10.2. Углерод

Углерод известен в виде ряда кристаллических модификаций, в первую очередь, алмаза и графита, а также углерода с неупорядоченной (аморфной) структурой: кокса, технического углерода (сажи), древесного и активированного угля. Все виды углерода растворяются в расплавленных металлах и не растворяются в обычных неорганических и органических растворителях. При охлаждении расплав кристаллизуется в виде графита и карбида металла.

При обычных условиях углерод химически инертен, однако при достаточно высоких температурах он соединяется со многими элементами и характеризуется сильными восстановительными свойствами.

При нагревании в воздухе аморфный углерод, графит и алмаз воспламеняются соответственно при температурах 300-500, 600-700 и 850-1000⁰С. Продуктами сгорания являются оксид и диоксид углерода.

Для пиротехников практический интерес представляют графит, технический углерод и древесный уголь.

Графит – жирное на ощупь с металлическим блеском вещество серо-черного цвета гексагональной системы. Его кристаллическая решетка состоит из плоских параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов углерода. Он обладает сильной анизотропией физических свойств. Известен также графит тригональной системы. Физические и химические свойства обеих модификаций очень близки. Плотность графита составляет 2265 кг/м³; теплопроводность и электропроводность – высокие.

Графит применяется для увеличения сыпучести, уменьшения коэффициентов внутреннего и внешнего трения составов, выполняет в них роль горючего. Теплота сгорания графита равна 32808 кДж/кг.

Технический углерод используется для облегчения воспламенения некоторых составов и повышения специального эффекта.

Древесный уголь – твердый пористый высокоуглеродный продукт от бурого до черного цвета, получаемый из древесины нагреванием без доступа воздуха (или при незначительном его доступе) в реакторах, печах или кучах. Выпускается двух марок: ТЛ (из твердых пород) и СЛ (из древесины смешанных пород). Свойства его зависят от условий обжига и породы древесины. Обладает большой пористостью и высокой сорбционной способностью. Удельная поверхность угля составляет 160-400 м²/г; отношение объема пор к объему куска березового угля равно 72%, елового угля – 80%. Насыпная плотность сухого порошкообразного угля составляет, кг/м³: елового – 110-120, соснового – 130-140, березового – 176-185, букового – 195. Плотность угля в виде кусков равна, кг/м³: березового – 380, соснового – 290, елового – 260. Истинная плотность угля – 1300-1500 кг/м³. Температура самовоспламенения находится в пределах 340-800⁰С; теплота сгорания – 31425-32800 кДж/кг; коэффициент Демидова – 0,423. Влажность равна, %: после изготовления – 2-4, после хранения – 7-15. Зольность должна быть не более 3%, содержание летучих веществ – не более 20%; реакция водной вытяжки – нейтральная.

Древесный уголь состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и содержит от 0,016 до 0,037% фосфора. Чем выше температура обугливания, тем больше содержание углерода в нем. В угле, полученном при температуре 450⁰С, содержится, %: углерода – 84,9; водорода – 3,1; кислорода и азота – 12. В свежеприготовленном виде он обладает пирофорными свойствами. Черный измельченный уголь более подвержен самовозгоранию, чем бурый.

Древесный уголь хорошо воспламеняется и облегчает воспламенение гетерогенных горючих смесей, широко используется для получения черного пороха.