大学 · 25分
グラフェン：厚さ1原子、幅1結合
広がった sp² 炭素のハニカムを回転させ、六員環をたどり、平面 π シートをグラフェンの比類なき導電性と強度に結びつける。
目的
すべての炭素がちょうど3つの隣接原子をもつことを確かめ、六員環を見つけ、非局在 π 電子がシートを導電性にする理由を考える。
器具と試薬
仮想分子ビルダー：3Dで回せるグラフェン断片。炭素のダイヤモンド型やナノチューブ型と頭の中で比較する。
手順
- シートを側面に傾ける：厚さは1原子だけ——可能な限り薄い固体である。
- 六角形を目でたどり、1つの原子の隣接数を数える：120° の3結合、sp² 混成の特徴である。
- 内部の原子に水素がないことに注意——すべての価電子が π 骨格に使われている。
- シートを筒に巻く（ナノチューブ）か複数枚を積層する（グラファイト）ことを想像する：同じ材料で三つのアロトロープ構造。
観察すること
- 内部のすべての炭素はちょうど3つの隣接原子と結合する。ダイヤモンドのような4配位（sp³）炭素はない。
- このスケールでシートは完全に平ら。六角形が隙間なく重なりなく平面を埋め尽くす。
- 端の原子はダングリング結合をもつ。実際のグラフェン片が反応性を示す（水素や酸素で末端化される）のは縁だけである。
解説
各炭素は3つの sp² 軌道を σ ハニカムに使い、残った pz 軌道が半充填の π・π* 帯となってディラック点で接する。電子は質量ゼロのように動き、低温で 超の移動度を示す。同じ面内結合網が約1 TPa のヤング率を与え、1層の光吸収は可視光の にすぎない。
ゆかりの化学者
関連トピック
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。