Графит

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

(ФГБОУ ВПО  «УГГУ»)

 

 

Кафедра «Геологии»

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Геология»

на тему:

 

«Графит»

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург, 2014

 

Оглавление

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Графит (от др.-греч.— пишу) — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода.

Происхождение графита метаморфическое. Является не металлическим полезным ископаемым.  Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита.

Этот минерал, состоящий как алмаз из одного углерода, кристаллизируется в виде черных листовых масс с совершенной спайностью. Последнему свойству он обязан кристаллической структурой, где атомы углерода расположены в виде слоистой  гексальной решетки. Связи внутри слоя очень сильные, а между слоями – слабые. Цвет графита – черный. Исключительно редки хорошо образованные кристаллы.

Данный минерал можно увидеть и подробнее изучить в Уральском геологическом музее, который находиться по адресу г. Екатеринбург, улица Куйбышева,39. Экспонат представлен на третьем этаже, этот этаж посвящен полезным ископаемым, в зале черных цветных металлов, витрина 41.

Цель данного реферата – изучить минерал графит.

 Для достижения цели реферата, поставлены следующие задачи:

• Посетить Уральский геологический музей;
• Рассмотреть структуру графита;
• Изучить свойства данного минерала;
• Рассмотреть условия нахождения в природе;
• Выявить область применения графита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНЬЯ

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям является решающим фактором применения его как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты. Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Применение для этих целей кристаллического графита марки ГЛ дает весьма ценные результаты. Для сухих форм и стержней в качестве противопригарного материала применяются литейные краски, представляющие собой водные суспензии натурального графита с определенными добавками. Литейные краски, создавая на поверхности формы тонкий защитный слой, препятствуют непосредственному соприкосновению легкоплавких минералов формовочной смеси с расплавленным металлом.

Кристаллический графит применяется для бурения в нефтегазодобывающей отрасли, а также в других областях.

Применяется для изготовления огнеупорных изделий: плавильных тиглей, стаканов, пробок для ковшей, крышек, муфт, форсунок, реторт и т.д.

Использование тигельного графита значительно увеличивает теплопроводность изделий, что способствует повышению их стойкости к повышениям температуры и скорости нагревания. Будучи практически неплавким и химически инертным ко многим материалам, графит сообщает изделиям особенно высокую инертность, значительно улучшает их качество, придает тиглям гладкую поверхность, к которой плохо пристает расплавленный металл.

Главные признаки при определении пригодности графита для тигельного производства - размер кристаллов, количество золы и ее состав.

Применяется в качестве добавки для изготовления активных масс щелочных аккумуляторов и графитированных антифрикционных изделий из цветных металлов, а также для изготовления угольных электродов - для электропечей и электролизеров, в которых выплавляются: специальные стали, магний, алюминий, ферросплавы и другие цветные и черные металлы, с целью уменьшения переходного сопротивления электрическому току.

Применяется при изготовлении графитовых препаратов и паст, используемых в качестве смазок, электропроводящей резины, изделий специального назначения и в порошковой металлургии.

Применяется для изготовления противопригарных покрытий при получении отливок в литейном и металлургическом производстве, резинотехнике, асбестотехнических изделиях, станкостроении, приборостроении и других отраслях промышленности.

Графит незаменим при изготовлении скользящих контактов (электрощёток), где наряду с электрическими и механическими свойствами используются главным образом, его хорошие антифрикционные свойства. Изготовленные из графита щётки имеют высокую механическую прочность, выдерживают большую тепловую и электрическую нагрузку, практически нечувствительны к пробою и обладают очень низким коэффициентом трения.

Применяется при производстве угольных электродов для электропечей и электролизеров, в которых выплавляются специальные стали, магний, алюминий, ферросплавы и другие цветные и чёрные металлы. С целью уменьшения переходного сопротивления электрическому току электроугольный графит в виде паст и порошков используется также для уплотнения контактов в стыковых люфтах.

Карандашный графит - малозольный, мягкий, тонкоизмельченный, без примесей кварца, железа и других жестких примесей. Применяется для изготовления карандашей и для других целей.

Применяется при изготовлении графитовых препаратов и паст, используемых в качестве смазок, электропроводящей резины, изделий специального назначения и в порошковой металлургии.

Данная марка графита нашла применение в металлургии, литье, резинотехнике, станкостроении, приборостроении и других отраслях промышленности.

Кристаллический графит - один из основных материалов применяемых для производства высококачественных гальванических элементов.

