Как образуется удивительный графит: от угля до кристалла
Графит является одним из самых загадочных и удивительных минералов на Земле. Его формирование – это многомиллионный процесс превращения органического вещества в кристаллическую решетку, обладающую уникальными свойствами.
История открытия графита
Впервые графит был обнаружен в Англии в 1564 году. Однако подлинная природа этого минерала оставалась загадкой на протяжении столетий. Только в 1789 году немецкий минералог Абраам Вернер дал ему название «графит», производное от греческого слова, означающего «писать».
Это название закрепилось благодаря использованию графита для изготовления карандашей.
Первые научные исследования структуры и свойств графита были выполнены в 19 веке. Однако лишь к середине 20 века были полностью раскрыты особенности его кристаллического строения и химической природы.
Как образуется графит в природе
Формирование графита – это многоступенчатый геологический процесс, включающий следующие этапы:
- Накопление органических остатков (деревьев, растений) в болотистой местности;
- Постепенное превращение органики в торф под воздействием давления;
- Трансформация торфа в бурый уголь, каменный уголь и антрацит под влиянием высоких температур и давления;
- Структурная перестройка углерода с образованием графита при температуре >2500°C.
Таким образом, исходным материалом для формирования графита является органика, прошедшая стадии углефикации. Весь процесс занимает десятки миллионов лет.
Уникальная структура графитового кристалла
В чем же заключается уникальность строения графита? Дело в том, что атомы углерода в его кристаллической решетке связаны в плоские гексагональные слои. Сами же слои удерживаются друг с другом очень слабыми связями.
Именно поэтому графит мягок и легко расслаивается на тончайшие пластинки.
Важной особенностью графита является наличие свободных электронов, которые легко перемещаются в плоскости гексагональных слоев. Это и определяет высокую электро- и теплопроводность этого минерала.
Свойства и применение графита
Благодаря своему уникальному строению, графит обладает ценными физико-химическими свойствами:
- Высокая тепло- и электропроводность
- Стойкость к нагреву и агрессивным средам
- Высокая смазывающая способность
- Нейтронозамедляющие свойства
Эти качества определяют широкое применение графита:
| Промышленность | Изготовление огнеупоров, футеровки печей |
| Энергетика | Модераторы ядерных реакторов |
| Машиностроение | Электроды, подшипники, уплотнения |
Помимо этого, графит широко используется в производстве карандашей, полимерных композитов, смазочных материалов и аккумуляторов.
Перспективы применения графита
В настоящее время ведутся активные исследования по расширению областей применения этого удивительного минерала. Особое внимание уделяется использованию графита в нанотехнологиях и производстве передовых композиционных материалов.
Разрабатываются технологии получения графена – уникального двумерного аллотропа углерода, представляющего собой один плоский слой атомов из структуры графита. Графен обещает настоящий прорыв в электронной промышленности благодаря феноменальной электро- и теплопроводности.
Таким образом, у графита есть все шансы оставаться одним из самых востребованных промышленных материалов и в ближайшем будущем.
Месторождения графита
Крупнейшие месторождения графита в мире сосредоточены в Китае, Индии, Бразилии и Северной Корее. В России основные запасы графита находятся на территории Сибири и Дальнего Востока.
Графит чаще всего образуется в результате метаморфизма осадочных горных пород, богатых органическим углеродом. Поэтому крупные месторождения графита приурочены к древним платформам, где происходило накопление обильной растительности в течение миллионов лет.
Добыча и обогащение графитовой руды
Добыча графита ведется открытым и подземным способом. После извлечения руда проходит ряд стадий обогащения и очистки с целью получения концентрата с содержанием графита до 90%.
Обогащение графитовой руды основано на различии в плотности графитовых чешуек и пустой породы. Применяются процессы дробления, измельчения и последующей сепарации на винтовых, вибрационных или пневматических сепараторах.
Как образуется графит при искусственном синтезе
В промышленности графит также получают искусственным путем из нефтяного или каменноугольного кокса. Сырье измельчают, смешивают со связующими добавками, формуют, а затем обжигают при температуре до 3000°C.
При этом происходит перекристаллизация углерода с образованием графита. Управляя условиями синтеза, можно получать графит с различной структурой и свойствами.
Новейшие технологии на основе графита
Одним из самых перспективных направлений является производство графеновых материалов. Графен представляет собой слой толщиной в один атом, отслоенный от структуры графита. За открытие уникальных свойств графена и разработку технологии его получения была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.
Еще одно многообещающее направление – создание графен-полимерных композитов, обладающих рекордными механическими и электрофизическими характеристиками. Таким образом, у графита есть колоссальный потенциал для создания материалов нового поколения, которые могут вызвать настоящую технологическую революцию.