Графен - це наноматеріал, що складається лише з вуглецю, в якому атоми з’єднуються, утворюючи гексагональні структури.
Це найкращий відомий кристал, і його властивості роблять його дуже бажаним. Цей матеріал легкий, проводить електрику, жорсткий і водонепроникний.
Графін застосовується в декількох областях. Найвідоміші: цивільне будівництво, енергетика, телекомунікації, медицина та електроніка.
З часу свого відкриття графен залишався центром зацікавлення в дослідженнях. Вивчення заявок на цей матеріал мобілізує установи та інвестиції на мільйони євро. Тому вчені у всьому світі намагаються розробити більш дешевий спосіб його виробництва у великих масштабах.
Розуміння того, що таке графен
Графен - алотропна форма вуглецю, де розташування атомів цього елемента утворює тонкий шар.
Цей алотроп є двовимірним, тобто має лише два виміри: ширину та висоту.
Щоб отримати уявлення про розмір цього матеріалу, товщина аркуша паперу відповідає суперпозиції 3 мільйонів шарів графену.
Хоча це найтонший матеріал, виділений і ідентифікований людиною, його розміри складають порядку нанометрів. Він легкий і міцний, здатний проводити електрику краще, ніж метали, такі як мідь та кремній.
Розташування, яке атоми вуглецю приймають у структурі графена, робить у ньому дуже цікаві та бажані характеристики.
Застосування графену
Багато компаній та дослідницьких груп у всьому світі публікують результати роботи, що стосується заявок на графен. Дивіться нижче основні з них.
| Питна вода | Утворені графеном мембрани здатні знесолити та очистити морську воду. |
|---|---|
| Викиди СО2 | Графенові фільтри здатні зменшити викиди СО2 шляхом відокремлення газів, що утворюються галузями та підприємствами, які будуть відкидатися. |
| виявлення захворювання | Набагато швидше біомедичні датчики засновані на графені і можуть виявляти хвороби, віруси та інші токсини. |
| Будівництво | Такі будівельні матеріали, як бетон та алюміній, робляться легшими та міцнішими з додаванням графену. |
| Краса | Фарбування волосся розпиленням графена, тривалість якого становила б близько 30 змивів. |
| Мікропристрої | Чіпси ще менші та міцніші завдяки заміні кремнію на графен. |
| Енергія | Сонячні батареї мають кращу гнучкість, більшу прозорість та нижчі виробничі витрати із застосуванням графену. |
| Електроніка | Акумулятори з кращим та швидшим накопичувачем енергії можуть зарядитися до 15 хвилин. |
| Мобільність | Велосипеди можуть мати міцніші шини та рами вагою 350 грамів із використанням графену. |
Структура графену
Структура графену складається з мережі вуглеців, пов'язаних між собою шестикутниками.
Ядро вуглецю складається з 6 протонів і 6 нейтронів. 6 електронів атома розподілені у два шари.
В валентний шар є 4 електрони, причому ця оболонка вміщує до 8. Отже, щоб вуглець набув стійкості, він повинен встановити 4 з'єднання і досягти електронної конфігурації благородного газу, як зазначено в правилі октету.
Атоми в графені зв'язуються ковалентні зв’язки, тобто відбувається обмін електронами.
Вуглець-вуглецеві зв’язки - це найміцніші зв’язки, що зустрічаються в природі, і кожен вуглець приєднує інші 3 у структурі. Отже, гібридизація атома sp2, що відповідає 2 одинарним і одному подвійному зв’язкам.
З 4 вуглецевих електронів три поділяються з сусідніми атомами, а один, який складає зв’язок. , допомагає графену, наприклад, бути хорошим провідником електрики, оскільки він має більше «свободи» в матеріалі.
Властивості графена
| Світло | Квадратний метр важить всього 0,77 міліграма. Графеновий аерогель приблизно в 12 разів легший за повітря. |
|---|---|
| Гнучка | Він може розширюватися до 25% своєї довжини. |
| Диригент | Його щільність струму вище міді. |
| Міцний | Він розширюється в холод і скорочується в теплі. Більшість речовин діють протилежним чином. |
| Водонепроникний | Сітка, що утворюється з вуглецю, не дозволяє навіть проходження атома гелію. |
| Стійкий | Приблизно в 200 разів міцніше сталі. |
| Напівпрозорі | Поглинає лише 2,3% світла. |
| Тонкий | У мільйон разів тонше людського волосся. Його товщина становить лише один атом. |
| Важко | Найтвердіший матеріал відомий, навіть більше, ніж алмаз. |
Історія та відкриття графена
Термін графен був вперше використаний в 1987 році, але офіційно був визнаний лише в 1994 році União de Química Pure and Applied.
Це позначення виникло на стику графіт із суфіксом -ене, що стосується подвійного зв’язку речовини.
Починаючи з 1950-х років, Лінус Полінг говорив на своїх заняттях про існування тонкого шару вуглецю, складеного з шестикутних кілець. Філіп Рассел Уоллес також описав деякі важливі властивості цієї структури роками раніше.
