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石墨(graphite)是一種礦物名，通常產於變質岩中，是煤或碳質岩石（或沉積物）受到區域變質作用或岩漿侵入作用形成。石墨是元素碳的一種同素異形體，每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子，排列方式呈蜂巢式的多個六邊形，每層間有微弱的范德華引力。由於每個碳原子均會放出一個電子，那些電子能夠自由移動，因此石墨屬於導電體。

名稱來源

源於希臘文「graphein」，意為「用來寫」。由德國化學家和礦物學家A.G.Werner於1789命名。

碳元素

碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。碳是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一。碳能在化學上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。

碳化合物

碳化合物一般從化石燃料中獲得，然後再分離並進一步合成出各種生產生活所需的產品，如乙烯、塑料等。

存在形式

碳的存在形式是多種多樣的，有晶態單質碳如金剛石、石墨；有無定形碳如煤；有複雜的有機化合物如動植物等；碳酸鹽如大理石等。單質碳的物理和化學性質取決於它的晶體結構。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結構不同，各有各的外觀、密度、熔點等。

性質特徵

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，在高溫下可以冶煉金屬。

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。

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。

混合晶體

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。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。

鑑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。

產地分布

成因和產狀：石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質礦床，系由富含有機質或碳質的沉積岩經區域變質作用而成

中國：山東省萊西市為我國石墨重要產地之一，石墨探明儲量687.11萬噸，現保有儲量639.93萬噸。另外吉林省磐石市也是石墨產地之一，石墨儲量500 萬噸。

世界：著名產地：紐約Ticonderoga，馬達加斯加和Ceylon，我國以黑龍江雞西市柳毛為最大的產地。

形態特性

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。

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。

緻密結晶狀石墨

1．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0.1-1m2/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.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。

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1-5m2/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。一般應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。土狀石墨應用越來越廣泛。

石墨在工業上運用極廣，幾乎每個行業都會用到。工業上多用的是人造石墨，也就是特種石墨。按其成型的方式可分為以下幾種。

1．等靜壓石墨。也就是很多人叫的三高石墨，但是並不是三高就是等靜壓。

2．模壓石墨

3．擠壓石墨，多為電極材料。

其中按石墨的顆粒度分，也可分為：細節構石墨、中粗石墨（一般的顆粒度在0.8mm左右）、還有就是電極石墨（2-4mm）。

特殊性質

晶系和空間群：六方晶系，P63/mmm

晶胞參數：a0=0.246nm，c0=0.670nm

典型的層狀結構，碳原子成層排列，每個碳與相鄰的碳之間等距相連，每一層中的碳按六方環狀排列，上下相鄰層的碳六方環通過平行網面方向相互位移後再疊置形成層狀結構，位移的方位和距離不同就導致不同的多型結構。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內的碳之間的距離大得多（層內C-C間距=0.142nm，層間C-C間距=0.340nm）

形態：單晶體常呈片狀或板狀，但完整的很少見。集合體通常為鱗片狀，塊狀和土狀

顏色：鐵黑色

條痕：光亮黑色

透明度：不透明

光澤：呈半金屬光澤

硬度：1-2

解理和斷口：平行解理極完全

比重：2.21-2.26g/cm3

比表面積：5-10m2/g

其他性質：薄片具撓性，有滑感，易污手，具有良好的導電性

鑑定特徵鐵黑色，硬度低，一組極完全解理，有滑感和染手；如果將硫酸銅溶液潤濕的鋅粒放在石墨上，則可析出金屬銅的斑點，在與石墨相似的輝鉬礦上則無此反應。

提起鑽石，人們就會聯想到光彩奪目、閃爍耀眼的情景，它隨着擁有者的活動而光芒四射。但因它的昂貴价格，大多數人只能望而卻步。儘管如此，人們對鑽石還是很嚮往的。你知道鑽石是什麼嗎？它的化學成分是碳(C)，天然的鑽石是由金剛石經過琢磨後才能稱之謂「鑽石」。天然的鑽石是非常稀少的，世界上重量大於1000克拉(1克=5克拉)的鑽石只有2粒，400克拉以上的鑽石只有多粒，我國迄今為止發現的最大的金剛石重158.786克拉，這就是「常林鑽石」。物以稀為貴，正因為可做「鑽石「用的天然金剛石很罕見，人們就想「人造「金剛石來代替它，這就自然地想到了金剛石的「孿生「兄弟--石墨了。

金剛石和石墨的化學成分都是碳(C)，稱「同素異形體」。從這種稱呼可以知道它們具有相同的「質」，但「形」或「性」卻不同，且有天壤之別，金剛石是目前最硬的物質，而石墨卻是最軟的物質之一。

石墨和金剛石的硬度差別如此之大，但人們還是希望能用人工合成方法來獲取金剛石，因為自然界中石墨(碳)藏量是很豐富的。但是要使石墨中的碳變成金剛石那樣排列的碳，不是那麼容易的。石墨在5-6萬大氣壓（（5-6）×103MPa）及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉變成金剛石粉末。

目前世界上已有十幾個國家（包括我國）均合成出了金剛石。但這種金剛石因為顆粒很細，主要用途是做磨料，用於切削和地質、石油的鑽井用的鑽頭。當前，世界金剛石的消費中，80%的人造金剛石主要是用於工業，它的產量也遠遠超過天然金剛石的產量。

最初合成的金剛石顆粒呈黑色，0.5mm大小，重約0.1克拉（用於寶石的金剛石一般最小不能小於0.1克拉）。美國、日本等已製成6.1克拉多的金剛石，現在我國人造金剛石企業黃河旋風公司實驗室生成的大顆粒金剛石達8mm左右，代表了我國在該領域研究前沿。我們說金剛石已從石墨中「飛」出，寶石級的人造金剛石也會在不久的將來供應於市場。

石墨熔點

金剛石的熔點是3823K,石墨的熔點是3773K。石墨熔點低於金剛石。

比較石墨和金剛石的熔點不能單純地從鍵能的方面予以考慮，如果忽視掉熔化時斷裂鍵的個數，那麼得到的數據也不可取。

數據來源：無機化學 下冊/武漢大學等校編——3版。——北京：高等教育出版社，1994.4（2008重印）

新的用途：一種理想的密封材料。廣泛用於石油化工、原子能等工業領域。國際市場需求量逐年增長。

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