石墨結構

石墨結構是礦物質石墨的晶體結構，為六邊形層狀。在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵，每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連。

中文名稱	石墨結構
英文名稱	graphite structure
定　　義	全部以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成三個共價單鍵並排列成平面六角的網狀結構，這些網狀結構以范德瓦耳斯力聯成互相平行的平面，構成層片結構。層內原子間距0.142nm，層間距0.335nm。
套用學科	材料科學技術（一級學科），無機非金屬材料（二級學科），無機非金屬材料基礎（三級學科）

基本介紹

• 中文名：石墨
• 外文名：Graphite

結構組成

石墨分子結構

石墨是碳質元素結晶礦物，它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網層間的距離為3.40Å，同一網層中碳原子的間距為1．42Å。屬六方晶系，具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對分子吸引力較弱，故其天然可浮性很好。
石墨與金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質，它們互為同素異形體。

六個碳原子在同一個平面上形成了正六連連形的環，伸展成片層結構，這裡C-C鍵的鍵長皆為142pm，這正好屬於原子晶體的鍵長範圍，因此對於同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們相互重疊。電子比較自由，相當於金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電，這正是金屬晶體特徵。因此也歸類於金屬晶體。
石墨晶體中層與層之間相隔340pm，距離較大，是以范德華力結合起來的，即層與層之間屬於分子晶體。但是，由於同一平面層上的碳原子間結合很強，極難破壞，所以石墨的溶點也很高，化學性質也穩定。
鑒於它的特殊的成鍵方式，不能單一的認為是單晶體或者是多晶體，現在普遍認為石墨是一種混合晶體。

理化性質

常溫下單質碳的化學性質比較穩定，不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑；不同高溫下與氧反應燃燒，生 成二氧化碳或一氧化碳；在鹵素中只有氟能與單質碳直接反應；在加熱下，單質碳較易被酸氧化；在高溫下，碳還能與許多金屬反應，生成金屬碳化物。碳具有還原性，在高溫下可以冶鍊金屬。

石墨質軟，黑灰色；有油膩感，可污染紙張。硬度為1～2，沿垂直方向隨雜質的增加其硬度可增至3～5。比重為1．9～2．3。比表面積範圍集中在1-20m2/g，在隔絕氧氣條件下，其熔點在3000℃以上，是最耐溫的礦物之一。它能導電、導熱。

自然界中純淨的石墨是沒有的，其中往往含有SiO₂、Al₂O₃、FeO、CaO、P₂O₅、CuO等雜質。這些雜質常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現。此外，還有水、瀝青、CO₂、H₂、CH₄、N₂等氣體部分。因此對石墨的分析，除測定固定碳含量外，還必須同時測定揮發分和灰分的含量。
石墨與金剛石、碳60、碳納米管、石墨烯等都是碳元素的單質，它們互為同素異形體。

特殊性質

石墨由於其特殊結構，而具有如下特殊性質：
1、 耐高溫性：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹係數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。
2、 導電、導熱性：石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱係數隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。
3、潤滑性：石墨的潤滑性能取決於石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦係數越小，潤滑性能越好。
4、化學穩定性：石墨在常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐鹼和耐有機溶劑的腐蝕。
5、可塑性：石墨的韌性好，可碾成很薄的薄片。
6、抗熱震性：石墨在常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋。

礦物分類

石墨的工藝特性主要決定於它的結晶形態。結晶形態不同的石墨礦物，具有不同的工業價值和用途。工業上，根據結晶形態不同，將天然石墨分為三類。
1、緻密結晶狀石墨

緻密結晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結晶明顯晶體肉眼可見。顆粒直徑大於0.1毫米，比表面積範圍集中在0.1-1m/g，晶體排列雜亂無章，呈緻密塊狀構造。這種：石墨的特點是品位很高，一般含碳量為60～65%，有時達80～98%，但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨好。
2、鱗片石墨

石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強度的壓力下變質而成的，有大鱗片和細鱗片之分。此類石墨礦石的特點是品位不高，一般在2～3%，或10～25%之間。是自然界中可浮性最好的礦石之一，經過多磨多選可得高品位石墨精礦。這類石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均比其他類型石墨優越；因此它的工業價值最大。
3、隱晶質石墨

隱晶質石墨又稱微晶石墨或土狀石墨，這種石墨的晶體直徑一般小於1微米，比表面積範圍集中在1-5m/g，是微晶石墨的集合體，只有在電子顯微鏡下才能見到晶形。此類石墨的特點是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性比鱗片石墨稍差。品位較高。一般的60～85%。少數高達90%以上。一般套用於鑄造行業比較多。主要蘊藏在湖南郴州魯塘。隨這石墨提純技術的提高。土狀石墨套用越來越廣泛。