Posted inKimyo

Grafit nima

Grafit nima
Grafit
Formula C (uglerod)
IMA maqomi Haqiqiy G
Fizik xossalari
Rangi Kulrang, qora, po‘lat tusli
Chizig‘ining rangi qora
Yaltiroqligi Metallsimon
Shaffofligi Shaffof emas
Qattiqligi 1–2
Ulanish tekisligi Juda mukammal, tekisligi: (0001)
Zichligi 2,09–2,23 g/sm³
Kristallografik xossalari
Kristall tizimi Geksagonal
Логотип Викисклада Vikimedia omboridagi mediafayllar

Grafít (qadimgi yunon. γράφω «qayd etmoq, yozmoq» so‘zidan) — mineral, u sof elementlar sinfiga kiradi hamda uglerodning allotropik shakllaridan biridir. Bu uglerod shaklining tuzilishi qatlamli. Uning kristall panjarasi qatlamlari bir-biriga nisbatan turlicha joylashib, turli xil politiplarni hosil qiladi. Ularning simmetriyasi geksagonal kristall tizimidan (digeksagonal-dipiramidal) tortib, trigonal tizimgacha (ditrigonal-skalenoedrik) o‘zgaradi. Qatlamlar biroz to‘lqinsimon, deyarli tekis bo‘lib, uglerod atomlarining olti burchakli tuzilishlaridan iborat. Kristallar plastinkasimon va tangachasimon bo‘ladi. Grafit bargsimon va yumaloq, radial-nursimon agregatlar, kamroq hollarda esa konsentrik-zonali tuzilishga ega agregatlar hosil qiladi. Yirik kristalli hosilalarning (0001) tekisliklarida ko‘pincha uchburchak shaklli chiziqlar uchraydi. Tabiiy grafit kristallarining kattaligiga ko‘ra zich kristalli (tomirsimon), kristalli (tangachasimon) va yashirin kristalli (amorf, mikrokristalli) turlarga ajratiladi.

Tarixi

Grafit qadim zamonlardan ma’lum. Biroq uning bo‘yash xususiyati boshqa minerallar, masalan, molibdenit xususiyatiga o‘xshagani sababli, undan foydalanish tarixiga oid aniq ma’lumotlarni aniqlash qiyin. Grafit ishlatilganining eng qadimgi dalillaridan biri — Boyan-Maritsa (miloddan avvalgi 4000-yil) madaniyatiga oid ushbu mineral bilan bo‘yalgan sopol idishlardir. «Grafit» atamasini 1789-yilda Abraham Verner taklif qilgan. Shuningdek, «qora qo‘rg‘oshin» (ingl. black lead), «karbidli temir» va «kumushsimon qo‘rg‘oshin» nomlari ham uchraydi.

Fizik xossalari

Grafit elektr tokini yaxshi o‘tkazadi. Uning qattiqligi past (1 ball, Moos shkalasi bo‘yicha). U nisbatan yumshoq. Yuqori harorat ta’siridan keyin biroz qattiqlashadi va juda mo‘rtlashadi. Zichligi 2,08—2,23 g/sm³. Rangi to‘q kulrang, yaltiroqligi metallga o‘xshash. U erimaydi, havo bo‘lmaganda qizdirishga chidamli. Qo‘lga yog‘simon (sirpanchiq) seziladi. Tabiiy grafit tarkibida 10—12 % gil va temir oksidlari aralashmalari bo‘ladi. Ishqalanishda alohida tangachalarga ajraladi (bu xossadan qalam yasashda foydalaniladi).

Issiqlik o‘tkazuvchanligi 100 dan 354,1 Vt/(m·K) gacha bo‘lib, grafit turiga, asosiy tekisliklarga nisbatan yo‘nalishga va haroratga bog‘liq.

