Grafito

El grafito (del otro griego γράφω  “escribir, escribir”) es un mineral de la clase de los elementos nativos , una de las modificaciones alotrópicas del carbono . La estructura está en capas. Las capas de la red cristalina se pueden organizar de manera diferente entre sí, formando una serie de politipos , con simetría desde la singonía hexagonal (dihexagonal-dipiramidal) a la trigonal (ditrigonal-escalenoédrica). Las capas son ligeramente onduladas, casi planas y consisten en capas hexagonales de átomos de carbono. Cristales laminares, escamosos. Forma agregados radiantes radiales foliosos y redondeados , con menos frecuencia, agregados de una estructura concéntrica-zonal. Las segregaciones cristalinas gruesas a menudo tienen tramas triangulares en los planos (0001). El grafito natural tiene variedades: densamente cristalino (vena), cristalino (escamoso), criptocristalino (amorfo, microcristalino) y difiere en el tamaño del cristal.

Historia

El grafito se conoce desde la antigüedad, pero no se puede obtener información exacta sobre la historia de su uso debido a la similitud de las propiedades colorantes con otros minerales, como la molibdenita . Una de las primeras evidencias del uso del grafito es la cerámica de la cultura Boyan-Maritsa ( 4000 aC ), pintada con este mineral [1] . El nombre "graphite" fue propuesto en 1789 por Abraham Werner , también existen los nombres "black lead" ( plomo negro en inglés  ), "carbide iron", "silver lead" [2] .

Propiedades físicas

Conduce bien la electricidad . Tiene una dureza baja (1 en la escala de Mohs ). Relativamente suave. Después de la exposición a altas temperaturas, se vuelve un poco más duro y muy quebradizo. Densidad 2,08-2,23 g/cm³. Color gris oscuro, brillo metalizado . Infusible, estable cuando se calienta en ausencia de aire. Grasiento (resbaladizo) al tacto. El grafito natural contiene 10-12% de impurezas de arcillas y óxidos de hierro. Cuando se frota, se delamina en escamas separadas (esta propiedad se usa en lápices ).

La conductividad térmica del grafito es de 100 a 354,1 W/(m·K), dependiendo de la marca de grafito, de la dirección relativa a los planos basales y de la temperatura [3] .

La conductividad eléctrica de los monocristales de grafito es anisotrópica , cercana a la metálica en la dirección paralela al plano basal, y cientos de veces menor en la dirección perpendicular. El valor mínimo de conductividad se observa en el rango de 300 a 1300 K, y la posición de los cambios mínimos a la región de bajas temperaturas para estructuras cristalinas perfectas. El grafito recristalizado tiene la conductividad eléctrica más alta.

El coeficiente de expansión térmica del grafito hasta 700 K es negativo en la dirección de los planos basales (el grafito se contrae cuando se calienta), su valor absoluto disminuye al aumentar la temperatura. Por encima de 700 K, el coeficiente de expansión térmica se vuelve positivo. En la dirección perpendicular a los planos basales, el coeficiente de dilatación térmica es positivo, prácticamente independiente de la temperatura, y más de 20 veces superior al valor absoluto medio de los planos basales.

La capacidad calorífica del grafito en el rango de temperatura de 300 ÷ 3000 K está en buen acuerdo con el modelo de Debye [4] . En la región de alta temperatura después de T>3500K, se observa un comportamiento anómalo de la capacidad calorífica del grafito similar al del diamante : los datos experimentales sobre la capacidad calorífica se desvían bruscamente hacia arriba de la curva normal ( Debye ) y se aproximan mediante una función exponencial [ 5] [6] [7] , que es causado por el componente de Boltzmann de absorción de calor por la red cristalina [8] .

Límites de temperatura de fusión: 3845-3890 ° C, la ebullición comienza a 4200 ° C . Durante la combustión de 1 kg de grafito se liberan 7832 kcal de calor.

Los monocristales de grafito son diamagnéticos , la susceptibilidad magnética es insignificante en el plano basal y alta en los planos basales ortogonales. El coeficiente de Hall cambia de positivo a negativo a 2400 K.

