Элитный шунгит

Вопрос от Галины:
Здравствуйте! На сайте есть ответ Олега Мосина на вопрос о так называемом "элитном" шунгите. Если я правильно поняла, в нем дается общая характеристика шунгита А все таки есть отличие обычного шунгита от "элитного"? Буду очень признательна за пояснение С уважением Галина.

Отвечает к.х.н. О.В. Мосин:

Элитный шунгит или как его иногда обозначают Шунгит "IШ" - это самородная порода черного цвета, со стеклянным блеском, добываемая ручным способом. Он отличается от других видов шунгита большим содержанием углерода (90-98%) и фуллеренов. Считается, что такой шунгит чрезвычайно эффективен по всем показателям: для настоя воды, нейтрализации ЭМИ, лечения и т.д.

Элитный шунгит часто используют для изготовления и ношения различных изделий и украшений – пирамид, оберегов и кулонов. Лично я никогда в своей практике такого шунгита не встречал, несмотря на то, что в природе, действительно, существуют различные разновидности шунгита с различным содержанием углерода в шунгитной породе.

Шунгиты различаются по составу минеральной основы (алюмосиликатной, кремнистой, карбонатной) и количеству шунгитового углерода. Шунгитовые породы с силикатной минеральной основой подразделяются на малоуглеродистые шунгитсодержащие (до 5 % С), среднеуглеродистые шунгитистые (5…25 % С) и высокоуглеродистые шунгитовые (25…80 % С) [4]. Сумма (C+SiO2) в шунгитах Зажогинского месторождения находится в пределах 83…88 %.

По структуре шунгит представляет собой аллотропную форму метастабильного углерода, находящегося на предграфитовой стадии углефикации. Кроме углерода в состав шунгита, добываемом из Зажогинского месторождения в Карелии, входят также SiO2 (57,0 масс. %), TiO2 (0,2 масс. %), Al2O3 (4,0 масс. %), FeO (0,6 масс. %), Fe2O3 (1,49 масс. %), MgO (1,2 масс. %), MnO (0,15 масс. %), К2О(1,5 масс. %), S (1,2 масс. %) (таблица 1). В продукте, полученном при термическом обжиге шунгита (шунгизит) при 1200-1400 0С,содержатся в небольших количествах V (0,015 масс. %), B (0,004 масс. %), Ni (0,0085 масс. %), Mo (0,0031 масс. %), Cu (0,0037 масс. %), Zn (0,0067 масс. %), Co (0,00014 масс. %) As (0,00035 масс. %), Cr (0,0072 масс. %), Zn (0,0076 масс. %) и другие элементы (таблица 2).

Физико-химические свойства шунгита достаточно хорошо изучены. Плотность шунгита составляет 2,1…2,4 г/см3; пористость – до 5 %; прочность на сжатие – 1000…1200 кгс/см2; коэффициент электропроводности – 1500 сим/м; коэффициент теплопроводности – 3,8 Вт/м .К, адсорбционная емкость до 20 м2/г.

Таблица 1. Химический состав шунгитов Зажогинского месторождения (Карелия) (масс. %)

 

Элемент,

компонент

Химический компонент

Содержание,

масс. %

1

Углерод

С

30,0

2

Оксид кремния

SiO2

57,0

3

Оксид титана

TiO2

0,2

4

Оксид алюминия

Ai2O3

4,0

5

Оксид железа (II)

FeO

0,6

6

Оксид железа (III)

Fe2O3

1,49

7

Оксид магния

MgO

1,2

8

Оксид марганца

MnO

0,15

9

Оксид кальция

CaO

0,3

10

Оксид натрия

Na2O

0,2

11

Оксид калия

K2O

1,5

12

Сера

S

1,2

13

Влажность

H2O

1,7

 

Таблица 2. Химический состав шунгита после термообработки при 1200-1400 0С

 

Элемент,

компонент

Химический компонент

Содержание,

масс. %

1

Углерод

С

26,25

2

Оксид кремния

SiO2

3,45

3

Оксид титана

TiO2

0,24

4

Оксид алюминия

Ai2O3

3,05

5

Оксид железа (II)

FeO

0,32

6

Оксид железа (III)

Fe2O3

1,01

7

Оксид магния

MgO

0,56

8

Оксид марганца

MnO

0,12

9

Оксид кальция

CaO

0,12

10

Оксид натрия

Na2O

0,36

11

Оксид калия

K2O

1,23

12

Сера

S

0,37

14

Оксид фосфора

P2O3

0,03

15

Барий

Ba

0,32

16

Бор

B

0,004

17

Ванадий

V

0,015

18

Кобальт

Co

0,00014

19

Медь

Cu

0,0037

20

Молибден

Mo

0,0031

21

Мышьяк

As

0,00035

22

Никель

Ni

0,0085

23

Свинец

Pb

0,0225

24

Стронций

Sr

0,001

26

Хром

Cr

0,0072

26

Цинк

Zn

0,0067

27

Влажность

H2O

0,78

28

Потери при прокаливании

ППП

32,78

Уникальные свойства шунгита определяются наноструктурой и составом образующих его элементов. Шунгитовый углерод равномерно распределен в силикатном каркасе из мелкодисперстных кристаллов кварца, размерами 1-10 мкм., что подтверждено исследованиями ультратонких шлифов шунгита методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) в поглощенных и обратнорассеянных электронах (рис. 1).

