11.19
ネットワーク共有結合固体とは、共有結合した原子が3次元的なネットワークを形成している固体のことであり、ダイヤモンド、グラファイト、シリコンなどの非金属や、二酸化ケイ素(砂)や炭化ケイ素(カーボランダム、紙やすりの研磨剤)などの共有結合化合物の結晶構造に見られます。また多くの鉱物は共有結合のネットワー…
ネットワーク共有結合固体は、強力な共有結合によって結合された個々の原子の広大な3次元ネットワークで構成された結晶性固体です。
ネットワーク共有固体の例としては、炭素原子の連続ネットワークを持つダイヤモンドや、シリコン原子と酸素原子の連続ネットワークを持つクォーツなどがあります。
原子間の非常に強い共有結合力により、これらの固体は融点が非常に高い硬くなります。
たとえば、ダイヤモンドでは、各炭素原子はsp3混成され、単一の共有結合を介して4つの隣接する炭素原子に四面体に接続されています。
この強く相互接続されたネットワークは、ダイヤモンドの異常な硬度とその非常に高い融点を説明しています。ダイヤモンドは、非局在化電子がないため、導電率が劣ります。
石英では、各シリコン原子は4つの酸素原子に結合しており、各酸素原子は一対のシリコン原子間で共有されています。強力なシリコン-酸素共有結合により、石英の硬度と高融点が得られます。
グラファイトは、柔らかく電気を通すため、珍しいネットワーク共有固体です。ダイヤモンドと同様に、グラファイトは炭素の同素体であり、2つの材料が異なる3次元配列の炭素原子で構成されていることを意味します。
グラファイトでは、炭素原子は相互接続された六角形のリングの層に配置されています。各層内では、各炭素原子はsp2混成され、隣接する3つの炭素原子に共有結合しています。
非結合性電子は層全体で非局在化されているため、グラファイトは優れた導電体になります。ただし、これらの層は弱い分散力によってのみ一緒に保持されます。
その結果、層が互いに滑り落ち、グラファイトが柔らかくフレーク状になります。
これがグラファイトが鉛筆に使用されている理由です:炭素の層は紙に簡単に転写されます。
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What makes network covalent solids so hard and heat-resistant?
Network covalent solids are extremely hard and have high melting points because their atoms are held together by strong covalent bonds throughout a continuous three-dimensional structure. To melt or break these solids, covalent bonds must be broken, which requires enormous energy. Diamond, for example, melts above 3500°C due to its interconnected carbon atoms bonded tetrahedrally in all directions.
Q2: Why is graphite soft and conductive while diamond is hard and insulating?
Graphite and diamond are allotropes of carbon with different atomic arrangements. In graphite, carbon atoms form layers of hexagonal rings with delocalized electrons that conduct electricity, but weak dispersion forces between layers allow them to slide easily, making graphite soft. Diamond's three-dimensional tetrahedral bonding network with no delocalized electrons makes it hard and insulating.
Q3: What is the difference between sp3 and sp2 hybridization in carbon network solids?
In diamond, each carbon atom is sp3 hybridized and forms four single covalent bonds arranged tetrahedrally to neighboring carbon atoms. In graphite, carbon atoms are sp2 hybridized and form three covalent bonds within planar hexagonal layers. This difference in hybridization and bonding geometry directly explains why diamond is hard and graphite is soft and conductive.
Q4: How does the structure of quartz differ from diamond?
Quartz is a network covalent solid composed of silicon and oxygen atoms, where each silicon atom bonds to four oxygen atoms and each oxygen is shared between two silicon atoms. Like diamond, quartz has strong covalent bonding throughout its three-dimensional network, resulting in hardness and high melting points. However, quartz's composition and atomic arrangement differ fundamentally from pure carbon diamond.
Q5: What are allotropes and why do diamond and graphite have such different properties?
Allotropes are different structural forms of the same element. Diamond and graphite are carbon allotropes with vastly different properties because their atoms arrange differently in three dimensions. Diamond's tetrahedral bonding creates hardness in all directions, while graphite's layered structure with weak interlayer forces creates softness and flakiness, making it ideal for pencil lead.
Q6: Why can graphite conduct electricity while most network covalent solids cannot?
Graphite conducts electricity because its sp2 hybridized carbon atoms in hexagonal layers have nonbonding electrons that are delocalized across the entire layer. This electron mobility allows electrical current to flow. In contrast, diamond has no delocalized electrons because each carbon atom uses all its electrons in four localized covalent bonds, making it an insulator.
Q7: What makes graphene a promising material for future technology?
Graphene is a single-atom-thick sheet of graphite discovered in 2004. It combines strength and lightweight properties with excellent electrical and thermal conductivity. These properties make graphene promising for applications including advanced computer chips, improved batteries and solar cells, and stronger structural materials, earning its discoverers the 2010 Nobel Prize in Physics.