გრაფიტი (მინერალი)

გრაფიტი (მინერალი)
გრაფიტი (ვწერ) — მინერალი თვითნაბადი ელემენტების კლასიდან, ნახშირბადის ერთ-ერთი ალოტროპიული მოდიფიკაცია. სტრუქტურა ფენოვანია. კრისტალური მესერის ფენებს შეუძლიათ განლაგდეს სხვადასხვანაირად ერთმანეთის მიმართ, რითაც ქმნიან მთელ რიგ პოლიტიპებს, სიმეტრიით ჰექსაგონალური სინგონიიდან (დიჰექსაგონალურ-დიპირამიდული), ტრიგონალური სინგონიამდე (დიტრიგონალური). ფენები სუსტი ტალღური, თითქმის ბრტყელია, შედგება ნახშირბადის ატომების ექვსკუთხა ფენებისაგან. კროსტალები ფირფიტისებურნი, ქერცლოვანია. ქმნიან ფურცლოვან და მომრგვალო რადიალურ-სხივურ აგრეგატებს, იშვიათად — აგრეგატები კონცენტრული-ზონალური აღნაგობისაა. მსხვილ კრისტალურ გამონაყოფს ხშირად სამკუთხა შტრიხი აქვს ზედაპირზე (0001).
თვისებები
კარგად ატარებს ელექტრო დენს. ალმასთან შედარებით გააჩნია დაბალი სიმაგრე (1—2 მოოსის სკალით). სიმკვრივე 2,08—2,23 გ/სმ³. ფერი მუქი ნაცრისფერიდან შავამდე, ელვარება ლითონური. უდნობადი, მდგრადია ჰაერის გარეშე გახურებისას. მჟავეებში არ იხსნება. ცხიმიანია (სრიალა, მოლიპული) ხელის შეხებისას. ბუნებრივი გრაფიტი შეიცავს 10—12 % თიხებისა და რკინის ჟანგების მინარევებს. ხახუნისას ფენებად, ქერცლებად იშლება (ეს თვისება გამოიყენება ფანქრებში).
გრაფიტის მონოკრისტალების ელ. დენის გამტარობა ანიზოტროპიულია, ბაზისური სიბრტყის პარალელური მიმართულებით, ახლოსაა ლითონის გამტარობასთან, პერპენდიკულარული მიმართულებით - ასჯერ ნაკლებია. გამტარობის მინიმალური მნიშვნელობა შეიმჩნევა ტემპერატურის 300-1300 К ინტერვალში, ამასთან მინიმუმის მდგომარეობა დაბალი ტემპერატურების რაიონში კრისტალურ სტრუქტურებში ხდება. ყველაზე მაღალი ელ. დენის გამტარობა აქვს რეკრისტალიზებულ გრაფიტს.
გრაფიტის სითბური გაფართოების კოეფიციენტი 700 К-მდე უარყოფითია ბაზისური სიბრეტყეების მიმართულებით (გრაფიტი იკუმშება გახურებისას), მისი აბსოლუტური მნიშვნელობა ტემპერატურის მომატებასთან ერთად მცირდება. 700 К-ზე მაღლა სითბური გაფართოების კოეფიციენტი დადებითი ხდება. ბაზისური სიბრტყეების პერპენდიკულარული მიმართულებით, სითბური გაფართოების კოეფიციენტი დადებითია, პრაქტიკულად არაა დამოკიდებული ტემპერატურისაგან და 20-ჯერ უფრო მეტია საბაზისო სიბრტყეების საშუალო აბსოლუტურ მნიშვნელობაზე.
გრაფიტის მონოკრისტალები დიამაგნეტურნი არიან, მაგნიტური აღქმადობა უმნიშვნელოა საბაზისო სიბრტყეებში და მაღალია ორთოგონალურ სიბრტყეში.
სტრუქტურა
ნახშირბადის ყოველი ატომი კოვალენტურადაა დაკავშირებული სამ სხვა ირგვლივ მყოფი ნახშირბადის ატომებთან.
განასხვავებენ გრაფიტის ორ მოდიფიკაციას: α-გრაფიტი (ჰექსაგონალური P63/mmc) და β-გრაფიტი (რომბოედრული R(-3)m).
