Wirtualne laboratorium/Chemia/Wiązania chemiczne/Grafen — węgiel w jednej warstwie
Nobel 2010 — Geim, Novoselov

Grafen — węgiel w jednej warstwie

Rozszerzenie tematu alotropii węgla i wiązań chemicznych. Pojedyncza warstwa atomów węgla w sieci heksagonalnej to grafen — materiał dwuwymiarowy, wyjątkowo wytrzymały, przewodzący prąd i ciepło, niemal przezroczysty. Wiele takich warstw ułożonych na sobie to zwykły grafit (Nobel 2010).

Grafen — węgiel w jednej warstwie
Chemia · Wiązania chemiczne · Grafen (CHE.WIAZ.PP.05)
Liczba warstw węgla nn6 warstw
Pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną to…
warstwy n
6
grubość d
2.01 nm
przezroczystość
87.0 %
forma
grafit
🎯 Wyzwanie: grafen czy grafit?
seria: 0

Dam Ci liczbę warstw węgla — rozpoznaj formę (bez suwaka). 1 warstwa to co innego niż wiele.

Co się właśnie stało?

Zredukowałeś stos do jednej warstwy — z grafitu (3D) pozostał grafen (2D). To wciąż ten sam pierwiastek, węgiel, ale inaczej ułożony — dlatego mówimy o odmianach alotropowych.

Jak otrzymano grafen?

W 2004 roku Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow odklejali kolejne warstwy grafitu zwykłą taśmą klejącą (eksfoliacja mechaniczna), aż uzyskali pojedynczą warstwę atomów węgla. Za to odkrycie otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla z fizyki.

d(n)=n⋅d0d0≈0,335 nmd(n) = n \cdot d_0 \qquad d_0 \approx 0{,}335\ \text{nm}

— grubość próbki rośnie liniowo z liczbą warstw; d₀ to odstęp między warstwami grafitu, utrzymywany słabymi siłami van der Waalsa (dlatego grafit tak łatwo się „łuszczy" — np. rysuje w ołówku).

Właściwości grafenu

Grafen jest ok. 200 razy wytrzymalszy od stali, świetnie przewodzi prąd i ciepło, a pojedyncza warstwa pochłania tylko ok. 2,3% światła — jest niemal przezroczysta:

T(n)=(1−a)n⋅100%a≈0,023T(n) = (1-a)^n \cdot 100\% \qquad a \approx 0{,}023

Po co Ci to na maturze:

Grafen i grafit to klasyczny przykład odmian alotropowych węgla (obok diamentu i fulerenów) — pytania o alotropię i wiązania kowalencyjne w sieciach krystalicznych regularnie pojawiają się w dziale „Wiązania chemiczne". Chwyt: ta sama liczba atomowa węgla, inna struktura krystaliczna ⇒ inne właściwości.

Zapamiętaj: 1 warstwa heksagonalnej sieci węgla = grafen (2D). Wiele takich warstw spiętych siłami van der Waalsa = grafit (3D). To alotropia — ten sam pierwiastek, inna struktura.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Czym jest grafen

Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną (plaster miodu) — materiał dwuwymiarowy (jeden atom grubości). Wiele takich warstw ułożonych na sobie to zwykły grafit.

Niezwykłe właściwości

Grafen łączy cechy trudne do pogodzenia:

  • ekstremalną wytrzymałość mechaniczną
  • świetne przewodnictwo elektryczne i cieplne
  • niemal pełną przezroczystość i elastyczność

Otrzymywanie i nagroda

Wyodrębniono go metodą eksfoliacji — odklejając warstwy z grafitu zwykłą taśmą klejącą (Nobel z fizyki 2010, A. Geim i K. Novoselov). To kolejna odmiana alotropowa węgla.

To zagadnienie jest jakościowe (strukturalne) — opisuje budowę i właściwości, bez wzorów liczbowych.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Co to grafen?

Pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną — materiał dwuwymiarowy.

›

Czemu grafen jest wyjątkowy?

Łączy ekstremalną wytrzymałość, świetne przewodnictwo elektryczne i cieplne oraz niemal pełną przezroczystość.

›

Jak go otrzymano?

Metodą eksfoliacji — odklejając kolejne warstwy z grafitu za pomocą zwykłej taśmy klejącej.

Teoria (klasa): CHE.1.4.1 → Lekcja maturalna: CHE.M.1.3 →

Powiązane eksperymenty

Fullereny C₆₀ — węgiel w kształcie piłki →Maszyny molekularne — silniki z pojedynczych cząsteczek →Typy wiązań — decyduje elektroujemność →