Графит свойства

Группа

Помимо широко распространенных в природе соединений с кислородом (карбонатов) и водородом (углеводородов) углерод присутствует в самородном виде, образуя две полиморфные разновидности — графит и алмаз, идентичные по своему составу, но резко отличающиеся по структуре и физическим свойствам.

Синонимы:
 Пломбагин (де Лиль, 1783), черный свинец, меланграфит (Хайдингер, 1845), графитоид (Зауер, 1885), графитит (Люци, 1891).

Английское название минерала Графит - Graphite

Происхождение названия

Графит известен с древних времен, назван от греческого "графо" — пишу (Вернер, 1789).

Содержание

• Химический состав
• Разновидности
• Кристаллографическая характеристика
• Форма нахождения в природе
• Физические свойства
• Химические свойства
• Диагностические признаки
• Происхождение
• Месторождения
• Графитовые руды
• Практическое применение
• Физические методы исследования
• Кристаллооптические свойства в тонких препаратах (шлифах)

Формула графита

C (углерод)

Химический состав

Даже чисто отобранный, всегда содержит абсорбированные газы — главным образом Н, N, в меньшем количестве СО_з, СО, CH₄, иногда NH₃, H₂S, а также Н₂О. Нередко содержит механические примеси, которые при сжигании полностью или частью остаются в золе; иногда содержит битумы. В золе, кроме Si, Al, Fe, Mg, Са и щелочей, могут присутствовать S, Р, Си, Ni, Мо, Mn, а также Be, Ge, Ti, V, благородные металлы и др. Наличие в золе V характерно для графита органогенного происхождения. Fe, возможно, иногда содержится в виде твердого раствора.

Разновидности графита

• Шунгит - аморфная разновидность графита (переходная разность между каменным углем и графитом).
• Графитит (Graphitit) = аморфный разновидность графита
• Графитовая слюдка (Graphitglimmer), излишнее название = графит

Шунгит — shungite (Иностранцев, 1879). Впервые обнаружен около с. Шунгав (Карелия, Россия). Относится к группе антраксолитов, является промежуточным продуктом между аморфным углеродом и графитом. Содержит кристаллическую фазу в виде очень тонкодисперсного графита. Выделяют четыре разновидности, отвечающие различной степени метаморфизма и различному содержанию углеродистого вещества.

Кристаллографическая характеристика

Сингония гексагональная.

Класс гексагонально-дипирамидальный.

Кристаллическая структура. Структура слоистого типа. В бесконечной плоской сетке каждая петля представляет шестиугольник бензольного типа; около каждого атома С имеются три соседних на таком же расстоянии. Параллельные сетки отстоят друг от друга на значительном расстоянии. На период с приходятся две такие взаимно параллельные сетки, которые взаимно смещены так, что над центром шестиугольника нижней сетки находится узел верхней сетки. Ввиду слабой связи между сетками эта закономерность строения решетки графита часто нарушается, и по отношению к центру шестиугольника одного слоя верхний и нижний слои располагаются так, что тройки лучей С — С, находящиеся над и под осью среднего кольца, взаимно повернуты на 180°. Если такое нарушение строения решетки графита проявляется в большом масштабе, то говорят о ромбоэдрической (трехслойной) модификации графита. Возможны и другие нарушения в чередовании слоев. Наличие в решетке подвижных электронов обусловливает ряд свойств графита, приближающихся к свойствам металлов: цвет, блеск, электро- и теплопроводность, кислотоупорность и т. п. Различие связей в решетке в направлении слоистости и перпендикулярно к нему вызывает резко выраженную анизотропию твердости, электропроводности, магнитных, оптических и других свойств.

Главные формы: Кристаллы таблитчатые по (0001), несовершенные; образуют шестиугольные пластинки с развитыми гранями (h0hl) при отсутствии или подчиненном значении (hh2hl). Наиболее обычны формы: с, r, о, q, р.
На гранях наблюдается штриховка.

Форма нахождения в природе

Облик кристаллов. Кристаллы редки. Графит образует мелкие пластинчатые (шестиугольные) кристаллы.

Двойники по (1121) образуются в результате действия давления, проявляются на (0001) в виде тригональной или гексагональной штриховки; редки двойники вокруг [0001 ] с поворотом на 30° (90°). Наблюдались ориентированные срастания с биотитом.

Агрегаты. Отдельные мелкие чешуйки и пластинки, сферические конкреции радиально-лучистого, реже концентрического строения, агрегаты чешуек различной величины, иногда землистый.

Физические свойства

Оптические

• Цвет кристаллов темно-серый, серебристый, цвет агрегатов железно-черный до стально-серого.
• Черта темно- свинцово-серая, черная блестящая
• Блеск сильный металлический,
• Отлив у скрытокристаллического — матовый.
• Прозрачность. Просвечивает лишь в очень тонких листочках.