განირჩევიან ფენების შეფუთვით. α-გრაფიტში ყოველი ფენის ატომების ნახევარი განლაგებულია ექვსკუთხედების ცენტრების ზევით და ნახევარი ქვევით (წყობა …АВАВАВА…), ხოლო β-გრაფიტში ყოველი მეოთხე ფენა იმეორებს პირველს. რომბოედრული გრაფიტის წარმოდგენა ხელსაყრელია ჰექსაგონალურ ღერძებში, რათა ნაჩვენები იქნას მისი ფენოვანი სტრუქტურა.
β-გრაფიტი სუფთა სახით არ შეიმჩნევა, რადგანაც ის მეტასტაბილური ფაზაა. მაგრამ, ბუნებრივ გრაფიტებში რომბოედრული ფაზის შემცველობა შეიძლება აღწევდეს 30 %. 2500-3300 К ტემპერატურისას რომბოედრული გრაფიტი მთლიანად გადადის ჰექსაგონალურში.
ბუნებაში არსებობის პირობები
თანმხლები მინერალებია: პირიტი, ძოწი, შპინელი.
წარმოიქმნება მაღალი ტემპერატურის დროს ვულკანურ და მაგმატურ მთის ქანებში, პეგმატიტებში. გვხვდება კვარციან ძარღვებში ვოლფრამთან ერთად და სხვა მინერალებთან ერთად საშუალო ტემპერატურულ ჰიდროთერმალურ პოლიმეტალურ საბადოებში. ფართოდაა გავრცელებული მეტამორფულ მთის ქანებში — მარმარილოებში, კრისტალურ ფიქალებში. მსხვილი საბადოები წარმოიქმნება ქვის ნახშირის პიროლიზის შედეგად.
ხელოვნური სინთეზი
ხელოვნურ გრაფიტს მიიღებენ სხვადასხვა ხერხით:
აჩესანოვის გრაფიტი: კოქსის და პეკის (ფისების) ნარევის გახურებით 2800 °C; -მდე.
რეკრისტალიზებური გრაფიტი: ნარევის თერმომექანიკური დამუშავებით, რომელიც შეიცავს კოქსს, პეკს, ბუნებრივ გრაფიტს და კარბიდწარმომქმნელ ელემენტებს.
პიროგრაფიტი: აიროვანი ნახშირწყალბადების პიროლიზით 1400—1500 °C ტემპერატურისას ვაკუუმში, წარმოქმნილი პირონახშირბადის შემდგომი გახურებით 2500—3000 °C ტემპერატურამდე 50 მპა წნევისას (წარმოქმნილი პროდუქტი — პიროგრაფიტი; ელექტროტექნიკურ მრეწველობაში გამოიყენება სახელწოდება «ელექტროგრაფიტი»).
დომენის გრაფიტი: გამოიყოფა თუჯის დიდი მასების ნელი გაცივებისას.
კარბიდული გრაფიტი: წარმოიქმნება კარბიდების თერმული დაშლისას.
გადამუშავება
გრაფიტის გადამუშავებით, იღებენ გრაფიტის რამდენიმე მარკას და მის სხვადასხვა ნაკეთობებს.
გრაფიტის სავაჭრო სახეებს იღებენ გრაფიტის მადნის გამდიდრებით. გრაფიტს კონცენტრატების გაწმენდის ხარისხის მიხედვით ყოფენ გამოყენების სფეროთი სამრეწველო მარკებად, სადაც ყოველი მათგანი აყენებს სპეციფიკურ მოთხოვნებს გრაფიტის ფიზიკო-ქიმიურ და ტექნოლოგიური თვისებების მიმართ.
რუსი მეცნიერების აღმოჩენების შუქზე გაჩნდა პერსპექტივა გრაფიტის მადნიდან ოქროსა და პლატინოიდების მიღებისა.
