11.19
Sieciowe ciała stałe kowalencyjne zawierają trójwymiarową sieć kowalencyjnie związanych atomów, jaką można znaleźć w strukturach krystalicznych niemet…
Kowalencyjne ciała stałe w sieci to krystaliczne ciała stałe, które składają się z rozległej trójwymiarowej sieci pojedynczych atomów połączonych silnymi wiązaniami kowalencyjnymi.
Przykładami sieciowych kowalencyjnych ciał stałych są diament, który ma ciągłą sieć atomów węgla, oraz kwarc, który ma ciągłą sieć atomów krzemu i tlenu.
Niezwykle silne siły kowalencyjne między atomami sprawiają, że te ciała stałe są twarde o bardzo wysokich temperaturach topnienia.
Na przykład w diamencie każdy atom węgla jest sp 3 hybrydyzowany i połączony czworościennie z czterema sąsiednimi atomami węgla za pomocą pojedynczych wiązań kowalencyjnych.
Ta silnie powiązana sieć odpowiada za niezwykłą twardość diamentu i jego bardzo wysoką temperaturę topnienia. Diament jest słabym przewodnikiem elektrycznym, ponieważ nie ma zdelokalizowanych elektronów.
W kwarcu każdy atom krzemu jest związany z czterema atomami tlenu, a każdy atom tlenu jest dzielony między parę atomów krzemu. Silne wiązanie kowalencyjne krzemowo-tlenowe skutkuje twardością i wysoką temperaturą topnienia kwarcu.
Grafit jest niezwykłym kowalencyjnym ciałem stałym, ponieważ jest miękki i przewodzi prąd. Podobnie jak diament, grafit jest alotropem węgla, co oznacza, że te dwa materiały składają się z atomów węgla w różnych układach trójwymiarowych.
W graficie atomy węgla są ułożone w warstwy połączonych ze sobą sześciokątnych pierścieni. W każdej warstwie każdy atom węgla jest hybrydyzowany sp2 i jest kowalencyjnie związany z trzema sąsiednimi atomami węgla.
Niewiążące elektrony są zdelokalizowane w całej warstwie, dzięki czemu grafit jest dobrym przewodnikiem elektrycznym. Jednak warstwy te są utrzymywane razem tylko przez słabe siły dyspersyjne.
W związku z tym warstwy mogą przesuwać się obok siebie, co sprawia, że grafit jest miękki i łuszczy się.
Właśnie dlatego grafit jest używany w ołówkach: warstwy węgla są łatwo przenoszone na papier.
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.