الجرافين: ما هو ، تطبيقاته ، هيكله وخصائصه

الجرافين مادة متناهية الصغر تتكون فقط من الكربون ، حيث ترتبط الذرات ببعضها البعض مكونة هياكل سداسية.

إنه أجود أنواع الكريستال المعروف وخصائصه تجعله مرغوبًا للغاية. هذه المادة خفيفة ، موصلة للكهرباء ، صلبة ومقاومة للماء.

قابلية تطبيق الجرافين في عدة مجالات. وأشهرها: البناء المدني ، والطاقة ، والاتصالات ، والطب ، والإلكترونيات.

منذ اكتشافه ، ظل الجرافين مركز الاهتمام البحثي. تحشد دراسة التطبيقات لهذه المادة المؤسسات والاستثمارات بملايين اليورو. لذلك يحاول العلماء في جميع أنحاء العالم تطوير طريقة أرخص لإنتاجه على نطاق واسع.

فهم ماهية الجرافين

الجرافين هو شكل متآصل من الكربون ، حيث يشكل ترتيب ذرات هذا العنصر طبقة رقيقة.

هذا التآصل ثنائي الأبعاد ، أي أنه يحتوي على قياسين فقط: العرض والارتفاع.

للحصول على فكرة عن حجم هذه المادة ، فإن سمك الورقة يتوافق مع تراكب 3 ملايين طبقة من الجرافين.

على الرغم من أنها أنحف مادة يعزلها الإنسان ويحددها ، إلا أن أبعادها في حدود نانومتر. إنه خفيف وقوي وقادر على توصيل الكهرباء بشكل أفضل من المعادن مثل النحاس والسيليكون.

الترتيب الذي تفترضه ذرات الكربون في بنية الجرافين ، يجعل هذه الخصائص المرغوبة والمثيرة للاهتمام يمكن العثور عليها فيه.

تطبيقات الجرافين

تنشر العديد من الشركات والمجموعات البحثية حول العالم نتائج الأعمال التي تتضمن تطبيقات للجرافين. انظر أدناه أهمها.

مياه صالحة للشرب	الأغشية المكونة من الجرافين قادرة على تحلية وتنقية مياه البحر.
انبعاثات ثاني أكسيد الكربون2	مرشحات الجرافين قادرة على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 من خلال فصل الغازات المتولدة عن الصناعات والشركات التي سيتم رفضها.
الكشف عن المرض	تعتمد المستشعرات الطبية الحيوية الأسرع بكثير على الجرافين ويمكنها اكتشاف الأمراض والفيروسات والسموم الأخرى.
بناء	تصبح مواد البناء مثل الخرسانة والألمنيوم أخف وزنا وأقوى مع إضافة الجرافين.
جمال	صبغ الشعر برش الجرافين ، ومدته حوالي 30 غسلة.
الأجهزة الدقيقة	رقائق أصغر وأقوى بسبب استبدال السيليكون بالجرافين.
طاقة	تتمتع الخلايا الشمسية بمرونة أفضل وشفافية أكبر وتكاليف إنتاج أقل باستخدام الجرافين.
إلكترونيات	يمكن إعادة شحن البطاريات ذات التخزين الأفضل والأسرع للطاقة في غضون 15 دقيقة.
إمكانية التنقل	يمكن أن تحتوي الدراجات على إطارات وإطارات أقوى تزن 350 جرامًا باستخدام الجرافين.

هيكل الجرافين

يتكون هيكل الجرافين من شبكة من الكربون مرتبطة في شكل سداسي.

تتكون نواة الكربون من 6 بروتونات و 6 نيوترونات. تتوزع الإلكترونات الستة للذرة على طبقتين.

في طبقة التكافؤ هناك 4 إلكترونات ، مع هذه القشرة تحمل ما يصل إلى 8. لذلك ، لكي يكتسب الكربون الاستقرار ، يجب إجراء 4 اتصالات والوصول إلى التكوين الإلكتروني للغاز النبيل ، كما هو مذكور في قاعدة الثمانيات.

الذرات في رابطة الجرافين روابط تساهمية، أي أن هناك مشاركة للإلكترونات.

هيكل الجرافين

روابط الكربون والكربون هي أقوى الروابط الموجودة في الطبيعة وينضم كل كربون إلى الثلاثة الآخرين في الهيكل. لذلك ، فإن تهجين الذرة هو sp²، والتي تتوافق مع رابطتين مفردة وواحدة مزدوجة.