Показатели преломления

 Ng = , Nm = и Np =

Механические

• Твердость 1—2, на (0001) — 5,5; у высокодисперсных агрегатов твердость возрастает с увеличением степени дисперсности. Листочки упругие сопротивление их на разрыв 2 кг/мм² (Шапиро).
• Плотность  2,21—2,26.
• Спайность в одном направлении по (0001) совершенная.
• Излом яснокристаллических агрегатов зернистый, плотных — ровный.

Химические свойства

Химическая стойкость. Кислотоупорен. В полированных шлифах графит ни одним из стандартных реактивов не травится.
При нагревании с дымящей HNO₃ чешуйчатый графит вспучивается (реакция Броди). При длительном нагревании в смеси дымящей HNO₃ с бертолетовой солью (KClO₃) образуется графитовая кислота. На основе некоторого различия в отношении к HNO₃ и KNO₃ было предложено (Люди 1891) различать две разности — α и β.

Прочие свойства

Коэффициент трения очень низкий, с чем связаны «жирность» на ощупь и применение в качестве смазочного материала.

Хороший проводник электричества.  Электропроводность резко убывает при повышении температуры (Датэ)  и возрастает с увеличением влажности и содержания летучих (Вада). Сильно выражена анизотропия магнитных свойств.

Термическая стойкость. Температура плавления 3550° + 50° . При нагревании в воздухе начинает окисляться выше 400° (чешуйки восточно-забайкальского при температуре ниже 300°); скорость окисления (горения) зависит от строения агрегатов: крупночешуйчатого— 720—730°, мелкочешуйчатого ботогольского — 680°.

Искусственное получение

В электрических печах при температурах выше 2200° графит получается из антрацита и из аморфного углерода (ачесоновский графит). Выделяется при раскристаллизации металлов, особенно в сером чугуне. В виде шестиугольных пластинок был получен из силикатного расплава с примесью сажи и флюорита. Образуется из алмаза при нагревании в вакууме при~2000°; при этом [0001] графита ориентируется параллельно  [111] алмаза. Может быть получен при низком давлении и при температуре до 1000° в результате раскисления  СО₂ и СО, образующихся при диссоциации СаСО₃ (опыты Олинга, Винчела и Фрауэнфельдера, по Шапиро).

Диагностические признаки

Характерны цвет, жирность на ощупь, низкая твердость, мягкость (пишет на бумаге), пачкает пальцы. кислотоупорность.

Мелкие чешуйки от очень сходного молибденита отличаются более темным цветом и менее сильным блеском. В отражательном свете по характеру двуотражения и анизотропии определяется легко. Может быть принят лишь за молибденит (отличается коричневатым оттенком и низкой отражательной способностью — Re), за валлериит и тенорит, отличающиеся по парагенезису; валлериит, кроме того, характеризуется высокой отражательной способностью, тенорит — меньшим двуотражением. Изотропный скрытокристаллический графит в очень мелких выделениях трудно отличим от сульванита, отражательная способность которого, однако, выше средней отражательной способности графита.
Межплоскостные расстояния графита (по Михееву) Fe-антикатод, D = 140,00 мм
 

Спутники.  микроклин, эгирин, авгит, альбит, кальцит, сфен, самородное железо, пирит, титаномагнетит, кварц, биотит, ортоклаз, апатит, ортит, рутил, цеолиты, гранат, везувиан, диопсид, волластонит, тремолит, скаполит.

Происхождение и нахождение

Широко распространенный минерал, образующий местами крупные скопления. Возникает при высоких температурах — при кристаллизации магмы, при образовании жильных месторождений и при процессах метаморфизма.

