11.19: Netzwerk Kovalente Festkörper

Netzwerkkovalente Festkörper enthalten ein dreidimensionales Netzwerk kovalent gebundener Atome, wie es in den Kristallstrukturen von Nichtmetallen wie Diamant, Graphit, Silizium und einigen kovalenten Verbindungen wie Siliziumdioxid (Sand) und Siliziumkarbid (Carborundum, das Schleifmittel auf Schleifpapier) zu finden ist. Viele Mineralien haben Netzwerke aus kovalenten Bindungen.

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

Diamant vs. Graphit

Kohlenstoff ist ein essentielles Element; Diamant und Graphit sind die beiden häufigsten Allotrope des Kohlenstoffs. Allotrope sind unterschiedliche Strukturformen desselben Elements. Diamant ist eine der härtesten bekannten Substanzen, während Graphit weich genug ist, um als Bleistiftmine verwendet zu werden. Diese sehr unterschiedlichen Eigenschaften ergeben sich aus den unterschiedlichen Anordnungen der Kohlenstoffatome in den verschiedenen Allotropen.

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 Bleistiftmine) reibt aufgrund der schwachen Anziehungskraft zwischen den Kohlenstoffschichten auf das 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, z. B. für erheblich verbesserte Computerchips und Schaltkreise, bessere Batterien und Solarzellen sowie stärkere und leichtere Strukturmaterialien. Der Nobelpreis für Physik 2010 ging an Andre Geim und Konstantin Novoselov für ihre bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet des Graphens.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt: 10.5 Der feste Zustand der Materie.