Grafit monokristallarining elektr o‘tkazuvchanligi anizotropdir: asosiy tekislikka parallel yo‘nalishda metallarnikiga yaqin, perpendikulyar yo‘nalishda esa yuzlab marta kichik. Elektr o‘tkazuvchanlikning eng kichik qiymati 300—1300 K oralig‘ida kuzatiladi; mukammal kristall tuzilmalarda bu minimum pastroq haroratlar tomon siljiydi. Eng yuqori elektr o‘tkazuvchanlik qayta kristallangan grafitga xos.

Issiqlikdan kengayish koeffitsiyenti grafitda 700 K gacha bo‘lgan haroratlarda asosiy tekisliklar yo‘nalishi bo‘yicha manfiy bo‘ladi (qizdirilganda grafit siqiladi), harorat oshishi bilan koeffitsiyentning mutlaq qiymati kamayadi. 700 K dan yuqorida issiqlikdan kengayish koeffitsiyenti musbat bo‘ladi. Asosiy tekisliklarga perpendikulyar yo‘nalishda bu koeffitsiyent musbat bo‘lib, haroratga deyarli bog‘liq emas va asosiy tekisliklar uchun o‘rtacha mutlaq qiymatdan 20 martadan ko‘proq yuqori.

Issiqlik sig‘imi grafitda 300÷3000 K harorat oralig‘ida Debay modeliga yaxshi mos keladi. Yuqori haroratlarda, T>3500K bo‘lganda, grafit issiqlik sig‘imi olmosnikiga o‘xshab g‘ayrioddiy o‘zgaradi: tajribadagi issiqlik sig‘imi qiymatlari odatiy (Debay) egri chizig‘idan keskin yuqoriga og‘adi va eksponensial funksiya bilan tavsiflanadi. Bu holat kristall panjaraning issiqlik yutishidagi Boltsman komponenti bilan izohlanadi.

Erish harorati chegaralari — 3845—3890 °C, qaynash esa 4200 °C da boshlanadi[manba 2688 kundan beri ko‘rsatilmagan]. 1 kg grafit yonganda 7832 kkal issiqlik ajralib chiqadi.

Grafit monokristallari diamagnitdir, magnit qabul qiluvchanligi asosiy tekislikda kichik, unga perpendikulyar yo‘nalishda esa katta. Xoll koeffitsiyenti 2400 K da musbatdan manfiyga o‘zgaradi.

Kimyoviy xossalari

Grafit ko‘plab moddalar (ishqoriy metallar, tuzlar) bilan qatlamlararo birikmalar hosil qiladi.

Yuqori haroratda kislorod bilan reaksiyaga kirishib, karbonat angidrid hosil qilib yonadi. Ftorlash orqali nazorat qilinadigan sharoitlarda quyidagi birikmani olish mumkin: (CF)x.

Oksidlovchi bo‘lmagan kislotalarda erimaydi.

Tuzilishi

α-grafit
β-grafit

Har bir atom uglerodning boshqa uchta atomi bilan kovalent bog‘langan bo‘ladi.

Grafitning ikkita modifikatsiyasi mavjud: α-grafit (geksagonal P63/mmc) va β-grafit (romboedrik R(-3)m). Ular qatlamlarning joylashish tartibi bilan farqlanadi. α-grafitda har bir qatlam atomlarining yarmi olti burchaklar markazining ustida va ostida joylashadi (…АВАВАВА… tartibida), β-grafitda esa har to‘rtinchi qatlam birinchi qatlamning joylashuvini takrorlaydi. Romboedrik grafitning qatlamli tuzilishini ko‘rsatish uchun uni geksagonal koordinata o‘qlarida tasvirlash qulay.

β-grafit sof holda uchramaydi, chunki u metastabil fazadir. Biroq tabiiy grafit tarkibidagi romboedrik faza ulushi 30 % ga yetishi mumkin. 2500—3300 K haroratda romboedrik grafit to‘liq geksagonal shaklga o‘tadi.