Месторождения 

Образование скоплений графита в магматических породах связано с ассимиляцией магмой известняков, битуминозных или углистых пород. Некоторые месторождения этой группы имеют промышленное значение. Наиболее известным среди них является Ботогольское (Алиберовское) месторождение в Бурятии, в котором графит образует штоки, гнезда, жилообразные тела и рассеянные выделения среди сиенитов по близости от известняков. Спутники графита — микроклин, эгирин-авгит, альбит, кальцит, сфен и др. В Черемшанском месторождении (Ильменские горы в Челябинской обл.) графит наблюдается в граните в виде сферолитов, гнезд и неправильных выделений. Выделения графита среди гранитов установлены также в округе Клей (шт. Алабама, США). В Овифаке (Зап. Гренландия) графит обнаружен в базальтах вместе с самородным железом, на Гарце (Германия) — в порфирах, порфиритах и габбро, в Малаге (Испания)—среди серпентинита и диорит-порфирита, в Новом Южном Уэльсе (Австралия)—в фельзитах, слагающих дайку. Выделения графита, частью имеющие практическое значение, наблюдаются во многих пегматитовых жилах (графитоносные пегматиты Украины, Таджикистана, Бразилии, Индии, Гренландии, США, Италии, Канады и других стран).
Из высокотемпературных жильных месторождений графита наибольшей известностью пользуются месторождения Цейлона, имеющие большое промышленное значение. Графитовые жилы здесь залегают главным образом среди гнейсов; они состоят почти нацело из графита или содержат наряду с ним пирит, титаномагнетит, кварц, биотит, ортоклаз, апатит, ортит, рутил, цеолиты, кальцит и другие минералы. Шильные месторождения графита такого же типа имеются в Канаде (пров. Квебек), США (шт. Монтана), в Англии (Камберленд) и в других странах.
Отмечается наличие графита в некоторых кварцевых жилах с вольфрамитом, в некоторых золотоносных кварцевых жилах, среднетемпературных гидротермальных свинцово-цинковых месторождениях и др.
В скарновых месторождениях графит наблюдается в ассоциации с гранатом, везувианом, диопсидом, волластонитом, тремолитом, скаполитом, кальцитом, апатитом и другими минералами; некоторые месторождения этой группы являются промышленными. Таковы месторождения Канады — Луиза (пров. Квебек) и Порт-Элнслей (пров. Онтарио). В месторождении Тас-Казган (Узбекистан) графит приурочен к контакту габбро-норитов с битуминозными породами.

Графит широко развит в метаморфических породах, гнейсах и сланцах, в виде отдельных рассеянных чешуек, скоплений, линзовидных и пластовых залежей. Образуется в результате глубокой метаморфизации древних осадочных пород, первоначально содержавших значительные количества органических остатков (битуминозных), или карбонатных отложений. Таковы широко развитые чешуйчатые выделения в гнейсах и сланцах Украины — результат интенсивной метаморфизации древних кристаллических пород, возможно, при участии летучих (месторождения Старо- Крымское, Завьяловское и др.), Союзное месторождение на Малом Хингане в Амурской обл., Тайгинское и Мурзинское месторождения Свердловской обл., богатые месторождения в гнейсах около Пассау (Германия), в метаморфизованных известняках Паргаса в Финляндии, Эшленд в шт. Алабама (США), крупные месторождения чешуйчатого графита на Мадагаскаре и др.
Широко развиты месторождения скрытокристаллического графита, связанные с метаморфизацией каменных углей. В соответствии с различными условиями метаморфизма степень метаморфизации углей различна. Графит образует прослойки, пласты и пластовые залежи. Под влиянием контактного воздействия траппов на угольные пласты образовались, например, крупные залежи западной части Тунгусского угольного бассейна (Красноярский край), состоящие из мельчайших выделений графита с примесью пирита, кальцита, небольших количеств апатита, рутила, магнетита и др. С метаморфизмом каменных углей связано также образование некоторых графитовых месторождений Урала (Боевское, Полтавское, Брединское, Фадинское Челябинской обл.). Тонкодисперсный графит, выявляемый лишь рентгеновским анализом, содержится во многих ископаемых каменных углях.
Графит содержится в некоторых элювиальных, реже в аллювиальных россыпях, образующихся при выветривании графитсодержащих пород.
В сублиматах вулкана Билюкай на Камчатке графит в виде налета на нашатыре образовался, вероятно, в результате действия лавового потока на растительность (по устному сообщению Набоко). Отмечается наличие графита в каменных и железных метеоритах.
Неясен генезис пленок графита на кристаллах алмаза в южноафриканских месторождениях.

Завальевское месторождение чешуйчатого графита

Многочисленные промышленные залеж и чешуйчатого графита Украинской графитоносной провинции связаны с архейскими образованиями тетерево-бугской серии в составе Украинского кристаллического массива. Эта серия сложена сильно дислоцированными амфиболитами, амфиболовыми, плагиоклазовыми, пироксеновыми, силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцитами и кристаллическими известняками, перемежающимися с графитистыми биотитовыми, серицитовыми, биотит-хлоритовыми и хлоритовыми гнейсами, имеющими нередко промышленное значение. В пределах провинции выделяют три рудных района: Прибугский (по рекам Тетерев и Буг), Криворожский (по р. Ингулец) и Приазовский (вдоль побережья Азовского моря). Все месторождения провинции имеют большую промышленную ценность благодаря высокому качеству графита, большим масштабам оруденения, легкости о богащения руд и возможности открытой разработки.