გრაფიტის გადამუშავება თერმოგაფართოებული გრაფიტი
პირველ ეტაპზე აღებულ გრაფიტის კრისტალს ჟანგავენ. ჟანგვა ხასიათდება გოგირდმჟავის ან აზოტმჟავის მოლეკულების ან იონების ჩანერგვით გრაფიტის კრისტალური მესრის ფენებს შორის დამჟანგავებთან ერთად ყოფნისას (წყალბადის ზეჟანგი, კალიუმის პერმანგანატი და სხვა). დაჟანგულ გრაფიტს რეცხავენ და აშრობენ. შემდგომ გრაფიტს ამუშავებენ თერმულად Т=1000 °C-მდე სიჩქარით 400-600 °C/წმ. ძალიან მაღალი გახურების სიჩქარის გამო ხდება გრაფიტის მესერში ჩანერგილი გოგირდმჟავის დაშლა და მისი აიროვანი პროდუქტების სწრაფი გამოყოფა. ამის შედეგად ფენებს შორის მანძილი იზრდება მიახლოებით 300 ჯერ, ხოლო გრაფიტის პატარა ნაწილაკების რიცხვი და სინჯის მოცულობა იზრდება 60-400-ჯერ. მიღებულ მასალაში რჩება გოგირდის ან აზოტის ოქსიდების გარკვეულ რაოდენობა რომლებიც გამოყენებულ ტექნოლოგიებზეა დამოკიდებული. შემდგომ მიღებულ თერმოგაფართოებულ გრაფიტს წნეხენ ზოგჯერ კი არმირებენ ნაკეთობების შემდგომ დასამზადებლად.
გრაფიტის გადამუშავება ხელოვნური გრაფიტის სხვადასხვა მარკის მისაღებად
ხელოვნური გრაფიტის მისაღებად ძირითადად გამოიყენებენ ნავთობის კოქსს, როგორც შემავსებელს და ძირითად პეკს (ფისი) როგორც მაკავშირებელი. გრაფიტის კონსტრუქციული მარკებისათვის დანამატების სახით გამოიყენებენ ბუნებრივ გრაფიტს და მურს. ქვანახშირის პეკის (ფისის) მაგივრად რომელიცაა დამაკავშირებელი და გამჟღენთი ნივთიერება გამოიყენება ზოგი სინთეთიკური ფისი, მაგალითად ფურანული და ფენოლური.
ხელოვნური გრაფიტის წარმოება შედგება შემდეგი ძირითადი ტექნოლოგიური ეტაპისაგან:
კოქსის მომზადება წარმოებისათვის (პირველადი დაქუცმაცება, წრთობა, კოქსის დაფქვა და დაცრა ფრაქციების მიხედვით);
მაკავშირებელის მომზადება;
ნახშირბადიანი მასის მომზადება (კოქსისა და მაკავშირებლის დოზირება და შერევა);
ნამზადის (გამოუმწვარის) დაყალიბება ყრუ მატრიცაში ან მუნდშტუკიანი წნეხებში;
ნამზადის გამოწვა;
ნამზადის გრაფიტაცია;
ნამზადის მექანიკური დამუშავება ნაკეთობის საჭირო ზომამდე.
კოქსს აქუცმაცებენ 30-40 მმ ზომის ნატეხებამდე, შემდეგ აწრთობენ სპეციალურ საწრთობ ღუმელებში 1300 °C ტემპერატურის პირობებში. წრთობის დროს მიიღწევა კოქსის თერმული სტაბილიზაცია, მასში მცირდება მფრინავი ნივთიერებების შემცველობა, იზრდება მისი სიმკვრივე, ელექტრო — და თბოგამტარობა. წრთობის შემდეგ კოქსს ფქვავენ საჭირო ფრაქციამდე. კოქსის ფხვნილს დოზირებენ და ურევენ პეკს სარევ მანქანაში 90-130 °C ტემპერატურის პირობებში.
ასარევ მანქანაში თავიდან ტვირთავენ მშრალ კომპონენტებს, ხოლო შემდეგ ამატებენ თხევად პეკს (ფისს). არევის შემდეგ მასას თანაბრად აცივებენ დაწნეხვის ტემპერატურამდე (80-100 °C). ნამზადებს წნეხენ ან ზედმეტი მასის მუნდშტუკიდან გამოძევების მეთოდით, ან საწნეხ-ფორმებში (პრეს-ფორმა). ცივი ფხვნილების დაწნეხისას ცვლიან დაფქვის მომზადების და შერევის ტექნოლოგიებს.
