Оксид графена (ОГ) для химика, пожалуй, интереснее, чем сам графен!
В последние годы появились предложения использовать ОГ для изготовления мембран с регулируемой пропускной способностью и для хранения газа.
Исследования двухслойного ОГ, (рис.1а,б) показали, что этот углеродный наноматериал способен сорбировать воду из влажного воздуха и увеличивать свое межплоскостное расстояние (рис.1в и 1г). Если массовая доля сорбированной воды составляет 36% от общей массы, межплоскостное расстояние увеличивается на 1,2 А по сравнению с сухим материалом. По данным электронной микроскопии молекулы воды располагаются на поверхности в виде «заплаток» (рис.1в). При контакте с жидкой водой происходит полное насыщение. Двухслойный ОГ дополнительно сорбирует 10 масс. % воды, а межплоскостное расстояние увеличивается еще на 4 А. Дополнительное количество сорбированной воды располагается в пространстве между плоскостями (розовый слой на рис.1г).
Рис. 1. а) Оксид графена (ОГ): графеновая плоскость, покрытая с двух сторон кислородосодержащими группами; б) сухой двухслойный ОГ: это две плоскости, изображенные на рис. 1а; в) двухслойный ОГ, сорбировавший 36 масс. % воды; г) двухслойный ОГ, полностью насыщенный водой
Группа ученых из Южной Кореи обнаружила, что двухслойный ОГ, насыщенный водой (рис. 1г), начинает поглощать углекислый газ. В отсутствие воды подобное поглощение не наблюдается.
1) Какую максимальную долю внутренней поверхности двухслойного ОГ занимают «заплатки» (рис. 1в)? Одна молекула воды занимает площадь 1.06×10–19 м2. Площадь шестиугольника из атомов углерода на поверхностях ОГ (рис.1а) составляет 5.19×10–20 м2, масса шестиугольника равна 12×10–23 г. Кислородосодержащие группы не следует принимать в расчет. (3 балла)
2) Какова минимальная плотность воды (г/см3) в розовом слое, между двумя плоскостями ОГ? (2 балла)
3) Рассчитайте молярную концентрацию СО2, растворенного в воде, насытившей ОГ (рис. 1г), если по данным исследователей из Южной Кореи, при давлении СО2, равном 20 бар, растворяется 0.7 мл газообразного СО2 на 1 г сухого двухслойного ОГ. Температура равна 293 К. Сравните полученную величину с обычной растворимостью СО2 в Н2О при р = 20 бар и Т = 293К. Она определяется по уравнению с = 0.034 {моль/кг/бар}*p. Ученые из Южной Кореи считают, что вода, насытившая ОГ, растворяет СO2 приблизительно в 10 раз лучше, чем обычная вода. Можно ли считать такой вывод однозначным? (3 балла)