س تهجين² الكربون في الجرافين

من بين إلكترونات الكربون الأربعة ، يتم مشاركة ثلاثة مع الذرات المجاورة وواحدة ، والتي تشكل الرابطة. يساعد الجرافين ، على سبيل المثال ، في أن يكون موصلًا جيدًا للكهرباء لأنه يتمتع بقدر أكبر من "الحرية" في المادة.

خصائص الجرافين

ضوء	يزن المتر المربع 0.77 ملليغرام فقط. أيروجيل الجرافين أخف من الهواء بحوالي 12 مرة.
مرن	يمكن أن تتمدد حتى 25٪ من طولها.
موصل	كثافته الحالية أعلى من النحاس.
متين	يتمدد في البرد وينكمش في الحرارة. تعمل معظم المواد في الاتجاه المعاكس.
ضد للماء	الشبكة المكونة من الكربون لا تسمح حتى بمرور ذرة الهيليوم.
مقاومة	حوالي 200 مرة أقوى من الفولاذ.
شفاف	تمتص فقط 2.3٪ من الضوء.
رفيع	أرق مليون مرة من شعرة الإنسان. سمكها ذرة واحدة فقط.
الصعب	أصلب مادة معروفة ، حتى أكثر من الماس.

تاريخ واكتشاف الجرافين

تم استخدام مصطلح الجرافين لأول مرة في عام 1987 ، ولكن تم التعرف عليه رسميًا فقط في عام 1994 من قبل União de Química Pure and Applied.

نشأ هذا التعيين من تقاطع الجرافيت مع اللاحقة -ene ، في إشارة إلى الرابطة المزدوجة للمادة.

منذ الخمسينيات من القرن الماضي ، تحدث لينوس بولينج في فصوله الدراسية عن وجود طبقة رقيقة من الكربون تتكون من حلقات سداسية. وصف فيليب راسل والاس أيضًا بعض الخصائص المهمة لهذا الهيكل قبل سنوات.

ومع ذلك ، في الآونة الأخيرة فقط ، في عام 2004 ، تم عزل الجرافين بواسطة الفيزيائيين أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر ويمكن أن يكون معروفًا بعمق.

كانوا يدرسون الجرافيت وباستخدام تقنية التقشير الميكانيكي تمكنوا من عزل طبقة من المواد باستخدام شريط لاصق. منح هذا الإنجاز جائزة نوبل للزوج في عام 2010.

أهمية الجرافين للبرازيل

تمتلك البرازيل أحد أكبر احتياطيات الجرافيت الطبيعي ، وهي مادة تحتوي على الجرافين. تصل احتياطيات الجرافيت الطبيعية إلى 45٪ من الإجمالي العالمي.

على الرغم من ملاحظة وجود الجرافيت في جميع أنحاء الأراضي البرازيلية ، إلا أن الاحتياطيات المستغلة توجد في ميناس جيرايس وسيارا وباهيا.

مع وفرة المواد الخام ، تستثمر البرازيل أيضًا في البحث في المنطقة. يقع أول مختبر في أمريكا اللاتينية مخصص للبحث باستخدام الجرافين في البرازيل ، في جامعة بريسبيتريانا ماكنزي في ساو باولو ، ويُدعى ماك غراف.

تصنيع الجرافين

يمكن تحضير الجرافين من الكربيد والهيدروكربون وأنابيب الكربون النانوية والجرافيت. الأخير هو الأكثر استخدامًا كمواد أولية.

الطرق الرئيسية لإنتاج الجرافين هي:

• التقشير الميكانيكي الدقيق: تحتوي بلورة الجرافيت على طبقات من الجرافين تم نزعها باستخدام شريط ، والتي تترسب على ركائز تحتوي على أكسيد السيليكون.
• التقشير الكيميائي الدقيق: يتم إضعاف روابط الكربون عن طريق إضافة الكواشف ، مما يؤدي إلى كسر الشبكة جزئيًا.
• ترسيب الأبخرة الكيميائية: تشكيل طبقات الجرافين المترسبة على دعامات صلبة ، مثل سطح النيكل المعدني.

