углеродные вещества

Углеродные вещества

Атомы углероды могут образовывать разные по конфигурации кристаллические решетки. В результате образуются вещества с различными свойствами — аллотропные модификации углерода. К ним относятся графит, алмаз, фуллерены, карбин, аморфный углерод. Все модификации можно получить из природного газа, угля или сажи и на их основе произвести ценные для производства материалы, такие как графен, спектральный уголь, углеродные нанотрубки.

Какие вещества образует элемент углерод

В производстве чаще всего используются уголь, графит и их производные. Антрацит — самая высокоуглеродная и ценная разновидность угля, добывается с глубины 6000м. Кокс — продукт переработки коксующихся каменных углей, по свойствам близок к антрациту. Кокс отличается от обычных углей способностью к спеканию. Кокс делится на марки по процентному содержанию серы от 0,45 до 1,2. Чем меньше серы, тем выше качество угля. Например, кокс литейный КЛ-1 содержит 0,45-0,58% серы. Деление кокса и антрацита на классы определяется степенью дробления, размеры фракций бывают от 20мм и больше. 

У графита структура слоистая. Это мягкий и хрупкий материал с невысокой химической активностью, сохраняющий стабильность при высокой температуре и давлении. Графит обладает значительной электропроводностью в одной плоскости — вдоль слоя атомов углерода. Перпендикулярно плоскости слоев электропроводность в 100-1000 раз ниже, и в этом направлении графит ведет себя как полупроводник. Особенно сильно эти свойства выражены в монокристалле графита.

Спектральными углями называют электроды из графита, которые применяют для спектрального анализа.  Выделенный из графита один слой кристаллической решетки называется графеном. Этот материал обладает уникальной проводимостью. Он открыл эру новых возможностей для технологий 21 века.

Как производят углеродные вещества

Каменноугольный кокс получают из высокоуглеродных сортов угля путем технологического процесса, который называется коксованием. Сначала разные сорта угля измельчают и смешивают, получается шихта. Ее загружают в коксовые печи и за 14-15 часов нагревают до 1000°С. Длительным нагревом смолы, самой тяжелой фракции нефти, получают нефтяной кокс.

Природный графит в виде самородных включений встречается в залежах гранита, мрамора и многих других горных пород. Искусственный графит получают нагревом до 2800°C кокса с пеком — плотным продуктом перегонки дегтя или нефтяной смолы. Также это углеродное вещество можно произвести разложением природного газа при 1500°C. Сначала получается пироуглерод. Его нагревают до 3000°C при давлении 50мПа и образуется пирографит.

Порошок графена получают преобразование мелкоизмельченного графита в смеси растворителей с помощью шаровой мельницы. Получаются частицы толщиной 3нм-5нм и диаметром 0,5мкм-10мкм. Они вмещают не больше 14 слоев атомов углерода. Выше всего ценится монослой графена. Его можно получить из пирографита путем отшелушивания или отщепления ручным способом. Этот метод очень дорогой для промышленности, там графен получают преимущественно разложением карбида кремния и осаждением атомов углерода из паров.

Как используют углеродные вещества

Благодаря электропроводности графит активно применяют в электротехнике для производства электродов. Благодаря слоистости этот материал подходит для изготовления карандашных стержней, сухих смазок. Стабильность графита позволяет производить из него стержни-замедлители нейтронов в ядерной энергетике, нагревательные элементы, футеровочные плиты, изложницы, плавильные тигли. Из графита изготавливают важные узлы для химической аппаратуры — холодильники, испарители, нагреватели, конденсаторы.

Измельченный графит входит в состав углепластиков, огнеупорных кирпичей. При давлении 5ГПа и температуре от 2000°C из графита получают синтетические алмазы. Из кристаллического литейного графита получают пасты, краски, припыл для покрытия форм и деталей в металлургическом производстве.

Из технического углерода, или сажи в смеси с коксом, графитом, другими добавками производят щетки для контактов электромашин, осветительные элементы для буровых ламп, материал для спектрального анализа, порошки для магнитофонов. Также изготавливают углеродные пасты и массы для получения самоспекающихся электродов, затирки швов при облицовке разных видов производственных печей и электролизеров.

Каменноугольный литейный кокс применяют для выплавки стали и чугуна в вагранках — шахтных топливных печах. Также кокс используют для получения металлов способом карботермии. Так производят галлий, германий, цинк, молибден, свинец из их оксидов. Наиболее качественный антрацит может заменить кокс в некоторых металлургических процессах.

Из нефтяного кокса делают анодную массу для производства алюминия, его добавляют в конструкционные материалы, используют для производства карбидов кальция и кремния. Игольчатый электродный нефтяной кокс применяют в атомной энергетике, космической технике, электрохимических производствах.

Графен используют в транзисторах для микросхем, как чувствительный сенсор для распознавания разных веществ, как материал для светодиодов, фотодетекторов, электродов в суперконденсаторах.