გრაფენი არის ნანომასალი, რომელიც შედგება მხოლოდ ნახშირბადისგან, რომელშიც ატომები ერთმანეთთან აკავშირებენ და ქმნიან ექვსკუთხა სტრუქტურებს.
ეს არის საუკეთესო კრისტალი, რომელიც ცნობილია და მისი თვისებები ძალიან სასურველს ხდის მას. ეს მასალა არის მსუბუქი, ელექტროენერგიის გამტარი, ხისტი და წყალგაუმტარი.
გრაფენის გამოყენება შესაძლებელია რამდენიმე სფეროში. ყველაზე ცნობილია: სამოქალაქო მშენებლობა, ენერგეტიკა, ტელეკომუნიკაცია, მედიცინა და ელექტრონიკა.
მას შემდეგ რაც იგი აღმოაჩინეს, გრაფინი კვლავ კვლევითი ინტერესის ცენტრად რჩება. ამ მასალებზე განაცხადების შესწავლა მობილიზებს ინსტიტუციებს და მილიონობით ევროს ინვესტიციას. ასე რომ, მეცნიერები მთელ მსოფლიოში ცდილობენ შეიმუშაონ უფრო ფართოდ წარმოების უფრო იაფი გზა.
იმის გაგება, თუ რა არის გრაფინი
გრაფენი ნახშირბადის ალოტროპიული ფორმაა, სადაც ამ ელემენტის ატომების განლაგება ქმნის თხელ ფენას.
ეს ალოტროპი ორგანზომილებიანია, ანუ მას აქვს მხოლოდ ორი საზომი: სიგანე და სიმაღლე.
ამ მასალის ზომის შესახებ წარმოდგენის მისაღებად, ფურცლის სისქე შეესაბამება 3 მილიონი ფენის გრაფენის სუპერპოზიციას.
მიუხედავად იმისა, რომ ეს არის ყველაზე თხელი მასალა, რომელიც იზოლირებულია და იდენტიფიცირებულია ადამიანის მიერ, მისი განზომილება ნანომეტრის რიგისაა. ეს არის მსუბუქი და ძლიერი, შეუძლია ელექტროენერგიის უკეთ გატარება, ვიდრე ლითონები, როგორიცაა სპილენძი და სილიციუმი.
განლაგება, რომელსაც ნახშირბადის ატომები იღებენ გრაფენის სტრუქტურაში, ქმნის მასში ძალზე საინტერესო და სასურველი მახასიათებლების პოვნას.
გრაფენის პროგრამები
მსოფლიოს მრავალი კომპანია და კვლევითი ჯგუფი აქვეყნებს მუშაობის შედეგებს, რომლებიც მოიცავს გრაფენის გამოყენებას. ქვემოთ იხილეთ ძირითადი.
| Სასმელი წყალი | გრაფენის წარმოქმნილ მემბრანებს შეუძლიათ ზღვის წყლის დეზალიზაცია და გამწმენდი. |
|---|---|
| CO გამოყოფა2 | გრაფენის ფილტრებს შეუძლიათ შეამცირონ CO– ს ემისიები2 ინდუსტრიისა და ბიზნესის მიერ წარმოქმნილი გაზების გამოყოფით, რაც უარყოფილი იქნება. |
| დაავადების გამოვლენა | ბევრად უფრო სწრაფად ბიოსამედიცინო სენსორები ეფუძნება გრაფენს და შეუძლია აღმოაჩინოს დაავადებები, ვირუსები და სხვა ტოქსინები. |
| მშენებლობა | სამშენებლო მასალები, როგორიცაა ბეტონი და ალუმინი, ხდება უფრო მსუბუქი და ძლიერი, გრაფენის დამატებით. |
| სილამაზე | თმის შეღებვა გრაფენის შესხურებით, რომლის ხანგრძლივობა იქნება დაახლოებით 30 დაბანა. |
| მიკრო მოწყობილობები | ჩიპები კიდევ უფრო მცირე და ძლიერია გრაფინის მიერ სილიციუმის ჩანაცვლების გამო. |
| ენერგია | გრაფენის გამოყენებასთან ერთად მზის უჯრედებს აქვთ უკეთესი მოქნილობა, მეტი გამჭვირვალობა და წარმოების დაბალი ხარჯები. |
| ელექტრონიკა | ენერგიის უკეთესი და სწრაფი შენახვის მქონე ბატარეებს 15 წუთში დატენვა შეუძლიათ. |
| მობილობა | ველოსიპედებს შეიძლება ჰქონდეთ უფრო მყარი საბურავები და ჩარჩოები, რომელთა წონაც 350 გრამია, გრაფენის გამოყენებით. |
გრაფენის სტრუქტურა
გრაფენის სტრუქტურა შედგება ნახშირბადის ქსელისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ექვსკუთხედში.
