Grafenas yra nanomedžiaga, sudaryta tik iš anglies, kurioje atomai susijungia ir sudaro šešiakampes struktūras.
Tai yra geriausias žinomas kristalas, dėl kurio savybių jis yra labai pageidautinas. Ši medžiaga yra lengva, laidži elektrai, standi ir nepralaidi vandeniui.
Grafeno pritaikymas yra keliose srityse. Žinomiausios yra: civilinė statyba, energetika, telekomunikacijos, medicina ir elektronika.
Nuo tada, kai buvo atrastas, grafenas išliko mokslinių tyrimų centru. Šios medžiagos paraiškų tyrimas mobilizuoja institucijas ir investuoja milijonus eurų. Taigi viso pasaulio mokslininkai vis bando sukurti pigesnį būdą jį gaminti dideliu mastu.
Suprasti, kas yra grafenas
Grafenas yra alotropinė anglies forma, kai šio elemento atomų išsidėstymas sudaro ploną sluoksnį.
Šis alotropas yra dvimatis, tai yra, jis turi tik du matavimus: plotis ir aukštis.
Norint suprasti šios medžiagos dydį, popieriaus lapo storis atitinka 3 milijonų grafeno sluoksnių uždėjimą.
Nors tai yra ploniausia žmogaus išskirta ir identifikuota medžiaga, jos matmenys yra nanometrų eilės. Jis yra lengvas ir stiprus, sugeba geriau praleisti elektrą nei metalai, tokie kaip varis ir silicis.
Išdėstymas, kurį anglies atomai gauna grafeno struktūroje, suteikia jame labai įdomių ir pageidaujamų savybių.
Grafeno programos
Daugybė kompanijų ir tyrimų grupių visame pasaulyje skelbia darbo, susijusio su grafeno programomis, rezultatus. Žiūrėkite žemiau pagrindinius.
| Geriamas vanduo | Grafeno formos membranos gali nudruskinti ir išvalyti jūros vandenį. |
|---|---|
| CO emisija2 | Grafeno filtrai gali sumažinti CO emisijas2 atskiriant pramonės ir verslo sukurtas dujas, kurios bus atmestos. |
| ligos nustatymas | Daug greičiau biomedicinos jutikliai yra pagrįsti grafenu ir gali aptikti ligas, virusus ir kitus toksinus. |
| Statyba | Statybinės medžiagos, tokios kaip betonas ir aliuminis, yra lengvesnės ir tvirtesnės, pridedant grafeno. |
| Grožis | Plaukų dažymas purškiant grafeną, kurio trukmė būtų apie 30 plovimų. |
| Mikroprogramos | Skiedros dar mažesnės ir stipresnės dėl silicio pakeitimo grafenu. |
| Energija | Saulės elementai turi didesnį lankstumą, daugiau skaidrumo ir mažesnes gamybos sąnaudas, naudojant grafeną. |
| Elektronika | Geriau ir greičiau energiją kaupiančios baterijos gali įkrauti iki 15 minučių. |
| Mobilumas | Naudojant grafeną, dviračiai gali turėti tvirtesnes padangas ir rėmus, sveriančius 350 gramų. |
Grafeno struktūra
Grafeno struktūrą sudaro anglies tinklas, sujungtas šešiakampiais.
Anglies branduolį sudaro 6 protonai ir 6 neutronai. 6 atomo elektronai pasiskirstę dviem sluoksniais.
At valentinis sluoksnis yra 4 elektronai, o šis apvalkalas telpa iki 8. Todėl, kad anglis įgautų stabilumą, ji turi užmegzti 4 jungtis ir pasiekti elektroninę tauriųjų dujų konfigūraciją, kaip nurodyta okteto taisyklėje.
Grafene esantys atomai jungiasi kovalentiniai ryšiai, tai yra yra dalijimasis elektronais.
Anglies ir anglies jungtys yra stipriausios gamtoje randamos jungtys, o kiekviena anglis jungiasi su kitais 3 struktūroje. Todėl atomo hibridizacija yra sp2, kuris atitinka 2 viengubas ir vieną dvigubą jungtį.