Tabiatda uchrash sharoitlari

U bilan birga uchraydigan minerallar: biotit, vollastonit, diopsid, kaolin, kvars, ortoklaz, skapolit, shpinel. Grafit yuqori haroratda vulqon va magmatik tog‘ jinslarida, pegmatitlarda va skarnlarda hosil bo‘ladi. U kvars tomirlarida volframit va boshqa minerallar bilan birga o‘rta haroratli gidrotermal polimetall konlarda uchraydi. Metamorfik tog‘ jinslarida — kristalli slaneslarda, gneyslarda, marmarlarda keng tarqalgan. Yirik konlar piroliz jarayoni natijasida hosil bo‘ladi: toshko‘mirga trapp intruziyalari ta’sir etganda toshko‘mirli qatlamlarda bu jarayon yuz beradi (Tungus havzasi, Kurey yashirin kristalli (amorf) grafit koni va Noginsk koni (hozir ishlatilmaydi). Aksessor mineral sifatida meteoritlarda ham uchraydi.

Qo‘llanilishi

Grafitdan tayyorlangan esdalik bloki.

Grafitdan foydalanish uning bir qator noyob xossalariga asoslanadi.

  • eritish ishlarida ishlatiladigan tigellar, o‘tga chidamli qoplama plitalarini tayyorlashda — bunda grafitning yuqori haroratga (kislorodsiz muhitda) va ko‘plab eritilgan metallarga kimyoviy chidamliligidan foydalaniladi.
  • elektrodlar va qizdirish elementlarini tayyorlashda — yuqori elektr o‘tkazuvchanligi hamda deyarli barcha agressiv suvli eritmalarga kimyoviy chidamliligi tufayli (bu chidamlilik nodir metallarnikiga nisbatan ancha yuqori).
  • Kimyoviy faol metallarni erigan birikmalardan elektroliz orqali olishda. Xususan, alyuminiy olishda grafitning birdaniga ikkita xossasidan foydalaniladi:
  1. Yuqori elektr o‘tkazuvchanlik va shu tufayli undan elektrod tayyorlash imkoniyati
  2. Elektrodda kechadigan reaksiya mahsulotining gazsimon bo‘lishi — u karbonat angidrid. Gazsimon mahsulot elektrolizyordan o‘zi chiqib ketadi, shu sabab uni reaksiya zonasidan chiqarish uchun alohida choralar ko‘rish shart emas. Bu xossa alyuminiy ishlab chiqarishni ancha soddalashtiradi.

Qazib olish va qayta ishlash

Dunyoda grafitning eng yirik ishlab chiqaruvchisi va yetkazib beruvchisi — Xitoy; bu mamlakatda mazkur materialni qayta ishlaydigan eng yirik korxonalar ham joylashgan. Ularsiz hozircha dunyo elektr transporti sanoati mavjud bo‘la olmaydi (grafit bu transport vositalarining zamonaviy akkumulyatorlarida ishlatiladi).

Grafitning tovar navlari boyitish orqali grafit rudalaridan olinadi.
Tozalash darajasiga ko‘ra grafit konsentratlari qo‘llanish sohalariga qarab sanoat markalariga ajratiladi. Har bir sohada grafitning fizik-kimyoviy va texnologik xususiyatlariga alohida talablar qo‘yiladi.

Grafitni qayta ishlash orqali uning turli markalari va ulardan buyumlar olinadi.

Grafitni termik kengaytirilgan grafitga aylantirish

Birinchi bosqichda dastlabki kristalli grafit oksidlanadi. Oksidlanish sulfat yoki nitrat kislota molekulalari va ionlarining quyidagi oksidlovchilar (vodorod peroksid, kaliy permanganat, kaliy dixromat va boshqalar) ishtirokida grafit kristall panjarasi qatlamlari orasiga kirishidan iborat. Oksidlangan grafit yuviladi va quritiladi, so‘ng T = 1000 °C gacha 400—600 °C/s tezlikda qizdiriladi. Qizdirish tezligi nihoyatda yuqori bo‘lgani uchun grafit kristall panjarasiga kirgan sulfat kislotaning parchalanishidan hosil bo‘lgan gazlar va oksidlanish natijasida yuzaga kelgan kislorod saqlovchi guruhlarning gazsimon parchalanish mahsulotlari keskin ajralib chiqadi. Ular kristallitlar orasidagi bo‘shliqda juda katta (300—400 atm gacha) ajratuvchi bosim hosil qiladi. Natijada solishtirma yuzasi katta, uyma zichligi past bo‘lgan termik kengaytirilgan grafit olinadi. Sulfat kislota qo‘llanadigan texnologiyada tayyor materialda ma’lum miqdorda oltingugurt qoladi. So‘ng termik kengaytirilgan grafit valslarda yoyiladi, ba’zan mustahkamlovchi materiallar bilan armaturalanadi, unga qo‘shimchalar qo‘shiladi va so‘ngra presslanadi — shu tariqa buyumlar olinadi.