Propiedades químicas

Forma compuestos de inclusión con muchas sustancias (metales alcalinos, sales).

Reacciona a alta temperatura con oxígeno, quemándose a dióxido de carbono. Por fluoración en condiciones controladas, se puede obtener (CF) x .

Es insoluble en ácidos no oxidantes .

Estructura

Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros tres átomos de carbono que lo rodean.

Hay dos modificaciones de grafito: α-grafito (hexagonal P63/mmc) y β-grafito (romboédrico R(-3)m). Se diferencian en el embalaje de capas. En el grafito α, la mitad de los átomos de cada capa se encuentran por encima y por debajo de los centros del hexágono (colocación... ABABABA...), y en el grafito β, cada cuarta capa repite la primera. El grafito romboédrico se representa convenientemente en ejes hexagonales para mostrar su estructura en capas.

El β-grafito no se observa en su forma pura, ya que es una fase metaestable. Sin embargo, en los grafitos naturales, el contenido de la fase romboédrica puede alcanzar el 30%. A una temperatura de 2500-3300 K, el grafito romboédrico se transforma completamente en hexagonal.

Condiciones en la naturaleza

Minerales asociados: pirita , granates , espinela . Formado a altas temperaturas en rocas volcánicas e ígneas , en pegmatitas y skarns . Ocurre en vetas de cuarzo con wolframita y otros minerales en depósitos polimetálicos hidrotermales de temperatura media. Está ampliamente distribuido en rocas metamórficas  : esquistos cristalinos, gneises , mármoles . Se forman grandes depósitos como resultado de la pirólisis del carbón bajo la influencia de trampas en los depósitos de carbón (cuenca Tunguska, depósito Kurey de grafito criptocristalino (amorfo), depósito Noginskoye (actualmente no desarrollado). Mineral accesorio de meteoritos . Usando espectrometría de masas de iones, Científicos rusos lograron detectar que el grafito contiene oro, plata y platinoides (platino, paladio, iridio, osmio, etc.) en forma de nanoclusters organometálicos.

Síntesis artificial

El grafito artificial se obtiene de diferentes formas:

• Grafito achesoniano : calentamiento de una mezcla de coque y brea a 2800 °C;.
• Grafito recristalizado : tratamiento termomecánico de una mezcla que contiene coque, brea, grafito natural y elementos formadores de carburo.
• Grafito pirolítico : pirólisis de hidrocarburos gaseosos a una temperatura de 1400-1500 °C en vacío , seguida de calentamiento del pirocarbono resultante a una temperatura de 2500-3000 °C a una presión de 50 MPa (el producto resultante es pirografito; el nombre " electrografito" se utiliza en la industria eléctrica).
• Grafito de dominio : liberado cuando grandes masas de hierro fundido se enfrían lentamente.
• Carburo de grafito : Formado por la descomposición térmica de los carburos.

Reciclaje

El procesamiento de grafito produce varios grados de grafito y productos a partir de ellos.

Los grados básicos de grafito se obtienen mediante el beneficio de minerales de grafito. Según el grado de purificación, los concentrados de grafito se clasifican en grados industriales según áreas de aplicación, cada uno de los cuales presenta requisitos específicos para las propiedades fisicoquímicas y tecnológicas de los grafitos.

A la luz de los últimos descubrimientos de los científicos rusos, ha aparecido la perspectiva de obtener oro y platinoides a partir de minerales de grafito.

Procesamiento de grafito en grafito expandido térmicamente

En la primera etapa, el grafito cristalino original se oxida. La oxidación se reduce a la introducción de moléculas e iones de ácido sulfúrico o nítrico en presencia de un agente oxidante (peróxido de hidrógeno, permanganato de potasio, etc.) entre las capas de la red cristalina de grafito. El grafito oxidado se lava y se seca. Luego, el grafito oxidado se somete a un tratamiento térmico hasta T = 1000 °C a una velocidad de 400–600 °C/s. Debido a la tasa de calentamiento extremadamente alta, hay una fuerte liberación de productos de descomposición gaseosos del ácido sulfúrico introducido desde la red cristalina de grafito. Los productos gaseosos crean una gran presión de separación (hasta 300-400 atm) en el espacio intergranular, con la formación de grafito expandido térmicamente, que se caracteriza por un área de superficie específica alta y una densidad aparente baja. Una cierta cantidad de azufre permanece en el material resultante cuando se usa la tecnología de sulfato. Además, el grafito expandido térmicamente resultante se lamina, a veces se refuerza, se agregan aditivos y se prensa para obtener productos.

