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네트워크 공유 고체는 다이아몬드, 흑연, 실리콘과 같은 비금속의 결정 구조와 이산화규소(모래) 및 탄화규소(사포의 연마제인 카보런덤)와 같은 일부 공유 결합 화합물의 결정 구조에서 발견되는 공유 결합 원자의 3차원 네트워크를 포함합니다. 많은 광물에는 공유 결합 네트워…
네트워크 공유 고체는 강한 공유 결합에 의해 결합되어 있는 개별 원자의 거대한 3차원 네트워크로 구성된 결정성 고체입니다. 네트워크 공유 고체의 예로는 연속적인 탄소 원자 네트워크를 가진 다이아몬드와 연속적인 실리콘 및 산소 원자 네트워크를 가진 석영을 들 수 있습니다. 원자 사이의 극도로 강한 공유력은 고체를 단단하게 하며 매우 높은 녹는 점을 가지게 합니다.
예를 들어 다이아몬드에서는 각 탄소 원자가 sp²으로 혼합되어 단일 공유 결합을 통해 네 개의 인접한 탄소 원자와 사면체로 연결됩니다. 강하게 연결된 이 네트워크로 하여 다이아몬드는 비정상적인 경도와 매우 높은 용융점을 가지게 됩니다. 다이아몬드는 변위된 전자가 없기 때문에 전기 도체로 되지 못합니다.
석영에서 각 실리콘 원자는 네 개의 산소 원자와 결합되고 각 산소 원자는 한 쌍의 실리콘 원자 사이에 공유됩니다. 강한 실리콘-산소 공유 접합으로 하여 석영은 굳으며 높은 용융점을 가집니다. 흑연은 무르고 전기를 전도하기 때문에 특이한 네트워크 공유 고체입니다.
다이아몬드와 같이 흑연은 탄소의 동소체이며 따라서 이것은 두 물질이 탄소 원자의 서로 다른 3차원 배열을 가진다는 것을 의미합니다. 흑연에서 탄소 원자는 상호 연결된 육각형 고리의 층으로 배열됩니다. 각 층 내에서 각 탄소 원자는 sp² 혼합되어 세 개의 인접한 탄소 원자와 공유적으로 결합됩니다.
비공유 전자쌍은 전체 층에 걸쳐 배위되어 흑연을 좋은 전기 전도체로 되게 합니다. 그러나 이러한 층은 약한 분산력에 의해서만 서로 유지합니다. 결과적으로 층은 서로 미끄러져 지나갈 수 있고 따라서 흑연은 무르고 조각으로 떨어지기 쉽습니다.
이것이 연필에 흑연이 사용되는 이유입니다. 탄소의 층은 종이에 쉽게 옮겨집니다.
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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.