Koolstofatomen vormen grafiet en grafeen, beide op koolstof gebaseerde materialen. Grafeen is slechts één atoomlaag van grafiet - een zeshoekig of honingraatrooster van sp2-gekoppelde koolstofatomen.
Grafiet is een veelgebruikt materiaal dat is opgebouwd uit meerdere lagen grafeen. Grafeen en grafiet hebben enigszins verschillende structurele eigenschappen en productieprocessen.
Key Takeaways
- Grafiet is een natuurlijk voorkomende koolstof allotroop met een kristallijne structuur, gebruikt in verschillende toepassingen zoals potloden en smeermiddelen.
- Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig rooster, bekend om zijn buitengewone sterkte en geleidbaarheid.
- Grafiet is een bulkmateriaal met grafeenlagen, terwijl grafeen een geïsoleerde, enkele laag is met superieure eigenschappen.
Grafiet versus grafeen
Grafiet is een zacht, schilferig materiaal dat wordt gebruikt in bijvoorbeeld potloden en smeermiddelen, naast dat het een vorm van koolstof is. Grafeen, dat is een enkele laag grafiet, is een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit, en zijn eigenschappen maken het een veelbelovend materiaal voor technologische toepassingen.
Grafiet is een mineraal dat bestaat uit vele lagen koolstofatomen met één vlak dat van nature voorkomt. Het kan van nature in metamorfe gesteenten worden gevonden.
Metamorfose leidt tot de reductie van sedimentaire koolstofverbindingen, wat resulteert in de vorming van grafiet. De chemische bindingen in grafiet zijn qua sterkte vergelijkbaar met die in diamanten.
Grafeen is een tweedimensionale koolstofstof die veel wordt gebruikt. Het dunste materiaal dat de mens kent, is grafeen. Koolstofatomen zijn veilig verbonden in een zeshoekig honingraatrooster in een monolaag van grafeen.
Op kleine schaal vertoont grafeen een enorme treksterkte. Omdat elk koolstofatoom een vrij pi-elektron heeft, heeft grafeen uitstekende elektrische geleidbaarheidseigenschappen.
Vergelijkingstabel
| Parameters van vergelijking: | grafiet | Grafeen |
|---|---|---|
| Dikte | Het is dikker omdat het uit meerdere lagen koolstof bestaat. | Enkellaags en dus dunner. |
| Chemische binding | Elk atoom is gebonden door drie covalente bindingen en heeft een vrij elektron. | Elk atoom is gebonden door drie sigma-bindingen en een enkele pi-binding die naar het vlak is gericht. |
| Structuur | Driedimensionaal | Tweedimensionaal |
| Sterkte | Bros | Het sterkste materiaal ooit. |
| het Uiterlijk | Lijkt ijzerzwart tot staalgrijs van kleur en heeft glans. | Enigszins transparant. |
Wat is grafiet?
Grafiet is een natuurlijk voorkomend element dat ontstaat wanneer organisch materiaal in kalksteenafzettingen een metamorfose ondergaat.
Natuurlijk grafiet is een mineraal dat kan worden gevonden in metamorfe en stollingsgesteenten en wordt onder andere gebruikt in vuurvaste materialen, batterijen, staalproductie, geëxpandeerd grafiet, remvoeringen, gieterijbekledingen en smeermiddelen.
Edward G. Acheson produceerde per ongeluk grafiet tijdens het uitvoeren van carborundumstudies bij hoge temperatuur. Hij ontdekte dat het silicium in carborundum verdampt bij ongeveer 4,150 °C (7,500 °F), waardoor de koolstof in grafietvorm achterblijft.
De kernen van de potloden zijn gemaakt van grafiet, een zwart, zacht materiaal met laagjes die over elkaar kunnen glijden.
Het grafiet wordt gemengd met klei en water om het deksel van het potlood te maken. Hoe harder de potloodpunt wordt naarmate er meer klei wordt toegevoegd.
Poedergrafiet wordt vanwege zijn zachtheid gebruikt om snel bewegende onderdelen van apparatuur te smeren. De gelaagde structuur van grafiet bestaat uit ringen van zes koolstofatomen, georganiseerd in horizontale lagen die ver uit elkaar liggen.