Завальевское месторождение, расположенное на левом берегу Юж. Буга, является типичным представителем этой провинции. Геологически оно приурочено к крупной синклинальной складке запад-северо-западного направления с крутыми (вплоть до вертикальных) углами падения пород в крыльях . Центральная часть складки выполнена кристаллическими известняками, окаймляемыми кварцитами; мощность известняков 500 м, кварцитов 20—50 м. Ниже по разрезу находятся графитоносные гнейсы (продуктивная толща), мощность которых не выдержана: в северном крыле она достигает 250 м, а в южном — резко сокращается до 15 м. Продуктивная толща подстилается бёзрудными амфиболовыми гнейсами. Синклиналь зажата между гранитами, обнажающимися в северной части месторождения, и прорвана кварцевыми жилами, дайками гранитов и гранит-аплитов. Кристаллические породы на участке месторождения повсеместно перекрыты третичными и четвертичными песчано-глинистыми отложениями мощностью до 35—40 м.

Продуктивная толщ а графитоносных биотит-хлоритовых и полевошпат-гранатовых гнейсов состоит из нескольких (1—5) графитсодержащих горизонтов, разделенных безрудными гнейсами. Мощность этих горизонтов варьирует от 3,5 до 70 м, а протяж енность составляет сотни метров; в них по данным опробования оконтуриваются промышленные рудные тела пластовой и линзовидной формы, сложенные вкрапленными рудами. Графит в этих телах крупночешуйчатый (размером от 0,1 до 1—2 мм) со средним содержанием 6— 10%. Иногда чешуйки графита объединяются в пятнистые скопления — агрегаты.  Помимо графита в составе руд присутствуют кварц, калиевый полевой шпат, плагиоклаз, а так ж е небольшие количества биотита, хлорита, граната,
кальцита, апатита, циркона и пирита.

В четко выраженной коре выветривания, развивающейся по графитоносным гнейсам, наблюдается зональность. В верхней (рыхлой) зоне широко развиты глинистые минералы. Минеральный состав руд: графита до 10%, до 50% глинистых минералов (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, нонтронит и д р .); 25% кварца; до 10% гидроксидов железа; до 10% гранатов и полевых шпатов. В средней (полурыхлой) зоне при сохранении содержания графита (до 10%) увеличивается количество кварца (30—4 0% ) и полевых шпатов (10— 2 5 % ), появляются слюды (10— 15% ), гранат, силлиманит и апатит (до 10% ), одновременно сокращается доля глинистых минералов (10—4 0 % ). Нижняя (плотная) зона коры выветривания по своему минеральному составу близка первичным (твердым) рудам месторождения. Благодаря тому что в коре выветривания чешуйки графита освобождены от срастания с другими минералами (раскрыты), эти руды (так называемые мягкие) еще более легко обогатимы, представляя первоочередной объект промышленной разработки. Рыхлые и твердые руды месторождения обогащаются флотацией с получением концентрата, содержащего 85—90% графита высокого качества зольностью не выше 10— 15%. По разведанным запасам и масштабу добычи месторождение является одним из крупнейших в стране. Большинством исследователей генетически Завальевск о е месторождение рассматривается как метаморфическое, образовавшееся в процессе регионального метаморфизма первично-осадочных алюмосиликатных пород, содержащих в своем составе рассеянное углеродное вещество. Отдельные геологи (В. П. Бухаров, В. Б. П о лянский и др.) полагают, что образование графита в гнейсах происходило за счет углерода, освобождавшегося при дегазации карбонатных пород, сопровождавшейся разложением оксида углерода (реакция Будуара). Наконец, имеются данные о том, что наряду с графитом, образовавш имся за счет первично-осадочного углерода, в гнейсах может быть и более поздний графит, связанный с глубинным источником углекислоты (А. Ф. Коржинский и др.).

Практическое применение

Графит имеет очень разнообразное применение, основанное на его «жирности», кислотоупорности, огнестойкости, электропроводности. Идет на изготовление тиглей для плавки стали и цветных металлов (около 65—70% общего потребления), широко применяется в электротехнике (для изготовления электродов), как смазочный материал, при производстве красок, карандашей и др. Наиболее ценным считается кристаллический графит; скрытокристаллические разности употребляются лишь в литейном деле, как наиболее дешевое сырье.

Мировая добыча природного графита осуществляется в немногих странах и приближается к 600 тыс. т/год. Почти половина ее приходится на КНР и Россию, разрабатываю щ ие месторождения кристаллического и аморфного графита. Крупными продуцентами кристаллического графита являются Чехия, Германия, Малагасийская Республика, Норвегия, Шри-Ланка, а аморфного — Индия,
Мексика, КНДР , Южная Корея, Австрия. Мировое производств0 синтетического графита составляет около 1,5 млн т и осуществляется в промышленно развитых странах, не обладающих существенными природными запасами этого сырья: США, Канаде, Японии, странах Западной Европы.

Физические методы исследования