11.19
Ковалентные твердые частицы сети содержат трехмерную сеть ковалентно связанных атомов, как они встречаются в кристаллических структурах неметаллов, та…
Ковалентные твердые тела это кристаллические твердые тела, которые состоят из обширной трехмерной сети отдельных атомов, удерживаемых вместе прочными ковалентными связями. Примеры ковалентных твердых тел с сетчатой структурой включают алмаз, который имеет непрерывную сеть атомов углерода, и кварц, который имеет непрерывную сеть атомов кремния и кислорода. Чрезвычайно сильные ковалентные силы между атомами делают эти твердые тела твердыми с очень высокими температурами плавления.
Например, в алмазе каждый атом углерода sp³ гибридизован и тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами углерода одинарными ковалентными связями. Эта сильно взаимосвязанная сеть объясняет необычную твердость алмаза и его очень высокую температуру плавления. Алмаз плохой проводник, так как в нем нет делокализованных электронов.
В кварце каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, и каждый атом кислорода связан с парой атомов кремния. Прочная кремний-кислородная ковалентная связь обеспечивает твердость и высокую температуру плавления кварца. Графит представляет собой необычное сетчатое ковалентное твердое тело, потому что он мягкий и проводит электричество.
Как и алмаз, графит представляет собой аллотропную модификацию углерода, то есть, эти два вещества состоят из атомов углерода, образующих различные трехмерные структуры. В графите атомы углерода расположены слоями из связанных гексагональных колец. В каждом слое каждый атом углерода sp² гибридизован и ковалентно связан с тремя соседними атомами углерода.
Несвязывающие электроны делокализованы по всему слою, что делает графит хорошим проводником электричества. Однако эти слои удерживаются вместе только слабыми дисперсионными силами. Следовательно, слои могут скользить друг по другу, делая графит мягким и шелушащимся.
Вот почему в карандашах используется графит:слои углерода легко переносятся на бумагу.
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.