 

Рис. 1. Структура шунгитовой породы в растровом электронном микроскопе. Область сканирования 100x100 мкм., разрешение 0,3 нм, увеличение 500000 раз. Стрелками показаны силикатный каркас из мелкодисперстного кварца, размерами 1-10 мкм. и равномерно распределенный углерод.

Шунгитовое углеродистое вещество является продуктом высокой степени карбонизации углеводородов. Его элементный состав (масс. %): С - 98,6…99,6, Н - 0,15…0,5, (Н+О) - 0,15…0,9. При практически постоянном элементном составе шунгитового углеродистого вещества наблюдается непостоянство его структур - молекулярной и надмолекулярной, поверхностной, пористой. Рентгеноструктурные исследования показали, что по молекулярной структуре шунгитовый углерод представляет собой твердый углерод, компоненты которого могут находиться в состоянии близком как к графиту, так и к газовой саже и стеклоуглероду, т. е. максимально разупорядоченным. Углеродистое вещество шунгитов с явно выраженной структурной анизотропией проявляет существенное увеличение диамагнетизма при пониженных температурах, характерное для фуллеритов.

Основу шунгитного углерода составляют полые многослойные фуллереноподобные сферическия глобулы, диаметром 10…30 нм, содержащие пакеты плавно изогнутых углеродных слоев, охватывающих нанопоры (рис. 2). Структура глобулы устойчива относительно фазовых переходов шунгитового углерода в другие аллотропные формы. Фуллереноподобные глобулы могут содержать от нескольких десятков до нескольких сотен атомов углерода и различаться по форме и размерам. Фуллерены впервые были открыты в 1985 году при лазерном облучении твёрдого графита. Позже фуллерено-подобные структуры были обнаружены не только в графите, но и в образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах саже, а также в шунгите (0,001 масс. %). Кристалл, образованный молекулами фуллеренов (фуллерит) является молекулярным кристаллом; переходной формой между органическим и неорганическим веществом. Фуллерит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку размером 1,42 нм, расстоянием между ближайшими соседями - 1 нм и числом ближайших соседей в ГЦК решетке фуллерита, равным 12. При 249 К в фуллерите наблюдается фазовый переход первого рода, при котором ГЦК решетка переходит в простую кубическую с увеличением объема фуллерита на 1%. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что несколько меньше плотности и шунгита (2,1…2,4 г/см3) и графита (2,3 г/см 3).

 

Рис. 2. Нанодифракционная электронограмма углерода шунгита в виде сферических многослойных фуллереноподобных глобул, диаметром 10…30 нм, полученная методом РЭМ (зонд 0,3…0,7 нм, энергия пучка электронов 100-200 кВ, радиус пучка 10 нм, диапазон поворота гониометра –27…+27 град). Слева флуоресциирующие фуллереноподобные сферические глобулы; справа – многослойные фуллереноподобные сферические глобулы с пакетами углеродных слоев, при более высоком разрешении.

Характерной особенностью структуры фуллеренов является то, что атомы углерода расположены в вершинах правильных шестии пятиугольников, покрывающих поверхность формирующейся графитовой сферы или эллипсоида и составляют замкнутые многогранники, состоящие из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода, находящихся в состоянии sp2 –гибридизации. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой ковалентной С-С связью, длина которой в пятиугольнике – 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. Молекулы фуллеренов могут содержать 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70 и т.д. атомов углерода (рис. 3). Фуллерены с количеством углеродных атомов n<60 являются неустойчивыми. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (n<400), образуются в незначительных количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. В углеродистом веществе шунгитовых пород выявлены фуллерены (С60, С70, С74, С76, С84 и др.), а также фуллереноподобные структуры, как обособленные, так и связанные с минералами. Описаны и трубчатые разновидности углеродных фуллереноподобных кластеров - нанотрубки и пленочные формы.

 

Рис. 3. Разновидности природных и синтетических фуллеренов с различным количеством атомов углерода: С24, С28, С32, С36, С50, С60, С70.

Благодаря сетчато-шарообразному строению природные фуллерены и их синтетические производные являются идеальными сорбентами и наполнителями. Толщина сферической оболочки молекулы фуллерена С60 составляет ~0,1 нм с радиусом молекулы - 0,357 нм. Помещая внутри углеродных кластеров разные атомы и молекулы, можно создавать различные материалы и сорбенты с широким спектром физико-химических свойств. В настоящее время на основе фуллеренов синтезировано более 3 тысяч новых соединений. Перспективы развития синтеза фуллеренов связаны с особенностями химического строения молекул фуллеренов –  трехмерных аналогов ароматических структур и наличием большого числа двойных сопряженных связей и реакционных центров на замкнутой углеродной сфере. Обладая высокой электроотрицательностью, фуллерены выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Комбинация фуллерена с представителями множества известных классов веществ открывает для химиков-синтетиков возможность получения многочисленных производных этих соединений.

Источник:

Cтатья О. В. Мосина Новый природный минеральный сорбент – шунгит // Сантехника. 2011. N 3. С. 34-36.