Дослідницька робота з фізики "Графіт і його фізичні властивості"
Муніципальне освітній заклад
«Красноярська середня загальноосвітня школа №2»
Жирновському муніципального району Волгоградської області
Дослідницька робота
«Графіт його фізичні властивості»
Виконала роботу: Руда Маргарита, 15 років, учениця 10 класу.
Керівник: Бударіна Є.В.,
вчитель фізики.
р.п.Красний Яр
2015р
У елемента номер шість
Переваг дуже багато є:
«Людям я зовсім як брат -
Багато тисяч років тому
Я вже палав у вогнищі,
висвітлюючи інтер'єр
Первісних їх печер,
І прикрасити був я радий
Дам і лицарів наряд,
Що блищали при дворі ...
Якщо м'яким бути вирішу, -
То в зошиті я пишу ».
Така, друзі, природа,
Елемента вуглецю.
Актуальність теми. Ще зовсім недавно, в середині XX графіт знаходив порівняно обмежене застосування в якості матеріалу для електродів, анодів контактних щіток і т.д. Використання графіту в атомній промисловості і ракетній техніці істотно підвищило вимоги до підвищення міцності і термічної стійкості, а головне до відтворюваності його властивостей. Сучасний розвиток технологій призвів до того, що графіт знаходять застосування при створенні нової високотемпературної техніки: в електротехніці для електродів ртутних і електровакуумних ламп, в метрології для створення випромінювачів високотемпературних моделей, що працюють при температурі близько 3000 К, а також в якості матеріалу для нагрівачів. У шкільному ж курсі природничих наук властивості графіту практично не розглядаються. Тому я і вибрала в якості об'єкта свого дослідження саме графіт, його фізичні властивості: вивчити їх теоретично і продемонструвати доступним для школяра способом.
Тема дослідницької роботи: «Графіт і його фізичні властивості».
Мета роботи:
Теоретично вивчити фізичні властивості графіту.
Продемонструвати властивості графіту доступним способом.
База досліджень: лабораторія кабінету фізики МОУ «Красноярська СОШ№2».
Етапи роботи:
Вивчення науково-популярної літератури.
Проведення експерименту - створення лампи розжарювання в домашніх умовах.
Узагальнення і систематизація знань з даного питання.
Графіт - унікальний самородний мінерал, аллотропная модифікація елемента вуглецю, найбільш стійка в земній корі. Властивості графіту добре вивчені і знаходять широке застосування. Утворюється графіт в результаті вулканічної діяльності при високих температурах, тому і знаходять його в природі в магматичних гірських породах, де вміст кристалічного графіту може доходити до 50%. Зустрічається графіт також спільно з вольфрамітом - в кварценосних жилах, спільно з іншими мінералами - в поліметалічних среднетемпературних родовищах, а в таких метаморфічних породах, як мармур, гнейси, сланці, графіт поширений дуже широко. За допомогою іонної мас-спектрометрії російським вченим вдалося виявити в складі графіту золото, срібло і платиноїди (платина, паладій, іридій, осмій і ін.) У формі металоорганічних нанокластеров. Велике графітове родовище знаходиться в Тунгуський кам'яновугільному басейні, що утворилося в результаті високотемпературного впливу на вугілля - так звана скритокрісталліческая форма графіту, зміст якого лежить в межах від 60 до 80%.
Структура графіту. В кристалічній структурі графіту розрізняються дві її модифікації: гексагональную, або α-модифікції, і ромбоедричних, або β-модифікацію. В альфа-графіті кожен атом вуглецю пов'язаний з трьома сусідніми атомами sp-3-гібридними хмарами, утворюючи кристалічний шар, що складається з правильних шестигранників. Кожен шар утримується з іншим, паралельним йому шаром, за рахунок ван-дер-вальсовскіх сил. Причому, центри шестигранників верхнього і кожного нижнього шарів збігаються, однак шари зміщені відносно один одного на 0,1418 нм в горизонтальному напрямку і в порядку «через один». Шарувата структура пояснює багато властивостей графіту.
α-модифікції граніту β- модифікація графіту
У бета-графіті атоми шарів пов'язані між собою точно так же, але чергування горизонтального зміщення відбувається через два шари. Ромбоедрична структура вважається нестабільною, що руйнується при температурі понад 2230оС, але в природних графіту з гексагональної структурою зустрічається до 30% β-модифікації графіту.
Фізичні властивості графіту. Колір графіту варіює від залізо-чорного до сталевого сірого з характерним металевим блиском. На дотик мінерал жирний, слизький, бруднить пальці і папір.
На відміну від алмазу має низьку твердістю (1 по шкалою Мооса ). Щодо м'який. Після впливу високих температур стає трохи твердіше, і стає дуже крихким. щільність 2,08-2,23 г / см³. Природний графіт містить 10-12% домішок глин і оксидів заліза. При терті розшаровується на окремі лусочки (це властивість використовується в олівцях ).
Електропровідність графіту в 2,5 рази більше електропровідності ртуті. При температурі 0 град. питомий опір електричному струму знаходиться в межах від 0,390 до 0,602 ом. Низька межа питомого опору для всіх видів графіту однаковий і рівний 0,0075 ом.
Графіт має велику теплопровідність, яка дорівнює 3,55вт * град / см і займає місце між паладієм і платиною. Коефіцієнт теплопровідності 0,041 (в 5 разів більше, ніж у цегли). У тонких графітових ниток теплопровідність вище, ніж у мідних.
Температура плавлення графіту - 3845-3890 С при тиску від 1 до 0,9 атм.