ნახშირბადის ბირთვი შედგება 6 პროტონისა და 6 ნეიტრონისგან. ატომის 6 ელექტრონი განაწილებულია ორ ფენად.
საათზე ვალენტობის ფენა არსებობს 4 ელექტრონი, ამ გარსისგან 8-მდე ინახება. ამიტომ, ნახშირბადმა სტაბილურობა რომ მიიღოს, მან უნდა დაასრულოს 4 კავშირი და მიაღწიოს კეთილშობილი გაზის ელექტრონულ კონფიგურაციას, როგორც ეს აღწერილია ოქტეტის წესში.
გრაფენის ატომები აკავშირებენ ავტორით კოვალენტური ობლიგაციები, ეს არის ელექტრონების გაზიარება.
ნახშირბადის ნახშირბადის ობლიგაციები ბუნებაში ყველაზე ძლიერი ბმებია და თითოეული ნახშირბადი სტრუქტურაში უერთდება დანარჩენ 3-ს. ამიტომ, ატომის ჰიბრიდიზაცია არის sp2, რომელიც შეესაბამება 2 ერთ და ერთ ორმაგ ობლიგაციას.
4 ნახშირბადის ელექტრონიდან სამი გაზიარებულია მეზობელ ატომებთან და ერთი, რაც ქმნის კავშირს. , ეხმარება გრაფენს, მაგალითად, იყოს ელექტროენერგიის კარგი გამტარი, რადგან მასში მეტი "თავისუფლებაა".
გრაფენის თვისებები
| Მსუბუქი | კვადრატული მეტრი იწონის მხოლოდ 0,77 მილიგრამს. გრაფინის აეროგელი ჰაერზე დაახლოებით 12-ჯერ მსუბუქია. |
|---|---|
| მოქნილი | მას შეუძლია გაზარდოს მისი სიგრძის 25% -მდე. |
| კონდუქტორი | მისი მიმდინარე სიმჭიდროვე უფრო მაღალია, ვიდრე სპილენძი. |
| გამძლეა | იგი სიცივეში ფართოვდება და სიცხეში იკლებს. ნივთიერებების უმეტესობა საპირისპირო გზით მოქმედებს. |
| Წყალგაუმტარი | ნახშირბადებით წარმოქმნილი ბადე კი არ იძლევა ჰელიუმის ატომის გავლის საშუალებას. |
| რეზისტენტული | ფოლადზე 200-ჯერ უფრო ძლიერი. |
| გამჭვირვალე | შთანთქავს სინათლის მხოლოდ 2,3% -ს. |
| გამხდარი | მილიონჯერ თხელია, ვიდრე ადამიანის თმა. მისი სისქე მხოლოდ ერთი ატომია. |
| მძიმე | ცნობილია უმძიმესი მასალა, უფრო მეტიც, ვიდრე ბრილიანტი. |
გრაფენის ისტორია და აღმოჩენა
ტერმინი გრაფინი პირველად 1987 წელს გამოიყენეს, მაგრამ ოფიციალურად აღიარეს მხოლოდ 1994 წელს União de Química Pure and Applied.
ეს აღნიშვნა წარმოიშვა შეერთების ადგილიდან გრაფიტი –ene სუფიქსით, რაც გულისხმობს ნივთიერების ორმაგ ბმას.
1950-იანი წლებიდან ლინუს პაულინგი თავის კლასებში საუბრობდა ნახშირბადის თხელი ფენის არსებობაზე, რომელიც შედგება ექვსკუთხა რგოლებისგან. ფილიპ რასელ უოლესმა ასევე აღწერს ამ სტრუქტურის რამდენიმე მნიშვნელოვან თვისებას წლების წინ.
