11.19: Netzwerkkovalente Feststoffe

Netzwerkkovalente Feststoffe enthalten ein dreidimensionales Netzwerk kovalent gebundener Atome, wie sie in den Kristallstrukturen von Nichtmetallen wie Diamant, Graphit, Silizium und einigen kovalenten Verbindungen wie Siliziumdioxid (Sand) und Siliziumkarbid (Karborund, das Schleifmittel auf Sandpapier) zu finden sind ). Viele Mineralien verfügen über Netzwerke kovalenter Bindungen.

Um einen kovalenten Netzwerkfestkörper aufzubrechen oder zu schmelzen, müssen kovalente Bindungen aufgebrochen werden. Da kovalente Bindungen relativ stark sind, zeichnen sich kovalente Netzwerkfeststoffe typischerweise durch Härte, Festigkeit und hohe Schmelzpunkte aus. Diamant ist beispielsweise einer der härtesten bekannten Stoffe und schmilzt oberhalb von 3500 °C.

Diamant vs. Graphit

Kohlenstoff ist ein wesentliches Element; Diamant und Graphit sind die beiden häufigsten Allotrope von Kohlenstoff. Allotrope sind unterschiedliche Strukturformen desselben Elements. Diamant ist einer der härtesten bekannten Stoffe, während Graphit weich genug ist, um als Bleistiftmine verwendet zu werden. Diese sehr unterschiedlichen Eigenschaften sind auf die unterschiedliche Anordnung der Kohlenstoffatome in den verschiedenen Allotropen zurückzuführen.

Diamant ist aufgrund der starken Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen in alle Richtungen extrem hart. Graphit besteht aus planaren Schichten kovalenter Kristalle, die durch nichtkovalente Kräfte in Schichten zusammengehalten werden. Im Gegensatz zu typischen kovalenten Feststoffen ist Graphit sehr weich und elektrisch leitfähig. Graphit (in Bleistiftminen) reibt aufgrund der schwachen Anziehungskräfte zwischen den Kohlenstoffschichten auf Papier ab.

Graphen: Material der Zukunft

Eine kürzlich entdeckte Form von Kohlenstoff ist Graphen. Graphen wurde erstmals im Jahr 2004 isoliert, indem mit Klebeband immer dünnere Schichten von Graphit abgezogen wurden. Es handelt sich im Wesentlichen um eine einzelne Graphitschicht (ein Atom dick). Graphen ist nicht nur stark und leicht, sondern auch ein hervorragender Strom- und Wärmeleiter. Diese Eigenschaften können sich in einer Vielzahl von Anwendungen als sehr nützlich erweisen, beispielsweise bei deutlich verbesserten Computerchips und Schaltkreisen, besseren Batterien und Solarzellen sowie stärkeren und leichteren Strukturmaterialien. Der Nobelpreis für Physik 2010 wurde Andre Geim und Konstantin Novoselov für ihre bahnbrechende Arbeit mit Graphen verliehen.

Dieser Text wurde adaptiert von Openstax, Chemistry 2e, Section: 10.5 The Solid State of Matter.

Netzwerkkovalente Festkörper sind kristalline Festkörper, die aus einem riesigen dreidimensionalen Netzwerk einzelner Atome bestehen, die durch starke kovalente Bindungen zusammengehalten werden.

Beispiele für kovalente Netzwerkfeststoffe sind Diamant, der ein kontinuierliches Netzwerk von Kohlenstoffatomen aufweist, und Quarz, der ein kontinuierliches Netzwerk von Silizium- und Sauerstoffatomen aufweist.

Die extrem starken kovalenten Kräfte zwischen den Atomen machen diese Feststoffe hart mit sehr hohen Schmelzpunkten.

In Diamant ist beispielsweise jedes Kohlenstoffatom sp^{3-hybridisiert} und über einfache kovalente Bindungen tetraedrisch mit vier benachbarten Kohlenstoffatomen verbunden.

Dieses stark vernetzte Netzwerk ist für die ungewöhnliche Härte von Diamant und seinen sehr hohen Schmelzpunkt verantwortlich. Diamant ist ein schlechter elektrischer Leiter, da es keine delokalisierten Elektronen gibt.

In Quarz ist jedes Siliziumatom an vier Sauerstoffatome gebunden, und jedes Sauerstoffatom wird von einem Paar Siliziumatome geteilt. Die starke kovalente Silizium-Sauerstoff-Bindung führt zu der Härte und dem hohen Schmelzpunkt von Quarz.

Graphit ist ein ungewöhnlicher netzkovalenter Feststoff, da er weich ist und Elektrizität leitet. Graphit ist wie Diamant ein Allotrop des Kohlenstoffs, was bedeutet, dass die beiden Materialien aus Kohlenstoffatomen in unterschiedlichen dreidimensionalen Anordnungen bestehen.

In Graphit sind Kohlenstoffatome in Schichten aus miteinander verbundenen sechseckigen Ringen angeordnet. Innerhalb jeder Schicht ist jedes Kohlenstoffatom sp^{2-hybridisiert} und kovalent an drei benachbarte Kohlenstoffatome gebunden.

Die nicht bindenden Elektronen sind über die gesamte Schicht delokalisiert, was Graphit zu einem guten elektrischen Leiter macht. Diese Schichten werden jedoch nur durch schwache Dispersionskräfte zusammengehalten.

Dadurch können die Schichten aneinander vorbeigleiten, wodurch der Graphit weich und schuppig wird.

Aus diesem Grund wird Graphit in Bleistiften verwendet: Die Kohlenstoffschichten lassen sich leicht auf das Papier übertragen.