравнении с алмазом. Улетучивается лишь в пламени вольтовой дуги, не плавясь. В кислотах не растворяется. В смеси с KNO3 порошок при нагревании дает вспышку.

Предлагаем ознакомиться  Сравнительная характеристика алмаза и графита

Графит в природе

В природе содержится в гранитах, пирите. Он образуется в магматических и вулканических горных породах, скарнах и пегматитах при высоких температурах, встречается в кварцевых жилах с различными материалами, широко распространен в мраморе, кристаллических сланцах, гнейсах. В результате пиролиза под воздействием на каменноугольные отложения траппов образуются крупные залежи природного минерала.

Показатели:

  • Содержание минералов 2.0%
  • Содержание углерода {amp}gt; 98.0%
  • Содержание серы 550 ppm
  • Температурный диапазон -200…3000°C
  • Выщелачиваемый хлорид 50 ppm
  • Сжимаемость 40%
  • Регенерация 15%
  • pH диапазон 0-14
  • Проседание под нагрузкой {amp}lt;5%

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.

Со многими веществами (щелочными металлами, солями) образует соединения включения.

Реагирует при высокой температуре с воздухом, сгорая до углекислого газа. Фторированием в контролируемых условиях можно получить (CF)x.

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.

Условия нахождения 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.

Молекула графита

Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой температуре в вулканических и магматическихгорных 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 пиролизакаменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов. С помощью ионной масс-спектрометрии российским учёным удалось обнаружить в составе графита золото, серебро и платиноиды (платина, палладий, иридий, осмий и проч.) в форме металлоорганических нанокластеров.

Искусственный синтез

Искусственный графит получают разными способами:

  • Ачесоновский графит: нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C;.
  • Рекристаллизованный графит: термомеханической обработкой смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и карбидообразующие элементы.
  • Пирографит: пиролизом из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °C в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500—3000 °C при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт — пирографит; в электротехнической промышленности применяется наименование «электрографит»).
  • Доменный графит: выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.
  • Карбидный графит: образуется при термическом разложении карбидов.

Переработка

Переработкой графита получают различные марки графита и изделия из них.

Товарные сорта графита получают обогащением графитовых руд. В зависимости от степени очистки графитовые концентраты классифицируют на промышленные марки по областям применения, каждая из которых выдвигает специфические требования к физико-химическим и технологическим свойствам графитов.

Предлагаем ознакомиться  Чистка золота нашатырным спиртом в домашних условиях

В свете последних открытий российских учёных появилась перспектива получения из графитовых руд золота и платиноидов.

На первом этапе исходный кристаллический графит окисляют. Окисление сводится к внедрению молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя (перекись водорода, перманганат калия и др.) между слоями кристаллической решетки графита. Окисленный графит отмывают и сушат. Затем окисленный графит подвергают термообработке до Т=1000 °C со скоростью 400-600 °C/с.

Благодаря чрезвычайно высокой скорости нагрева происходит резкое выделение газообразных продуктов разложения внедренной серной кислоты из кристаллической решетки графита. В результате межслойное расстояние увеличивается примерно в 300 раз, а число маленьких частиц графита и объём пробы увеличивается в 60-400 раз.

Для производства искусственного графита используют в основном нефтяной кокс как наполнитель и каменноугольный пек как связующее. Для конструкционных марок графита в качестве добавок к наполнителю применяют природный графит и сажу. Взамен каменноугольного пека как связующего или пропитывающего вещества используют некоторые синтетические смолы, например, фурановые или фенольные.

Производство искусственного графита складывается из следующих основных технологических этапов:

  • подготовки кокса к производству (предварительного дробления, прокаливания, размола и рассева кокса по фракциям);
  • подготовки связующего;
  • приготовления углеродной массы (дозировки и смешивания кокса со связующим);
  • формования так называемых «зелёных» (необожжённых) заготовок в глухую матрицу или через мундштук прошивного пресса;
  • обжига заготовок;
  • графитации заготовок;
  • механической обработки заготовок до размеров изделий.