ამასთან, სულ ახლახანს, 2004 წელს, გრაფინი იზოლირებული იქნა ფიზიკოსების ანდრე გემისა და კონსტანტინე ნოვოსელოვის მიერ მანჩესტერის უნივერსიტეტში და შეიძლება ღრმად იყოს ცნობილი.
ისინი გრაფიტს სწავლობდნენ და მექანიკური აქერცვლის ტექნიკის გამოყენებით მოახერხეს წებოვანი ლენტის გამოყენებით მასალის ფენის იზოლირება. ამ ნამუშევარმა ნობელის პრემია მიანიჭა წყვილს 2010 წელს.
გრაფენის მნიშვნელობა ბრაზილიისთვის
ბრაზილიას აქვს ბუნებრივი გრაფიტის ერთ-ერთი უდიდესი მარაგი, მასალა, რომელიც შეიცავს გრაფენს. გრაფიტის ბუნებრივი მარაგები აღწევს მთლიანი მსოფლიოში 45% -ს.
მიუხედავად იმისა, რომ გრაფიტის წარმოქმნა შეინიშნებოდა ბრაზილიის მთელ ტერიტორიაზე, ექსპლუატაციაში მყოფი ნაკრძალები მინას ჯერაისში, ცერეასა და ბაიაში გვხვდება.
უზარმაზარი ნედლეულით ბრაზილია ასევე ინვესტიციებს ახორციელებს ამ სფეროში. პირველი ლაბორატორია ლათინურ ამერიკაში, რომელიც გრაფინით კვლევას ეძღვნება, მდებარეობს ბრაზილიაში, სან-პაულოში Universidade Presbiteriana Mackenzie- ში, სახელწოდებით MackGraphe.
გრაფენის წარმოება
გრაფენის მომზადება შეიძლება კარბიდიდან, ნახშირწყალბადებიდან, ნახშირბადის ნანოსადენიდან და გრაფიტიდან. ეს უკანასკნელი ყველაზე ხშირად გამოიყენება როგორც საწყისი მასალა.
გრაფენის წარმოების ძირითადი მეთოდებია:
- მექანიკური მიკროეფექცია: გრაფიტის კრისტალს აქვს გრაფენის ფენები, რომლებიც ამოღებულია ფირის გამოყენებით, რომლებიც იდება სილიციუმის ოქსიდის შემცველ სუბსტრატებზე.
- ქიმიური მიკროფექცია: ნახშირბადის ობლიგაციები სუსტდება რეაგენტების დამატებით, ნაწილობრივ არღვევს ქსელს.
- ქიმიური ორთქლის დეპონირება: გრაფენის ფენების წარმოქმნა მყარ საყრდენებზე, მაგალითად მეტალის ნიკელის ზედაპირზე.
გრაფენის ფასი
გრაფენის სინთეზის სირთულე სამრეწველო მასშტაბით ნიშნავს, რომ ამ მასალის ღირებულება ჯერ კიდევ ძალიან მაღალია.
გრაფიტთან შედარებით, მისი ფასი ათასობითჯერ მეტია. მიუხედავად იმისა, რომ 1 კგ გრაფიტი იყიდება 1 დოლარად, 150 გრ გრაფინის გაყიდვა ხდება 15000 დოლარად.
ცნობისმოყვარეობა გრაფენის შესახებ
- ევროკავშირის პროექტი, სახელწოდებით გრაფენის ფლაგმანი, დაახლოებით 1,3 მილიარდი ევრო გამოიყო გრაფენის, გამოყენებისა და სამრეწველო მასშტაბის წარმოების განვითარების კვლევებთან დაკავშირებით. ამ პროექტში 23 ქვეყნის 150-მდე დაწესებულება მონაწილეობს.
- კოსმოსში მოგზაურობისთვის შემუშავებულ პირველ ჩემოდანს თავისი შემადგენლობით აქვს გრაფინი. მისი გაშვება დაგეგმილია 2033 წელს, როდესაც NASA გეგმავს ექსპედიციების ჩატარებას მარსზე.
- ბოროფენი არის გრაფენის ახალი კონკურენტი. ეს მასალა 2015 წელს აღმოაჩინეს და გრაფენის გაუმჯობესებულ ვერსიად ითვლება, რაც კიდევ უფრო მოქნილი, გამძლე და გამტარია.