Procesamiento de grafito para obtener varios grados de grafito artificial

Para la producción de grafito artificial, el coque de petróleo se utiliza principalmente como relleno y la brea de alquitrán de hulla como aglutinante. Para los grados estructurales de grafito, se utilizan grafito natural y negro de carbón como aditivos para el relleno. En lugar de la brea de alquitrán de hulla como aglutinante o impregnante, se utilizan algunas resinas sintéticas, por ejemplo, furano o fenólico.

La producción de grafito artificial consta de las siguientes etapas tecnológicas principales:

• preparación de coque para la producción (trituración preliminar, calcinación, molienda y cribado de coque en fracciones);
• preparación de aglutinantes;
• preparación de masa de carbón (dosificación y mezcla de coque con un aglutinante);
• moldear las denominadas piezas en bruto "verdes" (sin cocer) en una matriz en bruto oa través de la boquilla de una prensa perforadora;
• disparar espacios en blanco;
• grafitización de piezas de trabajo;
• mecanizado de piezas de trabajo al tamaño de los productos.

El coque se tritura en trozos de 30-40 mm y luego se calcina en hornos de calcinación especiales a 1300 °C. Durante la calcinación, se logra la estabilidad térmica del coque, disminuye el contenido de sustancias volátiles y aumenta su densidad, conductividad eléctrica y térmica. Después de la calcinación, el coque se muele al tamaño requerido. Los polvos de coque se dosifican y se mezclan con brea en mezcladores a 90–130°C.

Los componentes secos se cargan primero en la máquina mezcladora y luego se agrega brea líquida. Después de mezclar, la masa se enfría uniformemente a la temperatura de prensado (80–100 °C). Los espacios en blanco se prensan por extrusión de la masa a través de la boquilla o en un molde. Al prensar polvos fríos, se cambia la tecnología para preparar la molienda y la mezcla.

Para carbonizar el aglutinante y unir los granos individuales en un material monolítico, las piezas de trabajo se cuecen en hornos de gas de varias cámaras a una temperatura de 800–1200 °C. La duración del ciclo de cocción (calentamiento y enfriamiento) es de 3 a 5 semanas, según el tamaño y la densidad de los espacios en blanco. La grafitización, el tratamiento térmico final, convierte el material de carbono en grafito. La grafitización se lleva a cabo en hornos de resistencia Acheson o hornos de calentamiento directo Kastner a temperaturas de 2400-3000 °C. Al grafitar preparaciones de aceite carbonáceo, tiene lugar el proceso de agrandamiento de los cristales de carbón. Del carbono "amorfo" cristalino fino se obtiene grafito de grano grueso, cuya red atómica no es diferente de la red atómica del grafito natural.

Algunos cambios en el proceso tecnológico para la obtención de grafito artificial dependen de las propiedades requeridas del material final. Así, para obtener un material más denso, los blancos de carbono se impregnan (después de la cocción) en autoclaves una o varias veces con brea, seguido de cocción después de cada impregnación y grafitización al final de todo el proceso tecnológico. Para obtener materiales de alta pureza, la grafitización se realiza simultáneamente con la purificación de gases en atmósfera de cloro.

Procesado de grafito para la obtención de materiales compuestos

Los materiales de carbono antifricción se producen en los siguientes grados: material antifricción quemado de grado AO, material antifricción grafitado de grado AG, materiales antifricción impregnados con babbitt , estaño y plomo grados AO-1500B83, AO 1500SO5, AG-1500B83, AG-1500SO5 , Nigran, Himanit y materiales de grafito-plástico marcas AFGM, AFG-80VS, 7V-2A, KV, KM, AMS.

