石墨烯专场.docx

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石墨烯专场

关注社会热点紧跟科技前沿

一、考纲要求：

二、高考化学试题特点（市二月调考教、学导向）：

教：

创设真实情境，设置实际问题，考查核心知识，注重关键能力

学：

感受真实情境，运用核心知识，展现关键能力，解答实际问题

三、近三年高考理综化学部分新科技材料：

石墨烯、乙炔黑、钛酸锂电池、磷酸亚铁锂电池、多孔碳材料、碳纳米管等。

四、教学目标：

五、案例分析

1、由《流浪地球》引起的思考：

2、由科技材料新秀“石墨烯”引起的思考：

3、由最近某化工公司爆炸引起的思考：

六、题型分析:

石墨炔碳纳米结心材料,由于其特殊的电子结构及优异的性能,有望得以广泛应用。

石墨炔的结构片断如图所示,下列叙述正确的是（）

A.石墨炔属于烃类B.有3种不同的碳碳键C.是电的良导体D.所有碳原子共平面

命题意图:

试题考查考生的观察理解能力、联想迁移能力,力图体现核心养中“结构决定性质,性质决定应用”的观念。

解析:

由结构图知,每一个碳原子以4个键与其他碳原子相连,石墨炔中有H原子,所以石墨炔不属于烃,是碳的一种新的单质,A错;结构图中,有碳单键、碳碳双键、碳碳三键和苯环中的独特的碳碳键,共有4种不同的碳碳,B错;碳原子最外层的4个价电子均形成共价键,没有自由移动的电子,所石墨炔不是电的良导体,C错;联想乙烯（键角约为120）、乙炔（键角约为180）的结构可知,石墨炔分子中的所有碳原子共平面,D正确。

高考导向，真题引导：

1．（2018·全国卷Ⅰ）最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。

示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：

①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋

②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋

该装置工作时，下列叙述错误的是（　C　）

A．阴极的电极反应：

CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O

B．协同转化总反应：

CO2＋H2S===CO＋H2O＋S

C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性

2．（2018·全国卷Ⅱ）我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。

将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。

下列说法错误的是（　D　）

A．放电时，ClO向负极移动

B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2

C．放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋C

D．充电时，正极反应为Na＋＋e－===Na

3．（2018·全国卷Ⅲ）一种可充电锂—空气电池如图所示。

当电池放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处生成Li2O2－x（x＝0或1）。

下列说法正确的是（　　）

A．放电时，多孔碳材料电极为负极

B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移

D．充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋O2

4．（2018·天津卷）O2辅助的Al—CO2电池工作原理如图所示。

该电池电容量大，能有效利有CO2，电池反应产物Al2（C2O4）3是重要的化工原料。

电池的负极反应式：

____________________________________________。

电池的正极反应式：

6O2＋6e－===6O

6CO2＋6O===3C2O＋6O2

反应过程中O2的作用是______________________________________________。

该电池的总反应式：

_________________________________________。

∙

13．全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为：

16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）．下列说法错误的是（　　）

A．

电池工作时，正极可发生反应：

2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B．

电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g

C．

石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D．

电池充电时间越长，电池中的Li2S2量越多

∙

∙

∙信息材料：

2019年3月21日14:

48江苏响水县陈家港化工区某化工有限公司死亡78人。

该公司经营范围：

 间羟基苯甲酸、苯甲醚、对叔丁基氯化苯、氯代叔丁烷、KSS、间苯二胺、邻苯二胺、对苯二胺、三羟甲基氨基甲烷、均三甲基苯胺、2,5-二甲基苯胺、3,4-二氨基甲苯、间二甲氨基苯甲酸、对甲苯胺、3,5-二羟基苯甲酸、1,3-二硝基苯等。

素材：

一、石墨烯：

见2018年高考化学试题

1、片层状平面六边形，可以分层，结构决定性质（）

2、电子通过性，是硅的100倍

3、导电性抗烧蚀能力是铜的100万倍

4、致密，是很好的阻隔材料，0.142nm

5、比表面积大，

6、良好的过滤材料。

在石墨烯薄膜上开合适的孔，让需要的小分子通过

7、透光率高，一个单层透光97.7%。

50层膜叠加在一起就不会让光透过

氧化性：

可与活泼金属反应。

还原性：

可在空气中或是被氧化性酸氧化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。

石墨烯氧化物是通过石墨氧化得到的层状材料，经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。

加成反应：

利用石墨烯上的双键，可以通过加成反应，加入需要的基团。

稳定性：

石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbonbond）仅为1.42。

石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。

这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

同时，石墨烯有芳香性，具有芳烃的性质。

4分子结构

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石墨烯石墨烯是由碳六元环组成的两维（2D）周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维（0D）的富勒烯（fullerene）,卷成一维（1D）的碳纳米管（carbonnano-tube,CNT）或者堆垛成三维（3D）的石墨（graphite）,因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。

石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是最理想的二维纳米材料.。

理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。

二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

5材料区别

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石墨烯碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。

自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。

其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。

石墨本体并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层（Graphene）才是准二维结构的碳材料。

石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。

当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲,富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。

6材料特性

编辑

电子运输

石墨烯在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。

所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。

虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。

其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h....为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。

这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。

美到爆的机甲骨骼防护服、超级科幻的星型发动机、横冲直撞的运载车，在极端环境下哪一个都离不开高端钢铁。

石墨烯结构非常稳定，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。

石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”（electricchargecarrier），的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯有相当的不透明度：

可以吸收大约2.3%的可见光。

而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

加州大学河滨分校（UCRiverside）的AlexlanderBalandin教授及其研究小组成员应用拉曼光谱偏移测量手段，测得悬空的单层石墨烯在室温下可拥有4840W/mK的高热导率。

石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器件材料的应用前景。

机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。

在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。

研究人员先是把这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。

之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。

据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。

如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。

换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它会能承受大约两吨重的物品。

电子的相互作用

利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：

石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。

这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。

科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

化学性质

关于石墨烯化学知道的是：

类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。

从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。

石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：

缺乏适用于传统化学方法的样品。

这一点未得到解决，研究石墨烯化学会面临重重困难。

记忆效应

质谱测定中的记忆效应表现为一次涂样测定的结果受到残存在离子源内测定过的同种样品的影响，当前后样品的待测同位素丰度相差越大时，记忆效应带来的影响也越大。

在热电离质谱测定中，记忆效应主要由石墨烯表面吸附和样品沉积两种因素引起。

有些活性强的化合物的蒸气与离子源内表面接触