მაკავშირებლის და ცალკეული მარცვლების დამაგრების კარბონიზაცია ნამზადის მონოლითურ მასალად საჭიროებს გამოწვას ბევრ კამერიან გაზის ღუმელებში 800—1200 °C ტემპერატურაზე. გამოწვის ციკლის ხანგრძლივობა (გახურება და გაცივება) შეადგენს 3-5 კვირას ნამზადის ზომის და სიმკვრივის გათვალისწინებით. გრაფიტაცია — საბოლოო თერმული დამუშავებაა — ნახშირბადიან მასალას გარდაქმნის გრაფიტად. გრაფიტაციას აწარმოებენ აჩესონის წინაღობის ღუმელებში ან პირდაპირო გაცხელების ღუმელებში 2400-3000 °C ტემპერატურისას. ნავთობის ნახშირბადიანი ნამზადების გრაფიტაციისას მიდის ნახშირბადის კრისტალების გამსხვილების პროცესი. მწვრილკრისტალური «ამორფული» ნახშირბადიდან მიიღება მსხვილკრისტალიანი გრაფიტი, რომლის ატომური მესერი არაფრით არ განსხვავდება ბუნებრივი გრაფიტის ატომური მესერისაგან.
ხელოვნური გრაფიტის მიღების ტექნოლოგიური პროცესების ზოგი ცვლილება დამოკიდებულია საბოლოო მასალის საჭირო თვისებებზე. უფრო მკვრივი მასალის მისაღებად ნახშირბადიან ნამზადებს ზღენთავენ (გამოწვის შემდეგ) პეკით ავტოკლავებში ერთ ან რამდენიმეჯერ, ყოველი გაჟღენთვის შემდეგ მისი გამოწვით და პროცესის ბოლოს კი ხდება გრაფიტაცია. განსაკუთრებულად სუფთა მასალის მისაღებად გრაფიტაციას აწარმოებენ გაზის გაწმენდის თანხლებით ქლორის ატმოსფეროში.
გრაფიტის დამუშავება კომპოზიტური მასალების მისაღებად
ანტიფრიქციულ ნახშირბადიან მასალებს შემდეგი მარკისას (ძველი სსრკ-ის და რუსეთის მარკირებით) ამზადებენ: გამომწვარი ანტიფრიქციული მასალები მარკა - АО, გრაფიტირებული ანტიფრიქციული მასალები მარკა - АГ, ანტიფრიქციული მასალები, გაჟღენთილი ბაბიტით, კალათი და ტყვიით АО-1500Б83, АО 1500СО5, АГ-1500Б83, АГ-1500СО5, ნიგრანი, ქიმანიტი და გრაფიტპლასტური მასალები მარკით АФГМ, АФГ- 80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.
ანტიფრაქციული ნახშირბადიანი მასალები მზადდებიან გაუწრთობი ნავთობის კოქსისაგან, ქვანახშირის პეკისაგან ბუნებრივი გრაფიტის დამატებით. მკვრივი შეუღწევადი ანტიფრიქციული მასალის მისაღებად გამოიყენებენ ლითონით გაჟღენთვას. ასეთი მეთოდით მიიღებემ ანტიფრიქციულ მასალებს მარკით - АГ-1500 83, АГ-1500СО5 АМГ-600Б83, АМГ-600СО5. დასაშვები სამუშაო ტემპერატურა ჰაერზე და გაზის გარემოში, რომლებიც შეიცავს ჟანგბადს არის АО -თვის — 250—300 °C, АГ-თვის — 300 °C (აღმდგენ და ნეიტრალურ გარემოში 1500 და 2500 °C შესაბამისად). ნახშირბადიანი ანტიფრიქციული მასალები ქიმიურად მდგრადნი არიან ბევრ აგრესიულ აიროვან და თხევად გარემოში. ისინი მდგრადნი არიან თითქმის ყველა მჟავის მიმართ (მჟავის დუღილის ტემპერატურამდე), მარილების ხსნარების, ყველა ორგანული გამხსნელების მიმართ და შეზღუდულად მდგრადნი არიან კონცენტრირებულ ტუტეთა ხსნარების მიმართ.
გრაფიტი როგორც ოქროსშემცველი ნედლეული
იონური მას-სპექტრომეტრიით აღმოჩენილი ოქროს შემცველობა რამდენიმე ათეულჯერ აღემატება, ადრე ქიმიური ანალიზით აღმოჩენილი ოქროს შემცველობას. რუსი მეცნიერების მიერ შესწავლილ გრაფიტის სინჯებში ოქროს შემცველობა იყო 17,8 გრ/ტ-მდე – ეს მდიდარი ოქროს საბადოს დონეა.