Grafitni qayta ishlab, sun’iy grafitning turli markalarini olish

Sun’iy grafit ishlab chiqarishda asosan to‘ldirgich sifatida neft koksi, bog‘lovchi sifatida esa toshko‘mir peki qo‘llanadi. Konstruksion grafit markalarida to‘ldirgichga qo‘shimcha ravishda tabiiy grafit va qurum ishlatiladi. Bog‘lovchi yoki shimdiruvchi modda sifatida toshko‘mir peki o‘rniga ayrim sintetik smolalar, masalan, furanli yoki fenolli smolalar qo‘llanadi.

Sun’iy grafit ishlab chiqarish quyidagi asosiy texnologik bosqichlardan iborat:

  • koksni ishlab chiqarishga tayyorlash (dastlabki maydalash, kuydirish, mayin maydalash va koksni fraksiyalar bo‘yicha elash);
  • bog‘lovchi moddani tayyorlash;
  • uglerod massasini tayyorlash (koks va bog‘lovchi moddani dozalash hamda aralashtirish);
  • «xom» (kuydirilmagan) zagotovkalarni yopiq matritsada yoki pressning shakl beruvchi teshigi orqali shakllantirish;
  • zagotovkalarni kuydirish;
  • zagotovkalarni grafitlashtirish;
  • zagotovkalarga tayyor buyum o‘lchamlariga mos mexanik ishlov berish.

Koks 30—40 mm kattalikdagi bo‘laklargacha maydalanadi, so‘ng maxsus kuydirish pechlarida 1300 °C da kuydiriladi. Kuydirish natijasida koksning termik barqarorligi ta’minlanadi, undagi uchuvchan moddalar miqdori kamayadi, zichligi, elektr va issiqlik o‘tkazuvchanligi ortadi. Keyin koks zarur mayinlikkacha maydalanadi. Koks kukunlari dozalab olinadi va 90—130 °C haroratda aralashtirgichlarda pek bilan aralashtiriladi.

Aralashtirgichga avval quruq tarkibiy qismlar solinadi, keyin suyuq pek qo‘shiladi. Aralashtirilgach, massa presslash haroratigacha (80—100 °C) bir tekis sovitiladi. Zagotovkalar massani shakl beruvchi teshikdan siqib chiqarish yoki press qolipida presslash orqali tayyorlanadi. Sovuq kukunlar presslanganda maydalash va aralashtirishga tayyorlash texnologiyasi o‘zgartiriladi.

Bog‘lovchi moddani karbonlashtirish va alohida donachalarni yaxlit materialga biriktirish uchun zagotovkalar ko‘p kamerali gaz pechlarida 800—1200 °C haroratda kuydiriladi. Kuydirish sikli (qizdirish va sovitish) zagotovkalarning kattaligi va zichligiga qarab 3—5 hafta davom etadi. Grafitlashtirish — yakuniy termik ishlov — uglerodli materialni grafitga aylantiradi. Grafitlashtirish Acheson qarshilik pechlarida yoki Kastnerning bevosita qizdirish pechlarida 2400—3000 °C haroratda o‘tkaziladi. Neftdan olingan uglerodli zagotovkalarni grafitlashtirishda uglerod kristallari yiriklashadi. Mayda kristalli «amorf» ugleroddan yirik kristalli grafit hosil bo‘ladi; uning atom panjarasi tabiiy grafitnikidan farq qilmaydi.