Точка кипіння доходить до 4200 С.
Температура займання в струмені кисню становить для явнокрісталліческіх графітів 700-730С. Кількість тепла, одержуваного при спалюванні графіту, знаходиться в межах від 7832 до 7856 ккал.
Графіт не володіє еластичністю, але тим не менше він може бути підданий резанию і вигинання. Графитовая дріт легко згинається і закручується в спіраль, а при вальцюванні дає подовження близько 10%. Опір на розрив такого дроту дорівнює 2 кг / мм2, а модуль вигину дорівнює 836 кг / мм2.
Коефіцієнт світлопоглинання графіту постійний для всього спектра і не залежить від температури випромінювання тіла; для тонких графітових ниток він дорівнює 0,77, зі збільшенням кристалів графіту светопоглащеніе вже знаходиться в межах 0,52-0,55.
монокристали графіту діамагнітни , магнітна сприйнятливість незначна в базисної площини і велика в ортогональних базисних площинах. Коефіцієнта Холла змінюється з позитивного на негативний при 2400 К.
Після опромінення графіту нейтронами його фізичні властивості змінюються: ρ збільшується, а міцність , Модуль пружності, твердість, теплопровідність зменшуються на порядок. Після відпалу при 1000-2000 ° С властивості відновлюються до колишніх значень.
Жирність і пластичність графіту є найважливішими властивостями, які дають можливість широко застосовувати його в промисловості. Чим вище жирність графіту, тим менше коефіцієнт тертя. Від жирності графіту залежить використання його в якості мастильного матеріалу, а також здатність прилипання до твердих поверхонь.
Завдяки цим властивостям є можливість створювати тонкі плівки при натирання графітом поверхні твердих тіл.
Хімічні властивості графіту. Хімічно інертний і не розчиняється ні в яких розчинниках, крім розплавлених металів, особливо тих, у яких висока точка плавлення. При розчиненні утворюються карбіди, найбільш важливими властивостями яких є карбіди вольфраму, титану, заліза, кальцію і бору.
При звичайних температурах графіт з'єднується з іншими речовинами дуже важко, але при високих температурах він дає хімічні сполуки з багатьма елементами.
Застосування графіту. Технічне застосування мінералу надзвичайно різноманітно й обумовлений властивостями графіту, головним чином його вогнетривкість і електропровідністю. Так, в металургії графіт використовується для виробництва тугоплавких тиглів, чохлів для термопар, ємностей для кристалізації. У ливарному виробництві графітовий порошок використовується в якості антипригарной присипки, а також для змазування ливарних форм. Низький коефіцієнт теплового розширення графіту і пов'язана з цим висока стійкість до температурних напружень, є вирішальним фактором застосування його, як важливого і незамінного допоміжного матеріалу в металообробної, чавуноливарної і сталеливарної промисловості, тобто всюди, де робочі поверхні повинні охоронятися від прямого впливу розплавленого металу. Важливою перевагою при такому використанні є також його несмачиваемость повністю відновленими металами і нейтральними шлаками, міцність при високих температурах. Застосування графіту під час відпливу деталей підвищує якість відливів, зменшує кількість браку, і запобігає утворенню пригару, на видалення якого потрібно великих зусиль і витрати.
З колоїдно-графітових сумішей виготовляють шліфувальні та полірувальні пасти.
Хороші електропровідні властивості графіту дозволяють використовувати його для виробництва електродів і контактів деяких електричних приладів. Крім виробництва олівців, графіт використовується для виготовлення фарб і термостійких мастильних матеріалів, для наповнення пластмас.
Навіть в атомній енергетиці чудові властивості графіту знаходять своє застосування, в першу чергу, це його здатність сповільнювати електрони в реакторах - чистий графіт має низький коефіцієнт поглинання нейтронів і найвищий коефіцієнт уповільнення. У ракетобудуванні сопла ракетних двигунів і багато елементів теплозахисту також виробляються із застосуванням графіту.
Використання графіту засноване на ряді його унікальних властивостей.
для виготовлення плавильних тиглів, футеровочних плит - застосування засноване на високій температурній стійкості графіту (за відсутності кисню), на його хімічної стійкості до цілого ряду розплавлених металів
електродів , Нагрівальних елементів - завдяки високій електропровідності і хімічної стійкості до практично будь-яких агресивних водних розчинів (набагато вище, ніж у благородних металів).
Для отримання хімічно активних металів методом електролізу розплавлених сполук. Зокрема, при отриманні алюмінію використовуються відразу два властивості графіту:
Хороша електропровідність, і як наслідок - його придатність для виготовлення електрода
Газоподібні продукти реакції, що протікає на електроді - це вуглекислий газ. Газоподібні продукти означає, що він виходить з електролізера сам, і не вимагає спеціальних заходів щодо його видалення із зони реакції. Це властивість істотно спрощує технологію виробництва алюмінію.
висновки:
Графіт - аллотропная модифікація вуглецю, найбільш стійка в земній корі.
Графіт - один з найбільш унікальних природних матеріалів, завдяки своїм фізичним властивостям.
Графіт знаходить широке застосування в техніці, промисловості, ракетобудуванні.
література:
графіт // Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона : У 86 томах (82 т. І 4 доп.). - СПб., 1890-1907.
Бетехтін А. Г. Група вуглецю // Курс мінералогії: навчальний посібник . - М .: КДУ, 2007. - С. 185. - 721 с.
Булах А.Г. Загальна мінералогія. 1999.
Дядін Ю.А. Графіт і його сполуки включення.