გრაფიტის მადნიდან ოქროს მოპოვების პერსპექტივაზე მეტყველებს ის რომ, ამ ტიპის საბადოები (უფრო ზუსტი წლოვანებით გვიან კემბრიამდელი-ადრეული პალეოზოური ხანისაა) ფართოდაა გავრცელებული რუსეთში და სერთოდ მსოფლიოში. არის ევროპაში, აშშ, ავსტრალიაში, აფრიკაში – პრინციპში უფრო ადვილი ჩამოსათვალია სადაც ასეთი საბადო არ არის. ამასთან პრაქტიკულად ყველა ისინი ადრე მუშავდებოდა, ხოლო დღეს მდებარეობენ კარაგად ათვისებულ ადგილებში, განვითარებული ინფრასტრუქტურით, მათ შორის სამრეწველო. ეს იმას ნიშნავს რომ აქ ოქროს მოსაპოვებლად არაა საჭირო მშენებლობების დაწყება ცარიელ ადგილას, და რაც მთავარია არაა საჭირო ზედმეტი დანახარჯები, რაც აჩქარებს და აიაფებს წარმოებას.
გამოყენება
გრაფიტის გამოყენება დაფუძნებულია მის რამდენიმე უნიკალურ თვისებაზე.
დნობის ქვაბის და ამონაგის ფილების დასამზადებლად — გამოყენება დაფუძნებულია გრაფიტის მაღალი ტემპერატურულ მდგრადობაზე (ჟანგბადის არარსებობის შემთხვევაში), მის ქიმიურ მდგრადობაზე მთელ რიგ გადნობილ ლითონებთან
ელექტროდების, გამაცხელებელი ელემენტების საწარმოებლად — მაღალი ელექტროგამტარობის და პრაქტიკულად ყველა აგრესიული წყლის ხსნარების მიმართ მდგრადობის გამო (ბევრად უფრო მეტი ვიდრე კეთილშობილ ლითონებს გააჩნიათ).
ქიმიურად აქტიური ლითონების მისაღებად გადნობილი ნაერთებიდან ელექტროლიზის მეთოდით. კერძოდ ალუმინის მიღებისას გამოიყენება გრაფიტის ორი თვისება:
კარგი ელექტროგამტარობა, და როგორც შედეგი — მისი ვარგისობა ელექტროდების დასამზადებლად
რეაქციის პროდუქტების გაზისებურება, რომელიც ელექტროდზე მიმდინარეობს — ესაა ნახშირორჟანგი. პროდუქტის გაზისებურება ნიშნავს, რომ ის ელექტროლიზიდან გამოდის თვითონ, და ის არ საჭიროებს სპეციალურ ღონისძიებებს რეაქციის ზონიდან მოსაცილებლად. ეს თვისება საგრძნობლად აიოლებს ალუმინის წარმოების ტექნოლოგიას.
მყარი საპოხი მასალების, კომბინირებულ თხევად და პასტისმაგვარი საპოხების წარმოებისათვის
პლასტმასის შემავსებლად
ნეიტრონების შემნელებლად ბირთვულ რეაქტორებში
ფანქრის შავი გრაფიტის შიდა ღეროების შემადგენლობის კომპონენტად (კაოლინთან ნარევი)
სინთეთიკური ალმასების მისღებად
სხვადასხვა ელექტრო მანქანებში კონტაქტებისათვის, ელექტროტრანსპორთში, ამწეებში, ძლიერ რეოსტატებში ტროლეური წყაროებში სადაც საჭიროა საიმედო მოძრავი ელექტრო კონტაქტი.
მაღალომიან დენგამტარ წებოებში როგორც - დენგამტარი კომპონენტი
საინტერესო ფაქტები
გრაფიტს ახასიათებს მაღალი დიამაგნეტიზმი
იხილეთ აგრეთვე
მინერალების სია
ნახშირბადის ალოტროპია
ალმასი
კარბინი
გრაფენი
ნახშირბადის ნანომილაკები
ფულერენი
ლიტერატურა
Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20th ed. ISBN 0-471-80580-7
შენიშვნები
რესურსები ინტერნეტში
რუსმა მეცნიერებმა აღმოაჩინეს ოქროს ახალი სახის საბადოები
გრაფიტი
მინერალი გრაფიტის შესახებ
The Graphite Page
Mineral galleries
გრაფიტი webmineral.com ბაზაში
Mindat w/ locations
Intumescent graphite for fireproofing
თერმოგაფართოებული (მოქნილი) გრაფიტი
გრაფიტი
მარტივი ნივთიერებები
ცეცხლგამძლე მასალები
ჰექსაგონური მინერალები
ნახშირბადის ალორტოპიები