Dientengevolge kristalliseert het grafiet in het hexagonale systeem, in tegenstelling tot diamant, dat kristalliseert in het octaëdrische of viervlakkig systemen.
Grafiet heeft een donkergrijze tot zwarte kleur, is dekkend en extreem zacht. Het woord grafiet komt van het Griekse werkwoord grafeen, wat "schrijven" betekent omdat het een vettige textuur heeft en een zwarte afdruk produceert.
Wat is Grafeen?
Een enkele laag sp2-gebonden koolstofatomen in een zeshoekig rooster wordt enkellaags grafeen genoemd. Grafeen is een miljoen keer dunner dan papier, en het is zo dun dat het gewoon tweedimensionaal is.
Grafeen is zeer flexibel en transparant, naast belangrijke elektrische eigenschappen. Als gevolg hiervan is het een goede kandidaat voor draagbare elektronica.
Grafeen zou smartphones en tablets veel robuuster kunnen maken en ze zelfs als papier kunnen vouwen. In een grafeenvel is elk koolstofatoom stevig gebonden aan drie andere atomen onder vergelijkbare hoeken, wat resulteert in een platte, honingraatachtige structuur.
Deze sterke verbindingen geven de structuur een enorme veerkracht, vergelijkbaar met diamant, een driedimensionaal koolstofkristal waarin elk atoom is gebonden aan vier buren.
De zeshoekige vorm van grafeen dient als basis voor fullerenen, dit zijn holle moleculaire structuren gemaakt van 60 of meer koolstofmoleculen, vergelijkbaar met de mooie koolstofbolletjes die bekend staan als "buckyballs".
Het gaas op nanoschaal van deze structuren is zo flexibel dat deze tot holle cilinders kunnen worden gevouwen, waardoor ze geschikte moleculaire containers zijn.
Elk atoom in een laagje grafeen levert één vrij elektron aan het molecuul, omdat het element koolstof vier toegankelijke elektronen heeft voor binding.
De inactieve negatieve lading van het materiaal draagt bij aan zijn buitengewone geleidende en supergeleidende eigenschappen, waardoor het ideaal is voor geavanceerde elektronica.
Belangrijkste verschillen tussen grafiet en grafeen
- Het grafietvel heeft een grotere dikte dan grafeen, dat is opgebouwd uit honingraatachtige lagen van vlakke koolstofatomen. Grafeen is de enkele laag die wordt gevormd wanneer een grafietvel wordt gescheurd tot een enkele laag met slechts één koolstofatoomdikte.
- Grafiet bevat drie covalente bindingen rond elk koolstofatoom en één vrij elektron, terwijl grafeen vier schakels heeft, waaronder drie sigma-bindingen rond elk koolstofatoom en één pi-binding georiënteerd buiten het vliegtuig.
- Grafiet heeft een driedimensionale microscopische structuur die is opgebouwd uit lagen grafietmoleculen die als pagina's zijn opgestapeld. Grafeen is een tweedimensionale substantie die bestaat uit een enkele laag grafietmoleculen met een dikte van minder dan een nanometer.
- Grafiet is broos, terwijl grafeen de meest duurzame stof is die ooit is bestudeerd.
- Grafiet heeft een metaalachtige glans en is ijzerzwart tot staalgrijs van kleur, terwijl grafeen vrij transparant is.
Referentie
- https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.74.075404
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200702051
Laatst bijgewerkt: 08 juli 2023
Ik heb zoveel moeite gestoken in het schrijven van deze blogpost om jou van waarde te kunnen zijn. Het zal erg nuttig voor mij zijn, als je overweegt het te delen op sociale media of met je vrienden/familie. DELEN IS ️
Piyush Yadav heeft de afgelopen 25 jaar als natuurkundige in de lokale gemeenschap gewerkt. Hij is een natuurkundige die gepassioneerd is om wetenschap toegankelijker te maken voor onze lezers. Hij heeft een BSc in natuurwetenschappen en een postdoctoraal diploma in milieuwetenschappen. Je kunt meer over hem lezen op zijn bio pagina.