Однак лише нещодавно, у 2004 році, графен був виділений фізиками Андре Геймом та Костянтином Новоселовим в Університеті Манчестера і може бути глибоко відомим.
Вони вивчали графіт і за допомогою техніки механічного відшарування їм вдалося ізолювати шар матеріалу за допомогою клейкої стрічки. Цей подвиг присудив парі Нобелівську премію в 2010 році.
Значення графену для Бразилії
Бразилія має один з найбільших запасів природного графіту, матеріалу, що містить графен. Графітові природні запаси сягають 45% від загального обсягу у світі.
Хоча поява графіту спостерігається на всій території Бразилії, експлуатовані запаси знаходяться в Мінас-Жерайс, Сеарі та Баїї.
Маючи багату сировину, Бразилія також інвестує в дослідження в цьому районі. Перша лабораторія в Латинській Америці, присвячена дослідженню графену, знаходиться в Бразилії, в Університеті Пресбітеріани Макензі в Сан-Паулу, під назвою MackGraphe.
Виробництво графену
Графен можна отримати з карбіду, вуглеводню, вуглецевої нанотрубки та графіту. Останній найбільш використовується як вихідний матеріал.
Основними методами отримання графена є:
- Механічне мікровідшарування: Графітовий кристал має шари графену, зняті за допомогою стрічки, які наносяться на основи, що містять оксид кремнію.
- Хімічне мікровідшарування: вуглецеві зв’язки послаблюються додаванням реагентів, частково порушуючи мережу.
- хімічне осадження парів: утворення шарів графена, нанесених на тверді носії, такі як металева поверхня нікелю.
Ціна на графен
Труднощі синтезу графену в промислових масштабах означають, що цінність цього матеріалу все ще дуже велика.
У порівнянні з графітом, його ціна в тисячі разів вища. Поки 1 кг графіту продається за 1 долар, продаж 150 г графену здійснюється за 15 000 доларів.
Цікавинки про графен
- Проект Європейського Союзу, ім Графен Флагман, виділив близько 1,3 млрд. євро на дослідження, пов'язані з графеном, застосуванням та розвитком виробництва в промислових масштабах. У цьому проекті беруть участь близько 150 установ у 23 країнах.
- Перша валіза, розроблена для космічних подорожей, має у своєму складі графен. Його запуск запланований на 2033 рік, коли НАСА планує здійснити експедиції на Марс.
- Борофен - новий конкурент графена. Цей матеріал був виявлений в 2015 році і вважається вдосконаленою версією графена, будучи ще більш гнучким, стійким і провідним.
Графен в Енемі
У тесті Enem 2018 одне з питань Природничі науки та їх технології було про графен. Перегляньте нижче коментоване вирішення цього питання.
Графен - алотропна форма вуглецю, що складається з площинного листа (двовимірного масиву) ущільнених атомів вуглецю, товщина якого становить лише один атом. Його структура шестикутна, як показано на малюнку.
При такому розташуванні атоми вуглецю мають гібридизацію
а) sp лінійної геометрії.
б) сп2 площинної тригональної геометрії.
в) сп3 чергуються з sp-гібридизованими вуглецями лінійної геометрії.
г) sp3d площинної геометрії.
д) сп3d2 з гексагональною плоскою геометрією.
правильна альтернатива: б) sp2 площинної тригональної геометрії.
Алотропія вуглецю виникає через його здатність утворювати різні прості речовини.
Оскільки він має 4 електрони у валентній оболонці, вуглець є чотиривалентним, тобто він прагне утворювати 4 ковалентні зв’язки. Ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними або потрійними.
Залежно від зв’язків, які утворює вуглець, просторова структура молекули змінюється до розташування, яке найкраще вміщує атоми.
Гібридизація відбувається, коли існує комбінація орбіталей, а для вуглецю це може бути: sp, sp2 та sp3залежно від типу дзвінків.
Кількість гібридних орбіталей - це сума сигма (σ) зв’язків, які утворює вуглець, оскільки зв’язок не гібридизується.
- sp: 2 сигма-посилання
- sp2: 3 сигма-посилання
- sp3: 4 сигма-посилання
Представлення графенового алотропа в кульках і паличках, як показано на малюнку у питанні, не демонструє справжні зв'язки речовини.
Але якщо ми подивимося на частину зображення, то побачимо, що існує один вуглець, що представляє кульку, що з’єднується з трьома іншими вуглецями, утворюючи структуру, подібну трикутнику.
Якщо вуглецю потрібні 4 зв’язки і він зв’язаний з 3 іншими вуглеводами, то один з цих зв’язків подвійний.
Оскільки він має один подвійний та два одинарних зв’язки, графен має sp-гібридизацію2 і, отже, тригональна плоска геометрія.
Іншими відомими алотропними формами вуглецю є: графіт, алмаз, фулерен та нанотрубки. Незважаючи на те, що всі вони зроблені з вуглецю, алотропи мають різні властивості, що випливають з їх різної структури.
Читайте теж: Хімія в Енем і Питання хімії в Enem.