გრაფენი Enem- ში
Enem 2018 ტესტში, ერთ-ერთი კითხვა საბუნებისმეტყველო მეცნიერებები და მისი ტექნოლოგიები გრაფინი იყო. ქვემოთ შეამოწმეთ ამ საკითხის კომენტარი.
გრაფენი არის ნახშირბადის ალოტროპიული ფორმა, რომელიც შედგება პლანეტის ფურცლის (ორგანზომილებიანი მასივი) კომპაქტური ნახშირბადის ატომებისაგან, რომელთა სისქე მხოლოდ ერთი ატომია. მისი სტრუქტურა ექვსკუთხაა, როგორც ნაჩვენებია ნახატზე.
ამ შეთანხმებაში ნახშირბადის ატომებს აქვთ ჰიბრიდიზაცია
ა) წრფივი გეომეტრიის sp.
ბ) სპ2 პლანზე ტრიგონალური გეომეტრიის.
გ) სპ3 იცვლება წრფივი გეომეტრიის sp- ჰიბრიდიზებული ნახშირბადებით.
დ) სპ3დ პლანეტური გეომეტრიის.
ე) სპ3დ2 ექვსკუთხა გეგმარებითი გეომეტრიით.
სწორი ალტერნატივა: ბ) სპ2 პლანზე ტრიგონალური გეომეტრიის.
ნახშირბადის ალოტროპია ხდება იმის გამო, რომ შეუძლია შექმნას სხვადასხვა მარტივი ნივთიერებები.
იმის გამო, რომ მას აქვს 4 ელექტრონი ვალენტურ გარსში, ნახშირბადი არის ტეტრავალენტური, ანუ ის 4 კოვალენტური ობლიგაციების წარმოებას ცდილობს. ეს ობლიგაციები შეიძლება იყოს ერთჯერადი, ორმაგი ან სამმაგი.
ნახშირბადის ობლიგაციებიდან გამომდინარე, მოლეკულის სივრცითი სტრუქტურა იცვლება იმ განლაგებაში, რომელიც საუკეთესოდ იტევს ატომებს.
ჰიბრიდიზაცია ხდება მაშინ, როდესაც არსებობს ორბიტალების კომბინაცია და ნახშირბადისთვის ეს შეიძლება იყოს: sp, sp2 და სპ3ზარის ტიპის მიხედვით.
ჰიბრიდული ორბიტალების რაოდენობა არის სიგმა (σ) ობლიგაციების ჯამი, რომელსაც ნახშირბადი ქმნის, რადგან კავშირი არ ჰიბრიდირდება.
- sp: სიგმას 2 ბმული
- სპ2: 3 სიგმას ბმული
- სპ3: 4 სიგმას ბმული
გრაფენის ალოტროპის გამოსახვა ბურთულებსა და ჯოხებში, როგორც ნაჩვენებია მოცემულ ნახაზზე, არ აჩვენებს ნივთიერების ნამდვილ კავშირებს.
თუ გადავხედავთ სურათის ნაწილს, ვხედავთ, რომ არსებობს ერთი ნახშირბადი, რომელიც წარმოადგენს ბურთს, რომელიც აკავშირებს სამ სხვა ნახშირბადს, რომლებიც ქმნიან სტრუქტურას, როგორც სამკუთხედი.
თუ ნახშირბადს 4 ბმა სჭირდება და 3 სხვა ნახშირბადთან არის დაკავშირებული, მაშინ ერთ-ერთი მათგანი ორმაგად არის.
იმის გამო, რომ მას აქვს ერთი ორმაგი და ორი ერთი ბმა, გრაფენს აქვს sp ჰიბრიდიზაცია2 და, შესაბამისად, ტრიგონალური პლანარული გეომეტრია.
ნახშირბადის სხვა ცნობილი ალოტროპული ფორმებია: გრაფიტი, ბრილიანტი, ფოლერენი და ნანომენი. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი ყველა ნახშირბადისგან არის დამზადებული, ალოტროპებს განსხვავებული თვისებები აქვთ, რაც მათი სხვადასხვა სტრუქტურიდან გამომდინარეობს.
წაიკითხე შენც: ქიმია Enem- ში და ქიმიის კითხვები Enem- ში.
