Интеркаляция (химия)
В химии интеркаляция — это обратимое включение или внедрение молекулы ( или иона) в слоистые материалы со слоистой структурой. Примеры находятся в графите и дихалькогенидах переходных металлов . [1] [2]
Модель внедрения калия в графит
Примеры [ править ]
Графит [ править ]
Одним из известных хозяев интеркалирования является графит , который интеркалирует калий в качестве гостя. [3] Интеркаляция расширяет ван-дер-ваальсов зазор между листами, что требует энергии . Обычно эта энергия поступает за счет переноса заряда между гостем и твердым телом-хозяином, т. е. окислительно-восстановительного процесса . Двумя соединениями графита калия являются KC 8 и KC 24 . Фториды углерода (например, (CF) x и (C 4 F)) получают реакцией фтора с графитовым углеродом. Цвет серый, белый или желтый. Связь между атомами углерода и фтора ковалентная, поэтому фтор не интеркалируется. [ нужны разъяснения ] Такие материалы рассматривались в качестве катода в различных литиевых батареях .
Обработка графита сильными кислотами в присутствии окислителей приводит к окислению графита. Бисульфат графита, [C 24 ] + [HSO 4 ] − , получают таким способом с использованием серной кислоты и небольшого количества азотной или хромовой кислоты . Аналогичный перхлорат графита можно получить аналогично реакцией с хлорной кислотой . [ нужны разъяснения ]
Литий-ионные аккумуляторы [ править ]
Одним из крупнейших и наиболее разнообразных применений процесса интеркаляции к началу 2020-х годов будет литий-ионное электрохимическое хранение энергии , батареи, используемые во многих портативных электронных устройствах, мобильных устройствах , электромобилях и аккумуляторных электростанциях общего пользования .
К 2023 году все коммерческие литий-ионные элементы будут использовать интеркаляционные соединения в качестве активных материалов, и большинство из них будут использовать их как в катоде, так и в аноде в физической структуре батареи. [4]
В 2012 году три исследователя, Гуденаф , Язами и Ёсино , получили медаль IEEE 2012 года за технологии защиты окружающей среды и безопасности за разработку интеркалированного литий-ионного аккумулятора, а впоследствии Гуденаф, Уиттингем и Ёсино были удостоены Нобелевской премии по химии 2019 года «за разработку литий-ионные аккумуляторы». [5]
Отшелушивание [ править ]
Крайним случаем интеркаляции является полное разделение слоев материала. Этот процесс называется эксфолиацией. Обычно требуются агрессивные условия с использованием высокополярных растворителей и агрессивных реагентов. [6]
Похожие материалы [ править ]
В биохимии . интеркаляция — это вставка молекул между основаниями ДНК Этот процесс используется как метод анализа ДНК, а также лежит в основе некоторых видов отравлений.
Клатраты – это химические вещества, состоящие из решетки , которая улавливает или удерживает молекулы. Обычно клатратные соединения являются полимерными и полностью обволакивают молекулу гостя. Соединения включения часто представляют собой молекулы, тогда как клатраты обычно являются полимерными. Интеркаляционные соединения не являются трехмерными, в отличие от клатратных соединений. [7] Согласно ИЮПАК , клатраты — это «соединения включения, в которых молекула-гость находится в клетке, образованной молекулой-хозяином или решеткой молекул-хозяина». [8]
См. также [ править ]
- Клатратное соединение : молекула входит в решетку.
- Соединение интеркаляции графита
- Интеркаляция (биохимия)
- Укладка (химия)
- Водородное охрупчивание
Примечания [ править ]
- ^ Стэнли М. Уиттингем (2 декабря 2012 г.). ИНТЕРКАЛЯЦИОННАЯ ХИМИЯ . Эльзевир. ISBN 978-0-323-14040-9 . Проверено 18 мая 2016 г.
- ^ В. Мюллер-Вармут; Р. Шёлльхорн (6 декабря 2012 г.). Прогресс в исследованиях интеркаляции . Физика и химия материалов с низкоразмерными структурами 17. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-0890-4 . Проверено 18 мая 2016 г.
- ^ Виберг, Э.; Холлеман, А.Ф.; Виберг, Н.; Иглсон, М.; Брюэр, В.; Эйлетт, Би Джей (2001). Неорганическая химия . Академическая пресса. п. 794. ИСБН 978-0-12-352651-9 . Проверено 12 марта 2021 г.
- ^ «Анод против катода: в чем разница?» . Биологика . Проверено 25 мая 2023 г.
- ^ «Нобелевская премия по химии 2019» . Нобелевский фонд. Архивировано из оригинала 8 декабря 2019 года . Проверено 4 июня 2023 г.
- ^ Николози, В.; и др. (2013). «Жидкое отшелушивание слоистых материалов». Наука . 340 (6139). дои : 10.1126/science.1226419 . hdl : 2262/69769 .
- ^ Этвуд, Дж. Л. (2012). «Соединения включения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a14_119 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Клатраты ». два : 10.1351/goldbook.C01097
| внутримолекулярный (сильный) |
|    | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Межмолекулярный (слабый) |
| |||||||
| Расщепление связи | ||||||||
| счета электронов Правила | ||||||||