Применение элементного графита при изготовлении положительных электродов повышает электропроводность, улучшает контакт между частицами двуокиси марганца, тем самым, повышая потенциал электрода. Введение элементного графита в состав шихты для производства шамотных форм увеличивает их стойкость, что приводит к значительному повышению производительности конверторов. Элементный графит соответствует требованиям по предельно допустимому содержанию меди и отсутствию примесей свинца, кобальта, никеля, мышьяка, что позволяет увеличить срок службы элементов.

Представляет собой высокодисперсный порошок природного графита.

Применяются в качестве компонентов для приготовления графитовых смесей и технологических смазок, изготовления химстойких и антикоррозийных покрытий в качестве добавки - ластификатора при таблетировании, как компоненты клея для прорезиненных тканей, для контактов и резисторов в радиотехнике и для других целей. Препараты пожарно-взрывобезопасны, не токсичны.

2. СТРУКТУРА

Кристаллическая структура. Кристаллическая решетка графита бывает гексагональная (см. рис. 1) и ромбоэдрическая. Гексагональная состоит из параллельных слоев (базисных плоскостей), образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях (нижнем и верхнем); положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм.

Рис. 1. Кристаллическая решетка графита (природного цейлонского). А, В-углеродные слои; пунктирными линиями показана элементарная кристаллическая ячейка.

 

В ромбоэдрической решетке положение плоских слоев повторяется не через один слой, как в гексагональной, а через два. В природном графите содержание ромбоэдрической структуры доходит до 30%, в искусственно полученных графит наблюдается только гексагональная. При 2230-3030°С ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы sp2-гибридными орбиталями. Взаимодействие между слоями осуществляются ван-дер-ваальсовыми силами. Для природного (цейлонского) графита межслоевое расстояние при нормальных условиях 0,3354 нм. Энергия связи между слоями гексагонального графита составляет 16,75 Дж/моль (15°С), 15,1 Дж/моль (—134,15°С). Энергия связи С-С в слое 167,6 Дж/моль (1118°С).

В кристаллической решетке графит могут наблюдаться вздутия, искривления углеродных сеток и дефекты тонкого строения. В результате коагуляции вакансий могут образоваться микрополости диаметром до 3 мкм. Объединение отдельных участков этих дефектов приводит к возникновению краевых дислокации, а также дислокационных петель величиной 0,1-1,0 мкм. Концентрация вакансий в графит увеличивается при его нагревании, например при 3650°С она достигает 0,5 атомных процента. Дефекты могут возникать и при внедрении в решетку как углеродных атомов, так и гетероатомов.

3. СВОЙСТВА

Хорошо проводит электрический ток. В отличие оталмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного тверже, и становится очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блескметаллический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах не растворяется. 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, причем 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.

1. Химические свойства

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.

4. УСЛОВИЯ НАХОДЖДЕНИЯ В ПРЕРОДЕ

Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. 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. 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.

1. Месторождения графита

1. Неправильные тела, линзы, штоки и жилы богатых руд высококачественного плотнокристаллического графита в магматических (чаще сиенитовых), пегматитовых, скарновых и метаморфических кристаллических породах; в этот тип попадают магматические, пегматитовые и пневматолито-гидротермальные, скарновые месторождения, причем их генезис как правило является предметом дискуссий. Сюда относятся месторождения нашей страны (Ботогольское), Шри-Ланки и Индии (в штатах Раджастан, Орисса, Мадрас), Канады (Бакингем и Грейнвилл в провинции Квебек, Блэк-Дональд в провинции Онтарио), США (Стербридж в штате Массачусетс, Диллон в штате Монтана, Тиконгероги в штате Нью-Йорк), Бразилии, Японии (Сеннотани в префектуре Тояма), возможно Норвегии (Скаланд на о-ве Сенья) и др.

 

2. Пластовые залежи и линзы метаморфических вкрапленных руд чешуйчатого графита в глубокометаморфизованных породах преимущественно докембрийского возраста, включая их выветрелые разновидности; в составе этого типа - месторождения Украинского щита (Завальевское и др.) на Украине, Урала (Тайгинское, Мурзинское), Карелии (Ихальское) и др. регионов в России, Южной Чехии и Северной Моравии в Чехии, штатов Нью-Йорк, Пенсильвании, Алабамы и Техаса в США, острова Мадагаскар (Малагасийская республика) и др.

 

3. Пластовые залежи и линзы богатых руд скрытокристаллического (аморфного) графита в стратифицированных осадочных толщах различного возраста, образованные за счет контактового метаморфизма угольных пластов и битумов. Примерами этого типа являются месторождения Тунгусской провинции (Курейское, Ногинское и др.) в России, штата Сонора в Мексике, Штирии и Нижней Австрии в Австрии, Республики Корея и КНДР.