Iš 4 anglies elektronų trys yra bendri su kaimyniniais atomais ir vienas, kuris sudaro ryšį. , padeda grafenui, pavyzdžiui, būti geru elektros laidininku, nes jis turi daugiau „laisvės“ medžiagoje.
Grafeno savybės
| Šviesa | Kvadratinis metras sveria vos 0,77 miligramo. Grafeno aerogelis yra maždaug 12 kartų lengvesnis už orą. |
|---|---|
| Lankstus | Jis gali išsiplėsti iki 25% savo ilgio. |
| Dirigentas | Jo srovės tankis didesnis nei vario. |
| Patvarus | Jis išsiplečia šaltyje ir susitraukia karštyje. Dauguma medžiagų veikia priešingai. |
| Neperšlampamas | Anglies formos tinklelis net neleidžia praeiti helio atomo. |
| Atsparus | Maždaug 200 kartų stipresnis nei plienas. |
| Permatomas | Sugeria tik 2,3% šviesos. |
| Plonas | Milijoną kartų plonesnis už žmogaus plauką. Jo storis yra tik vienas atomas. |
| Sunku | Kietiausia žinoma medžiaga, net labiau nei deimantas. |
Grafeno istorija ir atradimai
Grafeno terminas pirmą kartą buvo naudojamas 1987 m., Tačiau oficialiai jį pripažino tik 1994 m. „União de Química Pure and Applied“.
Ši paskirtis atsirado iš grafitas su galūne -ene, nurodant dvigubą medžiagos ryšį.
Nuo 1950-ųjų Linusas Paulingas savo klasėse kalbėjo apie tai, kad yra plonas anglies sluoksnis, sudarytas iš šešiakampių žiedų. Philipas Russellas Wallace'as taip pat keletą metų aprašė keletą svarbių šios struktūros savybių.
Tačiau tik neseniai, 2004 m., Grafeną išskyrė Mančesterio universiteto fizikai Andre Geimas ir Konstantinas Novoselovas, ir tai gali būti giliai žinoma.
Jie mokėsi grafito ir naudodami mechaninio šveitimo techniką, naudodamiesi lipnia juosta, sugebėjo izoliuoti medžiagos sluoksnį. Šis pasiekimas porai suteikė Nobelio premiją 2010 m.
Grafeno svarba Brazilijai
Brazilija turi vieną didžiausių natūralaus grafito atsargų - medžiagos, kurioje yra grafeno. Grafito gamtinės atsargos siekia 45% viso pasaulio.
Nors grafito paplitimas pastebimas visoje Brazilijos teritorijoje, eksploatuojami ištekliai yra Minas Gerais, Ceará ir Bahia.
Turėdama daug žaliavų, Brazilija taip pat investuoja į šios srities tyrimus. Pirmoji laboratorija, skirta tyrimams su grafenu, yra Lotynų Amerikoje, Brazilijoje, Universidade Presbiteriana Mackenzie San Paulo mieste, vadinama „MackGraphe“.
Grafeno gamyba
Grafeną galima gaminti iš karbido, angliavandenilio, anglies nanovamzdelio ir grafito. Pastaroji yra dažniausiai naudojama kaip pradinė medžiaga.
Pagrindiniai grafeno gamybos metodai yra šie:
- Mechaninis mikro šveitimas: Grafito kristale yra juostos nuplėšti grafeno sluoksniai, kurie nusėda ant pagrindo, kuriame yra silicio oksido.
- Cheminis mikro šveitimas: anglies ryšiai susilpnėja pridedant reagentų, iš dalies nutraukiant tinklą.
- cheminis garų nusodinimas: grafeno sluoksnių, nusėdusių ant kietų atramų, pavyzdžiui, metalinio nikelio paviršiaus, susidarymas.
Grafeno kaina
Grafeno sintetinimo pramoniniu mastu sunkumai reiškia, kad šios medžiagos vertė vis dar yra labai didelė.