Los materiales de carbono antifricción están hechos de coque de petróleo sin calcinar, brea de alquitrán de hulla con la adición de grafito natural. Para obtener un material antifricción impermeable denso, se impregna con metales. Este método se utiliza para obtener materiales antifricción de los grados AG-1500 83, AG-1500SO5 AMG-600B83, AMG-600SO5 y similares. La temperatura de funcionamiento permisible en aire y en medios gaseosos que contienen oxígeno para AO es de 250 a 300 °C, para AG es de 300 °C (en medios reductores y neutros 1500 y 2500 °C, respectivamente). Los materiales antifricción de carbono son químicamente resistentes a muchos medios líquidos y gaseosos agresivos. Son estables en casi todos los ácidos (hasta el punto de ebullición del ácido), en soluciones salinas, en todos los disolventes orgánicos y, hasta cierto punto, en soluciones concentradas de álcalis cáusticos.

El grafito como materia prima aurífera

El contenido de oro encontrado mediante espectrometría de masas de iones es hasta diez veces mayor que el contenido detectado previamente mediante análisis químico. En las muestras de grafito estudiadas por científicos rusos, el contenido de oro era de hasta 17,8 g / t: este es el nivel de las minas de oro ricas. Las perspectivas de la extracción de oro a partir de minerales de grafito se evidencian por el hecho de que los depósitos de grafito de este tipo (Precámbrico tardío-Paleozoico temprano) están muy extendidos tanto en Rusia como en el mundo. Están en Europa , EE . UU ., Australia , África  ; de hecho, es más fácil enumerar dónde no están. Al mismo tiempo, casi todos ellos alguna vez fueron desarrollados, y hoy están ubicados en áreas bien pobladas, con infraestructura desarrollada, incluso industrial. En consecuencia, para emprender la extracción de oro y otros metales preciosos en ellos, no es necesario comenzar una obra de construcción desde cero, no es necesario luchar con las duras condiciones de la tundra polar o del desierto . Esto facilita, acelera y, lo que es más importante, reduce el costo de producción [9] .

Aplicación

El uso del grafito se basa en varias de sus propiedades únicas.

• para la fabricación de crisoles de fusión, placas de revestimiento: la aplicación se basa en la resistencia a altas temperaturas del grafito (en ausencia de oxígeno), en su resistencia química a una serie de metales fundidos.
• electrodos , elementos calefactores: debido a la alta conductividad eléctrica y resistencia química a casi cualquier solución acuosa agresiva (mucho más alta que la de los metales nobles).
• Obtención de metales reactivos por electrólisis de compuestos fundidos. En particular, al obtener aluminio, se utilizan dos propiedades del grafito a la vez:

1. Buena conductividad eléctrica y, como resultado, su idoneidad para la fabricación del electrodo .
2. El producto gaseoso de la reacción que ocurre en el electrodo es dióxido de carbono . La naturaleza gaseosa del producto hace que salga solo del electrolizador y no requiera medidas especiales para sacarlo de la zona de reacción. Esta propiedad simplifica enormemente la tecnología de producción de aluminio .

• lubricantes sólidos, en lubricantes combinados líquidos y en pasta .
• relleno de plástico .
• moderador de neutrones en reactores nucleares .
• componente de la composición para la fabricación de núcleos para lápices de grafito negro (mezclado con caolín ).
• para obtener diamantes sintéticos .
• como estándar de longitud nanométrica para calibrar escáneres de un microscopio de túnel de barrido y un microscopio de fuerza atómica [10] [11] .
• para la fabricación de escobillas de contacto y colectores de corriente para una variedad de máquinas eléctricas , vehículos eléctricos y puentes grúa accionados por carro , potentes reóstatos , así como otros dispositivos que requieren un contacto eléctrico móvil fiable.
• para la fabricación de protección térmica para la nariz de ojivas de misiles balísticos y naves espaciales de reentrada .
• como componente conductor de adhesivos conductores de alta resistencia .

