2.1.2 Графит
Графит представляет собой темно серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую решетку. Все атомы углерода находятся здесь в состоянии sр^2-гибридизации: каждый из них образует три ковалентные у-связи с соседними атомами, причем углы между направленными связей равны 120 °. В результате возникает плоская сетка, которая состоит из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода; расстояние между соседними ядрами составляет примерно 0,1415 нм.
В образовании у-связей участвуют три электрона каждого атома углерода. Четвертый электрон внешнего слоя занимает 2р-орбиталь, которая не участвует в гибридизации. Такие нeгибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя и при перекрывании друг с другом, образуют делокализованные л-связи.
Соседние слои атомов углерода в кристалле графита находятся на довольно большом расстоянии друг от друга (0,335 нм); это указывает на малую прочность связи между атомами углерода, расположенными в разных слоях. Соседние слои связаны между собой в основном силами Ван-дер-Ваальса, но частично связь имеет металлический характер, т.е. обусловлена «обобществлением» электронов всеми атомами кристалла. Этим объясняется сравнительно высокая электрическая проводимость и теплопроводность графита не только в направлении слоев, но и в перпендикулярном к ним направлении.
Рассмотренная структура графита обусловливает сильную анизотропию его свойств. Так, теплопроводность графита в направлении плоскости слоев равна 4,0 Дж/(см*с*К), а в перпендикулярном направлении составляет 0,79 Дж/(см. с. К). Электрическое сопротивление графита в направлении слоев в 104 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении.
Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга. Этим объясняется малая механическая прочность графита. Если провести куском графита по бумаге, то мельчайшие кристаллики графита, имеющие вид чешуек, прилипают к бумаге, оставляя на ней серую черту. На этoм основано применение графита для изготовления карандашей.
На воздухе графит не загорается даже при сильном, но легко сгорает в чистом кислороде, превращаясь в диоксид углерода.
Благодаря электрической проводимости графит применяется для изготовления электродов. Из смеси графита с глиной делают огнеупорные тигли для плавления металлов. Смешанный с маслом графит служит прекрасным смазочным средством, гак как чешуйки его, заполняя неровности материала, создают гладкую поверхность, облегчающую скольжение. Графит применяют также в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.
Кроме природного, в промышленности находит применение искусственный графит. Его получают главным образом из лучших сортов каменного угля. Превращение происходит при температурах около 3000 °С в электрических печах без доступа воздуха. На основе естественного n, особенно, искусственного графита изготовляют материалы, применяемые в химической промышленности. Благодаря их высокой химической стойкости они используются для футеровки, изготовления труб и др.
Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, в частности при обычных условиях. В связи с этим при расчетах термодинамических величин в качестве стандартного состояния углерода принимается графит. Алмаз термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях (выше 10° Па). Однако скорость превращения алмаза в графит становится заметной лишь при температурах выше 1000 °С; при 1750 °С превращение алмаза в графит происходит быстро.
"Аморфный" углерод (уголь). При нагревании углеродсодержащих соединений без доступа воздуха из них выделяется черная масса, называемая "аморфным" углеродом или просто углем. Такой углерод состоит из мельчайших кристалликов с разупорядоченной структурой графита. Уголь растворяется во многих расплавленных металлах, например в железе, никеле, платине. Плотность угля колеблется от 1,8 до 2,1 г/см^3.
Угли существенно различаются по своим свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Кроме того, очи всегда содержат примеси, сильно влияющие на их свойства. Важнейшие технические сорта угля: кокс, древесный уголь, костяной уголь и сажа.
Кокс получается при сухой перегонке каменного угля. Применяется он главным образом в металлургии при выплавке металлов из руд.
Древесный уголь получается при нагревании дерева без доступа воздуха. При этом улавливают цепные продукты сухой перегонки - метиловый спирт, уксусную кислоту и др. Древесный уголь применяется в металлургической промышленности, в кузнечном деле.
Благодаря пористому строению, древесный уголь обладает высокой адсорбционной способностью.
Чтобы наблюдать адсорбцию газов углем, произведем следующим опыт. Наполним аммиаком стеклянный цилиндр и опустим открытый конец его в чашку с ртутью. Затем, прокалив на горелке кусочек древесного угля, погрузим его в ртуть н подведем под отверстие цилиндра с аммиаком. Уголь всплывает на поверхность ртути в цилиндре, и ртуть сейчас же начинает подниматься вверх вследствие поглощения аммиака углем.
Особенно хорошо поглощают газы активные угли. Они применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха и газовых смесей, в противогазах, а также в качестве катализатора в некоторых химических производствах.
Уголь обладает способностью адсорбировать не только газы, но и растворенные вещества. Это его свойство открыл в конце XVIII века русский академик Т.Е. Ловиц.
Костяной уголь получается путем обугливания обезжиренных костей. Он содержит от 7 до 11 % углерода, около 80 % фосфата кальция и другие соли. Костяной уголь отличается очень большой поглотительной способностью, особенно по отношению к органическим красителям, и служит для удаления из растворов различных красящих веществ.
Сажа представляет собой наиболее чистый "аморфный» углерод. В промышленности ее получают термическим разложением метана, а также сжиганием при недостаточном доступе воздуха смолы, скипидара и других богатых углеродом веществ. Сажа применяется в качестве черной краски (тушь, типографская краска), а также в производстве резины как ее составная часть.