Palyginti su grafitu, jo kaina yra tūkstančius kartų didesnė. Nors 1 kg grafito parduodama už 1 dolerį, 150 g grafeno parduodama už 15 000 dolerių.
Įdomybės apie grafeną
- Europos Sąjungos projektas, pavadintas Grafeno flagmanas, skirta apie 1,3 milijardo eurų moksliniams tyrimams, susijusiems su grafenu, pritaikymu ir gamybos plėtojimu pramoniniu mastu. Šiame projekte dalyvauja apie 150 institucijų 23 šalyse.
- Pirmojo lagamino, sukurto kelionėms į kosmosą, sudėtyje yra grafeno. Jo paleidimas numatomas 2033 m., Kai NASA planuoja vykdyti ekspedicijas į Marsą.
- Borofenas yra naujas grafeno konkurentas. Ši medžiaga buvo atrasta 2015 m. Ir laikoma patobulinta grafeno versija, kuri yra dar lankstesnė, atspari ir laidesnė.
Grafenas „Enem“
„Enem 2018“ teste vienas iš klausimų Gamtos mokslai ir jų technologijos buvo apie grafeną. Žiūrėkite žemiau komentuojamos šios problemos sprendimo.
Grafenas yra alotropinė anglies forma, susidedanti iš plokščių lakštų (dviejų matmenų masyvo) suspaustų anglies atomų, kurie yra tik vieno atomo storio. Jo struktūra yra šešiakampė, kaip parodyta paveikslėlyje.
Pagal šį susitarimą anglies atomai turi hibridizaciją
a) tiesinės geometrijos sp.
b) sp2 plokščiosios trigoninės geometrijos.
c) sp3 pakaitomis su linijinės geometrijos sp hibridizuotais anglimis.
d) sp3d plokštumos geometrijos.
e) sp3d2 su šešiakampe plokščiąja geometrija.
teisinga alternatyva: b) sp2 plokščiosios trigoninės geometrijos.
Anglies alotropija atsiranda dėl jos gebėjimo formuoti įvairias paprastas medžiagas.
Kadangi valentiniame apvalkale yra 4 elektronai, anglis yra keturvalentė, tai yra, ji linkusi užmegzti 4 kovalentinius ryšius. Šios obligacijos gali būti vienos, dvigubos arba trigubos.
Priklausomai nuo anglies ryšių, molekulinė erdvinė struktūra pasikeičia į išdėstymą, kuris geriausiai talpina atomus.
Hibridizacija įvyksta, kai yra orbitalių derinys, o anglies atveju tai gali būti: sp, sp2 ir sp3, atsižvelgiant į skambučių tipą.
Hibridinių orbitalių skaičius yra sigmos (σ) ryšių, kuriuos sukuria anglis, suma, nes jungtys nesiima hibridizacijos.
- sp: 2 sigmos nuorodos
- sp2: 3 sigmos nuorodos
- sp3: 4 sigmos nuorodos
Grafeno alotropo vaizdavimas rutuliuose ir lazdelėse, kaip parodyta klausimo paveiksle, neparodo tikrųjų medžiagos ryšių.
Bet jei pažvelgsime į dalį vaizdo, pamatysime, kad yra viena anglis, žyminti rutulį, jungiantis prie kitų trijų anglies junginių, formuojančių struktūrą kaip trikampis.
Jei angliai reikia 4 ryšių ir ji yra sujungta su 3 kitais anglimis, tai viena iš tų jungčių yra dviguba.
Kadangi grafenas turi vieną dvigubą ir dvi viengubas jungtis, jis turi hibridizaciją2 ir, vadinasi, trigoninė plokštuminė geometrija.
Kitos žinomos alotropinės anglies formos yra: grafitas, deimantas, fullerenas ir nanovamzdelis. Nors visi jie yra pagaminti iš anglies, alotropai turi skirtingas savybes, kylančias dėl skirtingų struktūrų.
Skaityk ir tu: Chemija in Enem ir Chemijos klausimai.
