Публицистическая статья «Графит. Кристаллическое строение и применение»

Статья : « Графит. Кристаллическое строение и применение».

Выполнила преподаватель высшей квалификационной категории ГОУ СПО « Кемеровский профессионально - технический техникум»

Тюнина Надежда Яковлевна.

Графит. Углерод является одним из первых химических элементов, который известен человеку. С незапапятных времён человек использовал уголь и сажу. В древности графит считали одним из минералов свинца, возможно из-за того, что, подобно свинцу, он оставляет на бумаге след. В 18 веке К.В. Шееле доказал, что графит представляет собой "особый минеральный уголь". Родственные отношения между алмазом и графитом были подробно изучены коллегой Лавуазье французским химиком Луи Бернаром Гитоном де Морво: при осторожном нагревании алмаза без доступа воздуха он получил порошок графита.

Графи́т (от др.-греч. γράφω - пишу) - минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже - агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях.

Кристаллическая структура. Кристаллическая решетка графита (рис.1) гексагональная (а = 0,24612 нм, с = 0,67079 нм, z = 4, пространственная группа C₆/mmc, теоретическая плотность 2,267 г/см³). 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.

Известна также модификация с ромбоэдрической решеткой (а = 0,3635 нм, = 39,49°, z = 4, пространственная группа R3m). Положение плоских слоев в ее структуре повторяется не через один слой, как в гексагональной модификации, а через два. В природном графите содержание ромбоэдрической структуры доходит до 30%, в искусственно полученных графитах наблюдается только гексагональная. При 2230-3030^oС ромбоэдрич. графит полностью переходит в гексагональный.

Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы 5р²-гибридными орбиталями. Взаимодействие между слоями осуществляются ван-дер-ваальсовыми силами. Для природного (цейлонского) графит межслоевое расстояние при нормальных условиях 0,3354 нм. Энергия связи между слоями гексагонального графит 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 графита могут наблюдаться вздутия, искривления углеродных сеток и дефекты тонкого строения. В результате коагуляции вакансий могут образоваться микро-полости диаметром до 3 мкм. Объединение отдельных участков этих дефектов приводит к возникновению краевых дислокаций. а также дислокационных петель величиной 0,1-1,0 мкм. Концентрация вакансий в графите увеличивается при его нагревании, например при 3650°С она достигает 0,5 атомных %. Дефекты могут возникать и при внедрении в решетку как углеродных атомов, так и гетеро-атомов.

Физические свойства:

а) цвет: от серо-стального до железо - черного

б) твёрдость: 1

в) плотность: 2,1 - 2,3

г) степень прозрачности: непрозрачен.

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

• для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит - применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов;

• для электродов, нагревательных элементов - благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов);

• для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

1. Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода.

2. Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде - это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

• твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках

• наполнитель пластмасс

• замедлитель нейтронов в ядерных реакторах

• компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином)

• для получения синтетических алмазов

• для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт.

• как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеев.

Отдельно надо сказать о материалах из углеродного волокна. Такие материалы используются в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем их применения растет. Наиболее важное достоинство угле-волокна - необычайно легкий вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия.

Углепластик имеет невероятные свойства. По прочности он карбон превосходит сталь (черный металлопрокат) в 12,5 раз. Когда мы говорим «карбон», то вспоминаем, конечно, капоты тюнинг-карав. Однако сейчас нет кузовной детали, которая не могла бы быть сделана из карбона - не только капоты, но и крылья, бампера, двери и крыши… Факт экономии веса очевиден. Средний выигрыш в весе при замене капота на карбоновый составляет 8 кг. Впрочем, для многих главным будет тот факт, что карбоновые детали практически на любой машине выглядят безумно стильно!

3.2. Информационное обеспечение обучения

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники:

1. Солнцев, Ю.П. Материаловедение [Текст]: учебник для учрежд.сред.проф.образ. / Ю.П.Солнцев, С.А.Вологжанина . - М.:ИЦ «Академия», 2009 . - 496с. - [Допущено МО РФ]

2. Стуканов,В.А. Материаловедение [Текст]: учебное пособие для учрежд.сред.проф.образ. / В.А.Стуканов . - М.:Форум, 2011 . - 368с. - [Допущено МО РФ]

Дополнительные источники:

3. Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционных материалов [Текст]: учебное пособие для машиностроительных техникумов. - М.Машиностроение, 2008 -251 с.

4. Материаловедение [Электронный ресурс] : Ч. 1. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» , 2006. - 1 CD-ROM-диск, 12 см.

5. Моряков, О.С. Материаловедение (по техническим специальностям) [Текст]:учебник для образ. учрежд. сред. проф. образ. / О.С.Моряков. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 240 с. - [Рекомендовано ФГУ «ФИРО»]

6. Никифоров, В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов [Текст]: учебник для учащ. техникумов, лицеев, студ. вузов, инженеров и техников всех технических специальностей. - В.М. Никифоров. - 10-е изд,- СПб,:Политехника,2010. - 382 с.

7. Топливно-энергетический комплекс в регионах Сибирского федерального округа [Электронный ресурс]: статистический сборник / Росстат, Территор. орган Федер. службы гос. статистики по Иркут. обл. - Иркутск : Иркутскстат, 2006. - 1 CD-ROM-диск, 12 см.

Периодические издания (отечественные журналы)

1. Мастер - автомеханик [Текст] / Учредитель МАДИ (ГТУ). - . - М.: МАДИ (ГТУ),2008. - Ежемес. htpp://avtomeh.panor.ru/

2. Новости авторемонта [Текст] / учредитель ООО «АвтоИнформ Медиа». - М. : АвтоИнформ Медиа, 2006. - Ежемес. auto-infosite.ru/

3. Профессиональное образование. Столица [Текст] : информационно-педагогическое, научно-методическое издание / учредители Департамент образования города Москвы; Российская академия образования; Академия профессионального образования. - 1997 - . - М. : НИИРПО, 2006- . - Ежемес. e-profobr.ru/

4. Среднее профессиональной образование [Текст] : теоретический и научно-методический журнал / учредитель Российская академия образования, Союз директоров ССУЗов России - М.: СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, 2006- . - Ежемес. mgopu.ru/spo.htm

5. Среднее профессиональной образование [Текст] : приложение к теоретическому и научно-методическому журналу «Среднее профессиональное образование» / учредитель Российская академия образования, Союз директоров ССУЗов России - Москва: СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, 2010- . - Ежемес.

mgopu.ru/spo.htm

Интернет-ресурсы

1. Всероссийский институт научной и технической информации Российской академии наук (ВИНИТИ РАН) [Электронный ресурс] . - Режим доступа : www2.viniti.ru, свободный. - Загл. с экрана

2. Портал нормативно-технической документации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http//pntdoc.ru, свободный. - Загл. с экрана

3. Техническая литература [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http//tehlit.ru, свободный. - Загл. с экрана

4. Электронно-библиотечная система «Книга Фонд» [Электронный ресурс] . - Режим доступа: knigafund.ru/, абонемент. - Загл. с экрана

5. Электронно-библиотечная система издательства «Лань» [Электронный ресурс] . - Режим доступа: lanbook.com/ebs.php, абонемент. - Загл. с экрана

6. Электронно-библиотечная система IGlib [Электронный ресурс] . - Режим доступа: iqlib.ru/, абонемент. - Загл. с экрана