سعر الجرافين

صعوبة تصنيع الجرافين على نطاق صناعي يعني أن قيمة هذه المادة لا تزال عالية جدًا.

بالمقارنة مع الجرافيت ، فإن سعره أعلى بآلاف المرات. بينما يباع 1 كجم من الجرافيت مقابل دولار واحد ، يتم بيع 150 جرامًا من الجرافين مقابل 15000 دولار.

الفضول حول الجرافين

• مشروع الاتحاد الأوروبي ، مسمى الرائد الجرافين، خصصت حوالي 1.3 مليار يورو للبحوث المتعلقة بالجرافين والتطبيقات وتطوير الإنتاج على نطاق صناعي. تشارك حوالي 150 مؤسسة في 23 دولة في هذا المشروع.
• الحقيبة الأولى التي تم تطويرها للسفر إلى الفضاء تحتوي على الجرافين في تكوينها. ومن المقرر إطلاقه في عام 2033 ، عندما تخطط ناسا للقيام ببعثات إلى المريخ.
• البوروفين هو المنافس الجديد للجرافين. تم اكتشاف هذه المادة في عام 2015 وتعتبر نسخة محسنة من الجرافين ، فهي أكثر مرونة ومقاومة وموصلية.

الجرافين في Enem

في اختبار Enem 2018 ، كان أحد أسئلة العلوم الطبيعية وتقنياتها كان حول الجرافين. تحقق أدناه من القرار المعلق لهذه المشكلة.

الجرافين هو شكل متآصل من الكربون يتكون من صفيحة مستوية (مصفوفة ثنائية الأبعاد) من ذرات كربون مضغوطة بسمك ذرة واحدة فقط. هيكلها سداسي كما هو موضح في الشكل.

في هذا الترتيب ، يكون لذرات الكربون تهجين

أ) sp من الهندسة الخطية.
ب) ص² الهندسة المثلثية المستوية.
ج) ص³ بالتناوب مع الكربون sp المهجن من الهندسة الخطية.
د) ص³د الهندسة المستوية.
ه) ص³د² مع هندسة مستوية سداسية.

البديل الصحيح: ب) س² الهندسة المثلثية المستوية.

يحدث تآصل الكربون بسبب قدرته على تكوين مواد بسيطة مختلفة.

نظرًا لأنه يحتوي على 4 إلكترونات في غلاف التكافؤ ، فإن الكربون رباعي التكافؤ ، أي أنه يميل إلى تكوين 4 روابط تساهمية. يمكن أن تكون هذه الروابط مفردة أو مزدوجة أو ثلاثية.

اعتمادًا على الروابط التي يصنعها الكربون ، يتغير التركيب المكاني للجزيء إلى الترتيب الذي يناسب الذرات بشكل أفضل.

يحدث التهجين عندما يكون هناك مزيج من المدارات ، ويمكن أن يكون للكربون: sp ، sp² و sp³حسب نوع المكالمات.

عدد المدارات الهجينة هو مجموع روابط سيجما (σ) التي يصنعها الكربون ، حيث لا يتم تهجين الرابطة.

• sp: 2 روابط سيجما
• ص²: 3 روابط سيجما
• ص³: 4 روابط سيجما

تمثيل تآصل الجرافين في الكرات والعصي ، كما هو موضح في الشكل في السؤال ، لا يوضح الروابط الحقيقية للمادة.

لكن إذا نظرنا إلى جزء من الصورة ، نرى أن هناك كربونًا واحدًا ، يمثل كرة ، متصلاً بثلاثة ذرات كربون أخرى تشكل بنية مثل المثلث.

إذا احتاج الكربون إلى 4 روابط وكان مرتبطًا بـ 3 ذرات كربون أخرى ، فإن إحدى هذه الروابط تكون مزدوجة.

نظرًا لأنه يحتوي على رابطة مزدوجة واثنين منفردة ، فإن الجرافين يحتوي على تهجين sp² وبالتالي ، الهندسة المستوية المثلثية.

الأشكال المتآصلة الأخرى المعروفة للكربون هي: الجرافيت ، الماس ، الفوليرين والأنبوب النانوي. على الرغم من أنها كلها مصنوعة من الكربون ، إلا أن المتآصلات لها خصائص مختلفة ، تنبع من هياكلها المختلفة.

اقرأ أيضا: الكيمياء في العدو و أسئلة الكيمياء في العدو.