Sun’iy grafit olish texnologiyasidagi ayrim o‘zgarishlar tayyor materialning talab etiladigan xossalariga bog‘liq. Masalan, zichroq material olish uchun uglerodli zagotovkalarga kuydirishdan keyin avtoklavlarda bir yoki bir necha marta pek bilan shimdiriladi, har bir shimdirishdan so‘ng kuydiriladi va butun texnologik jarayon oxirida grafitlashtiriladi. Ayniqsa toza materiallar olish uchun grafitlashtirish gaz bilan tozalash jarayoni bilan birga xlor.

Grafitni qayta ishlab kompozitsion materiallar olish

Antifriksion uglerodli materiallar quyidagi markalarda ishlab chiqariladi: kuydirilgan antifriksion material — АО, grafitlashtirilgan antifriksion material — АГ, babbit, qalay va qo‘rg‘oshin shimdirilgan antifriksion materiallar — АО-1500Б83, АО 1500СО5, АГ-1500Б83, АГ-1500СО5, Nigran, Ximanit hamda grafit-plastik materiallar — АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Antifriksion uglerodli materiallar kuydirilmagan neft koksi va tabiiy grafit qo‘shilgan toshko‘mir pekidan ishlab chiqariladi. Zich, o‘tkazmaydigan antifriksion material olish uchun unga metallar shimdiriladi. Shu usul bilan АГ-1500 83, АГ-1500СО5, АМГ-600Б83, АМГ-600СО5 va shunga o‘xshash markalar olinadi. Havo hamda kislorod saqlovchi gaz muhitida ruxsat etilgan ish harorati АО uchun 250—300 °C, АГ uchun 300 °C (qaytaruvchi va neytral muhitlarda mos ravishda 1500 va 2500 °C) ni tashkil qiladi. Antifriksion uglerodli materiallar ko‘plab agressiv gaz va suyuq muhitlarga kimyoviy chidamli. Ular deyarli barcha kislotalarga (kislotalarning qaynash haroratigacha), tuz eritmalariga va barcha organik erituvchilarga chidamli; kuchli ishqorlarning konsentrlangan eritmalariga esa cheklangan darajada chidamli.

Oltin saqlovchi xomashyo sifatida grafit

Grafit saqlovchi rudalarda oltin miqdori yuqori bo‘lishi mumkin degan fikr mavjud. Ion mass-spektrometriyasi, atom-absorbsion spektroskopiya ma’lumotlariga ko‘ra, grafitli rudalarda oltin miqdori 5—30 g/t ga yetishi mumkin. Bu boy konlar rudalaridagi oltin miqdoriga taqqoslanadi. Biroq boshqa kimyoviy tahlil usullariga ko‘ra, grafit rudasidagi oltin miqdori juda past — 0,021-3,57 g/t.

Sintetik grafitlar

Sun’iy grafit turli usullar bilan olinadi:

  • Acheson grafiti: koks va pek aralashmasini 2800 °C gacha qizdirish orqali;
  • Qayta kristallangan grafit: koks, pek, tabiiy grafit va karbid hosil qiluvchi elementlarni saqlagan aralashmaga termomexanik ishlov berish orqali.
  • Pirolitik grafit: gazsimon uglevodorodlarning pirolizi orqali 1400—1500 °C haroratda vakuumda olinadi; keyin hosil bo‘lgan pirolitik uglerod 2500—3000 °C gacha 50 MPa bosimda qizdiriladi (hosil bo‘lgan mahsulot — pirografit; elektrotexnika sanoatida «elektrografit» nomi qo‘llanadi).
  • Domna grafiti: cho‘yanning katta massalari sekin sovitilganda ajralib chiqadi.
  • Karbid grafiti: karbidlarning termik parchalanishidan hosil bo‘ladi.

Adabiyotlar

Havolalar