ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

Transkriptio

1 ATOMIHILAT KEMIAN MIKRO- MAAILMA, KE2 Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti. Hiloja on erilaisia. Hilojen ja sidosten avulla voidaan perustella esim. aineiden sulamis- ja kiehumispisteet. Hilatyyppien vertailua. 1

2 Määritelmä, atomihila: Järjestäytynyttä jatkuvaa säännöllistä rakennetta, jossa kaikki atomit ovat liittyneet kovalenttisilla sidoksilla toisiinsa, kutsutaan atomihilaksi. Atomihilan sidokset ovat vahvoja ja niiden rikkominen vaatii paljon energiaa. Atomihilan muodostuminen on tyypillistä hiiliryhmän alkuaineilla. Esimerkki Hiili ja sen allotrooppiset muodot: timantti, grafiitti, fullereenit, nanoputket ja grafeeni. Määritelmä, allotropia: Allotropiaksi kutsutaan ilmiötä, jossa tietyllä alkuaineella on useita samassa olomuodossa olevia rakenteeltaan erilaisia muotoja. Esimerkiksi happi- ja otsonimolekyylit: O 2, O 3 tai hiilen rakenteet: timantti, grafiitti, fullereeenit, nanoputket, grafeeni 2

3 Timantti on kovinta tunnetuista aineista. Kovuus ja muut timantin ominaisuudet johtuvat atomihilarakenteesta. Timantin jokainen hiili on sp 3 -hybridisoitunut ja sitoutunut neljään naapurihiiliatomiin neljällä tetraedrisesti suuntautuneella lujalla sigmasidoksella. Syntyy atomihila. Sigmasidoksista johtuu timantin kovuus ja korkea sulamispiste 3500 C. Timantti on hyvä lämmönjohde, koska atomien lämpövärähtely etenee atomihilassa nopeasti. Timantti ei johda sähköä, koska kaikki elektronit ovat sidotut sigmasidoksiin. Koruissa timantteja käytetään niiden valonläpäisevyyden ja suuren taitekertoimen vuoksi. Grafiitilla on metallimaisia ominaisuuksia kuten hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky sekä valon tulosuunnasta riippumaton kiilto. Tämä johtuu atomihilasta, jossa jokainen hiiliatomi on yksinkertaisella kovalenttisella sidoksella kiinni kolmessa muussa hiiliatomissa. Tällöin neljäs valenssielektroni jää koko hilan atomeille yhteiseen käyttöön metallihilan tapaan. Delokalisoituneet π-sidoselektronit voivat liikkua vapaasti atomihilassa, joten grafiitti johtaa hyvin sähköä. π-sidoselektronien vuoksi grafiitti on mustanharmaata, kiiltävää ja valoa läpäisemätöntä ainetta. Kerrosten väliset dispersiovoimat ovat heikkoja, joten kerrokset voivat helposti liukua erilleen toisistaan. Tämän takia grafiitti on pehmeää, tahraavaa ja liukasta. Käytetään voiteluaineena ja lyijykynän grafiitilla voidaan piirtää. Vahvojen σ-sidosten takia grafiitin sublimoitumisp. on 3700 C. 3

4 Fullereenit on löydetty noesta 1900-luvun lopulla ja niiden käyttömahdollisuuksia vasta tutkitaan. Fullereeneissa hiiliatomit ovat sitoutuneet toisiinsa samoin kuin grafiitissa, mutta ne ovat kiertyneet palloiksi esimerkiksi 60 atomin muodostelmaan, joka muistuttaa nahkamonikulmioista tehtyä jalkapalloa. Fullereenien löytämisen jälkeen on kehittynyt varsinainen uusi tieteenala. Nanotekniikalle ennustetaan monia mielenkiintoisia sovelluksia, kuten molekyylitason tietokoneet tai avaruushissi. Nanoputki määritellään ulko- tai sisähalkaisijansa tai seinämän paksuuden mukaan. Tämä voi olla muutama sata nanometriä (1 nm = 10-9 m). Hiilinanoputken pituus voi olla jopa millimetrin pituinen. Grafeeni on maailman ohuin materiaali. Se on vain yhden hiiliatomin paksuinen kanaverkkomainen kalvo. Se on erittäin kestävää, samalla myös taipuisaa, venyvää ja sillä on hyödyllisiä sähköisiä, mekaanisia ja optisia ominaisuuksia. Grafeenia on erittäin haastavaa valmistaa isommissa kokonaisuuksissa. Nämä yhden atomin paksuiset hiiliatomikalvot ovat yksi lupaavimmista materiaaleista uudenlaiselle taipuisan ja läpinäkyvän elektroniikan eri sovelluksille. 4

5 Taiteilijan näkemys grafeenikalvon kestävyydestä. 5