Back to chapter

11.19:

סריג אטומרי קוולנטי

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Network Covalent Solids

Languages

Share

מוצקי רשת קוולנטיים הם מוצקים גבישיים שמורכבים מרשת תלת-ממדית עצומה של אטומים יחידים המוחזקים יחד על ידי קשרים קוולנטיים חזקים. דוגמאות למוצקי רשת קוולנטיים כוללות יהלום, שיש לו רשת רציפה של אטומי פחמן וקוורץ, שיש לו רשת רציפה של אטומי סיליקון וחמצן. הכוחות הקוולנטיים החזקים במיוחד בין האטומים מקשיחים את המוצקים הללו ומביאים לנקודות התכה גבוהות מאוד.לדוגמה, ביהלום, כל אטום פחמן הוא בהכלאת sp³ ומחובר בצורה טטרהדרלית לארבעה אטומי פחמן שכנים באמצעות קשרים קוולנטיים בודדים. רשת קשרים מהודקים אלה מסבירה את החוזק החריג של היהלום ואת נקודת ההיתוך הגבוהה במיוחד שלו. יהלום הוא מוליך חשמלי גרוע, כיוון שאין בו אלקטרונים לא ממוקמים.בקוורץ, כל אטום סיליקון קשור לארבעה אטומי חמצן וכל אטום חמצן משותף בין זוג של אטומי סיליקון. הקשר הקוולנטי החזק בין סיליקון לחמצן מביא לחוזק ולנקודת ההתכה הגבוהה של קוורץ. גרפיט הוא מוצק רשת קוולנטי יוצא דופן כיוון שהוא רך ומוליך חשמל.כמו יהלום, גרפיט הוא אלוטרופ של פחמן, כלומר ששני החומרים מורכבים מאטומי פחמן במבנים תלת-ממדיים שונים. בגרפיט, אטומי פחמן מסודרים בשכבות של טבעות הקסגונליות הקשורות זו בזו. בתוך כל שכבה, כל אטום פחמן הוא הכלאת sp² ונקשר קוולנטית לשלושה אטומי פחמן שכנים.האלקטרונים הלא קשורים מפוזרים על פני כל השכבה, והופכים את הגרפיט למוליך חשמלי טוב. יחד עם זאת, שכבות אלה מוצמדות זו לזו על ידי כוחות פיזור חלשים. כתוצאה מכך, השכבות יכולות להחליק זו ליד זו, ולכן גרפיט הוא רך ומתקלף.זו הסיבה שגרפיט משמש בעפרונות:שכבות הפחמן מועברות בקלות לנייר.

11.19:

סריג אטומרי קוולנטי

Network covalent solids contain a three-dimensional network of covalently bonded atoms as found in the crystal structures of nonmetals like diamond, graphite, silicon, and some covalent compounds, such as silicon dioxide (sand) and silicon carbide (carborundum, the abrasive on sandpaper). Many minerals have networks of covalent bonds.

To break or to melt a covalent network solid, covalent bonds must be broken. Because covalent bonds are relatively strong, covalent network solids are typically characterized by hardness, strength, and high melting points. For example, diamond is one of the hardest substances known and melts above 3500 °C.

Diamond vs. Graphite

Carbon is an essential element; diamond and graphite are the two most common allotropes of carbon. Allotropes are different structural forms of the same element. Diamond is one of the hardest known substances, whereas graphite is soft enough to be used as a pencil lead. These very different properties stem from the different arrangements of the carbon atoms in the different allotropes.

Diamond is extremely hard because of the strong bonding between carbon atoms in all directions. Graphite is composed of planar sheets of covalent crystals that are held together in layers by noncovalent forces. Unlike typical covalent solids, graphite is very soft and electrically conductive. Graphite (in pencil lead) rubs off onto paper due to the weak attractions between the carbon layers.

Graphene: Material of the Future

A recently discovered form of carbon is graphene. Graphene was first isolated in 2004 by using tape to peel off thinner and thinner layers from graphite. It is essentially a single sheet (one atom thick) of graphite. Graphene is not only strong and lightweight, but it is also an excellent conductor of electricity and heat. These properties may prove very useful in a wide range of applications, such as vastly improved computer chips and circuits, better batteries and solar cells, and stronger and lighter structural materials. The 2010 Nobel Prize in Physics was awarded to Andre Geim and Konstantin Novoselov for their pioneering work with graphene.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section: 10.5 The Solid State of Matter.