Back to chapter

11.19:

Netwerk van Covalente Vaste Stoffen

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

Netwerk covalente vaste stoffen zijn kristallijne vaste stoffen die bestaan uit een enorm driedimensionaal netwerk van individuele atomen die bij elkaar gehouden worden door sterke covalente bindingen. Voorbeelden van covalente vaste stoffen in een netwerk zijn diamant, dat een continu netwerk van koolstofatomen heeft, en kwarts, dat een continu netwerk van silicium-en zuurstofatomen heeft. De extreem sterke covalente krachten tussen de atomen maken deze vaste stoffen hard met zeer hoge smeltpunten.Bij diamant bijvoorbeeld is elk koolstofatoom sp³ gehybridiseerd en tetraëdrisch verbonden met vier naburige koolstofatomen via enkelvoudige covalente bindingen. Dit sterk onderling verbonden netwerk verklaart de ongebruikelijke hardheid van diamant en zijn zeer hoge smeltpunt. Diamant is een slechte elektrische geleider, omdat er geen gedelokaliseerde elektronen zijn.In kwarts is elk siliciumatoom gebonden aan vier zuurstofatomen en wordt elk zuurstofatoom gedeeld door een paar siliciumatomen. De sterke covalente binding tussen silicium en zuurstof resulteert in de hardheid en het hoge smeltpunt van kwarts. Grafiet is een ongebruikelijke covalente vaste stof omdat het zacht is en elektriciteit geleidt.Net als diamant is grafiet een allotroop van koolstof, wat betekent dat de twee materialen zijn samengesteld uit koolstofatomen in verschillende driedimensionale rangschikkingen. In grafiet zijn koolstofatomen gerangschikt in lagen van onderling verbonden hexagonale ringen. Binnen elke laag is elk koolstofatoom sp²-gehybridiseerd en covalent gebonden aan drie aangrenzende koolstofatomen.De niet-bindende elektronen worden over de hele laag gedelokaliseerd, waardoor grafiet een goede elektrische geleider is. Deze lagen worden echter alleen bij elkaar gehouden door zwakke dispersiekrachten. Hierdoor kunnen de lagen langs elkaar glijden, waardoor grafiet zacht en schilferig wordt.Daarom wordt grafiet gebruikt in potloden:de koolstoflagen worden gemakkelijk overgebracht op het papier.

11.19:

Netwerk van Covalente Vaste Stoffen

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.