Кокс дробят до величин кусков 30-40 мм, затем прокаливают в специальных прокалочных печах при 1300 °C. При прокаливании достигается термическая стабильность кокса, уменьшается содержание в нем летучих веществ, увеличиваются его плотность, электро — и теплопроводность. После прокаливания кокс размалывают до необходимой крупности. Порошки кокса дозируют и смешивают с пеком в смесильных машинах при 90-130 °C.

В смесильную машину вначале загружают сухие компоненты, а затем добавляют жидкий пек. После смешивания массу равномерно охлаждают до температуры прессования (80-100 °C). Заготовки прессуют или методом выдавливания массы через мундштук, или в пресс-форме. При прессовании холодных порошков изменяют технологию подготовки помола и смешения.

Для карбонизации связующего и скрепления отдельных зёрен в монолитный материал заготовки обжигают в многокамерных газовых печах при температуре 800—1200 °C. Продолжительность цикла обжига (нагрев и охлаждение) составляет 3-5 недель в зависимости от размера и плотности заготовок. Графитация — окончательная термическая обработка — превращает углеродный материал в графит.

Графитацию проводят в печах сопротивления Ачесона или в печах прямого нагрева Кастнера при температурах 2400-3000 °C. При графитировании углеродистых нефтяных заготовок идет процесс укрупнения кристаллов углерода. Из мелкокристаллического «амфорного» углерода получается крупнокристаллический графит, атомная решетка которого ничем не отличается от атомной решетки природного графита.

Молекула графита

Некоторые изменения технологического процесса получения искусственного графита зависят от требуемых свойств конечного материала. Так, для получения более плотного материала углеродные заготовки пропитывают (после обжига) в автоклавах один или несколько раз пеком с последующим обжигом после каждой пропитки и графитацией в конце всего технологического процесса. Для получения особо чистых материалов графитацию проводят одновременно с газовой очисткой в атмосфере хлора.

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают следующих марок: обожженный антифрикционный материал марки АО, графитированный антифрикционный материал марки АГ, антифрикционные материалы, пропитанные баббитом, оловом и свинцом марок АО-1500Б83, АО 1500СО5, АГ-1500Б83, АГ-1500СО5, Нигран, Химанит и графитопластовые материалы марок АФГМ, АФГ- 80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают из непрокаленного нефтяного кокса, каменноугольного пека с добавкой природного графита. Для получения плотного непроницаемого антифрикционного материала применяют пропитку его металлами. Таким методом получают антифрикционные материалы марок АГ-1500 83, АГ-1500СО5 АМГ-600Б83, АМГ-600СО5 и им подобные.

Допустимая рабочая температура на воздухе и в газовых средах, содержащих кислород для АО — 250—300 °C, для АГ — 300 °C (в восстановительных и нейтральных средах 1500 и 2500 °C соответственно). Углеродные антифрикционные материалы химически стойки во многих агрессивных газовых и жидких средах. Они стойки почти во всех кислотах (до температуры кипения кислоты), в растворах солей, во всех органических растворителях и ограниченно стойки в концентрированных растворах едких щелочей.

Содержание найденного с помощью ионной масс-спектрометрии золота до десятков раз превышает содержание, выявляемое ранее при помощи химического анализа. В изученных российскими учёными пробах графита содержание золота было до 17,8 г/т – это уровень богатых золотых приисков. О перспективности добычи золота из графитовых руд говорит то, что графитовые месторождения данного типа (позднедокембрийского-раннепалеозойского возраста, если уж совсем точно) широко распространены и в России, и в мире.

Они есть в Европе, США, Австралии, Африке – в сущности, легче перечислить где их нет. При этом практически все они когда-то разрабатывались, а сегодня находятся в хорошо обжитых местах. С развитой инфраструктурой, в том числе промышленной. Что это значит? Что для запуска добычи в них золота и других благородных металлов не нужно затевать стройку на пустом месте, не нужно бороться с суровыми условиями заполярной тундры или экваториальной пустыни. Это уже облегчает, ускоряет, а главное, удешевляет производство. [1]