Номер 12, страница 109 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

12. Подготовьте сообщение об одной из аллотропных модификаций углерода — фуллеренах, графене или углеродных нанотрубках.

Решение

В данном сообщении будет рассмотрена одна из аллотропных модификаций углерода — графен.

Введение: что такое графен?

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой одиночный плоский слой атомов углерода, которые образуют гексагональную кристаллическую решётку, похожую на пчелиные соты. По сути, лист графена — это структурная основа для других известных форм углерода: если его свернуть в трубку, получатся углеродные нанотрубки; если "вырезать" и "сшить" в сферу — фуллерены; а если сложить в стопку — обычный графит.

История открытия

Несмотря на то, что существование графена было теоретически предсказано ещё в 1947 году, долгое время считалось, что двумерные кристаллы не могут быть устойчивыми в свободном состоянии. Прорыв произошёл в 2004 году, когда физики Андрей Гейм и Константин Новосёлов из Манчестерского университета смогли получить и исследовать графен с помощью простого, но эффективного метода. Они многократно приклеивали и отрывали клейкую ленту (скотч) от куска графита, получая всё более тонкие слои, пока не добились слоя толщиной в один атом. За «новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена» Гейм и Новосёлов в 2010 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Структура и уникальные свойства

В структуре графена каждый атом углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации и соединён с тремя другими атомами прочными ковалентными σ-связями. Длина этих связей составляет около $0,142$ нм. Четвёртые валентные p-электроны атомов углерода образуют единую делокализованную π-систему над и под плоскостью листа, что обуславливает большинство его выдающихся свойств.

Механические свойства: Графен — самый прочный из известных материалов. Его предел прочности достигает $130$ ГПа, что примерно в 200 раз прочнее стали той же толщины. При этом он очень лёгкий и гибкий.

Электрические свойства: Графен обладает аномально высокой подвижностью носителей заряда, что делает его идеальным проводником. Электроны в нём ведут себя как безмассовые частицы, двигаясь с очень высокой скоростью. Это делает его перспективным материалом для создания нового поколения сверхбыстрых транзисторов и электроники.

Тепловые свойства: Графен — превосходный проводник тепла, его теплопроводность при комнатной температуре (свыше $3000$ Вт/(м·К)) превышает теплопроводность алмаза и меди, что важно для отвода тепла в микроэлектронных устройствах.

Оптические свойства: Одноатомный слой графена практически прозрачен, он поглощает лишь $2,3$% падающего на него света в видимом диапазоне, что открывает возможности для его использования в прозрачных токопроводящих покрытиях для дисплеев и солнечных элементов.

Применение

Благодаря своим уникальным характеристикам, графен имеет огромный потенциал применения в самых разных сферах:

Электроника: гибкие экраны, сверхбыстрые процессоры, прозрачные электроды.

Композиты: добавление графена в пластик, резину или металл может кардинально улучшить их прочность, электро- и теплопроводность.

Энергетика: высокоэффективные электроды для аккумуляторов и суперконденсаторов, компоненты для солнечных батарей.

Медицина: биосенсоры для быстрой диагностики, системы адресной доставки лекарств, компоненты для искусственных тканей.

Фильтрация: графеновые мембраны могут использоваться для опреснения морской воды и очистки жидкостей и газов на молекулярном уровне.

Ответ:

Представлено сообщение об одной из аллотропных модификаций углерода — графене. В сообщении описаны история открытия материала, его уникальная двумерная структура на основе $sp^2$-гибридизированных атомов углерода, а также его выдающиеся свойства: высочайшая механическая прочность, превосходная электро- и теплопроводность, оптическая прозрачность. Перечислены основные перспективные области применения графена, от электроники и композитных материалов до энергетики, медицины и технологий фильтрации.