Notas

1. ↑ Boardman, John. La historia antigua de Cambridge . — vol. 3.- Pág. 31-32. — ISBN 0521224969 . Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 16 de junio de 2018. Archivado desde el original el 24 de diciembre de 2013. (indefinido) 
2. ↑ Carbono - un artículo de la enciclopedia "La vuelta al mundo"
3. ↑ Grafito. Material de referencia . Fecha de acceso: 7 de julio de 2012. Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2011. (indefinido)
4. ↑ Malik V. R., Efimovich L. P. Funciones termodinámicas del diamante y el grafito en el rango de temperatura 300÷3000 K.//Materiales superduros, 1983, No. 3, p. 27-30.
5. ↑ Hove JE Algunas propiedades físicas del grafito afectadas por la alta temperatura y la irradiación.//en: Proc.First SCI Conf. on Industrial Carbons and Graphites (Soc. Chem. Ind., London., 1958, p. 501-507)
6. ↑ Rasor NS, Mc Clelland JDJ //J.Phys.Chem.Solids, 1960, v.15, n.º 1-2, pág. 17-20
7. ↑ Sheindlin A. E. , Belevich IS, Kozhevnikov I.G. “Entalpía y capacidad calorífica del grafito en el rango de temperatura 273-3650 K”. Física Térmica de Altas Temperaturas . 1972. V. 10. No. 5. S. 997-1001
8. ↑ Andreev V.D. Problemas seleccionados de física teórica . - Kyiv: Puesto avanzado-Prim,. — 2012.
9. ↑ Nano oro para nosotros: científicos rusos han descubierto un nuevo tipo de depósitos de oro | Nanotecnología Nanonewsnet . www.nanonewsnet.ru Consultado el 1 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2015. (indefinido)
10. ↑ RV Lapshin. Calibración lateral automática de escáneres de microscopios de efecto túnel  (italiano)  // Revisión de instrumentos científicos : diario. - EE.UU.: AIP, 1998. - V. 69 , n. 9 _ - Pág. 3268-3276 . — ISSN 0034-6748 . -doi : 10.1063/ 1.1149091 .
11. ↑ RV Lapshin. Calibración distribuida insensible a la deriva del escáner de la sonda del microscopio en el rango de nanómetros: modo real  //  Applied Surface Science: revista. — Países Bajos: Elsevier BV, 2019. — Vol. 470 . - P. 1122-1129 . — ISSN 0169-4332 . -doi : 10.1016/ j.apsusc.2018.10.149 .

Literatura

• Grafito / R. V. Lobzova // Gran enciclopedia soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
• Yakovlev V. A. Graphite // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron  : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
• Klein, Cornelis y Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual de Mineralogía: según Dana , 20ª ed. ISBN 0-471-80580-7
• Betekhtin A.G. Grupo de carbono // Curso de mineralogía: libro de texto . - M. : KDU, 2007. - S. 185. - 721 p.
• Veselovsky V. S. Grafito. - 2ª ed. - M. : Metalurgia, 1960. - 180 p.

Enlaces

• Científicos rusos han descubierto un nuevo tipo de depósitos de oro Copia de archivo del 30 de junio de 2011 en Wayback Machine
• sobre mineral de grafito _ _
• The Graphite Page Archivado el 9 de diciembre de 2013 en Wayback Machine . 
• Galerías de minerales  (inglés)
• Grafito en la base de datos de webmineral.com . Archivado el 27 de diciembre de 2017 en Wayback Machine . 
• Mindat con ubicaciones Archivado el 17 de enero de 2008 en Wayback Machine . 
• Fabricación de grafito  artificial .

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Clase mineral : elementos nativos ( clasificación IMA , Mills et al., 2009 )
grupo hierro-níquel	Hierro Níquel
grupo de oro	Oro Cobre Plata
grupo de arsénico	Bismuto Arsénico Antimonio
grupo platino	Platino
grupo de polimorfos de azufre	Azufre
grupo de polimorfos de carbono	Diamante Grafito Lonsdaleíta caoita fullerita
otro	Mercurio
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