Przeczytaj

bg‑azure

Czym są kryształy kowalencyjne?

To kryształy zbudowane z atomów, połączonych wiązaniem kowalencyjnym. Czasami nawet nazywa się je kryształami makromolekularnymimakromolekułymakromolekularnymi lub olbrzymimi kryształami molekularnymi. Atomy w krysztale molekularnym tworzą struktury trójwymiarowe. Do tworzenia wiązań wykorzystują elektrony, znajdujące się na ostatniej powłoce, tzw. elektrony walencyjneelektrony walencyjneelektrony walencyjne. Diament krystalizuje w układzie regularnym, jego struktura krystaliczna jest przedstawiona na rysunku w galerii poniżej.

R1gfpS8bJoxyL

Struktura krystaliczna diamentu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RT7FcnlrBKlhK

Na ilustracji znajduje się budowa kryształu diamentu. Zbudowany jest z czterech szarych kulek - atomów węgla, połączonych ze sobą wiązaniami. Długość wiązania pomiędzy atomami węgla wynosi 1,544 angstremy. — Model połączenia atomów węgla w krysztale diamentu. Kąt pomiędzy wiązaniami C‑C wynosi $109, 5 °$ , długość wiązania wynosi $1, 544 Å$ [czytaj: ˈãŋkstrɛ̃m]. Siła tych wiązań jest bardzo duża, stąd wynika wysoka twardość diamentu (trudno po prostu rozerwać te wiązania). Dlatego używany on jest do produkcji materiałów ściernych, wierteł dentystycznych.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W roku 2004 Andriej Gejm i Konstanstin Nowosiołow opublikowali pracę, opisującą metodę wytwarzania grafenu dwuwymiarowej odmiany alotropowejalotropiaalotropowej węgla. Miał być grubości jednego atomu węgla, a w strukturze przypominać grafitgrafitgrafit, z tym że pierścienie nie tworzyły wielu warstw. W przeciwieństwie do grafitu, grafen jest materiałem niezwykle wytrzymałym i lekkim. Pierwszą metodą wytwarzania grafenu było odrywanie cienkich warstw grafitu za pomocą taśmy klejącej. W 2014 roku Gejm i Nowosiołow otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki za badanie właściwości grafenu. W galerii poniżej przedstawiono laureatów oraz strukturę grafenu.

R56oAQnc5nhJw

Zdjęcie przedstawia mężczyznę w średnim wieku. Mężczyzna nosi okulary. Ma bujne, krótkie włosy. Jest ubrany w koszulę rozpięta u góry. Mężczyzna mówi w trakcie prezentacji. — Andriej Gejm
Źródło: Holger Motzkau, licencja: CC BY-SA 3.0.

R1DYGWkebtNtP

Zdjęcie przedstawia młodego mężczyznę. Ma pulchną twarz i krótko obcięte włosy. Ubrany jest w koszulę i marynarkę. — Konstanstin Nowosiołow
Źródło: Holger Motzkau, licencja: CC BY-SA 3.0.

RK770Tg41anQg

Na ilustracji jest model struktury grafenu. Model to płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Kształtem przypomina plaster miodu. — Model struktury grafenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Jakie związki tworzą kryształy kowalencyjne?

R1QuhvAonEb30

1. Azotek boru (BN) może odkrystalizować w dwóch odmianach: heksagonalnej i regularnej. Na rysunku przedstawiono fragment struktury krystalicznej heksagonalnego azotku boru (niebieskie kulki – atom azotu, butelkowe – atom boru), gdzie każdy atom boru połączony jest pojedynczym wiązaniem z trzema atomami azotu oraz każdy atom azotu połączony jest pojedynczym wiązaniem z trzema atomami boru, tworząc płaską strukturę przypominającą plaster miodu składający się z sześciokątów foremnych. Na rysunku przedstawiono dwie takie warstwy ułożone równolegle względem siebie. Opis. Fragment struktury krystalicznej heksagonalnego azotku boru (niebieskie kulki – atom azotu, butelkowe – atom boru). Tworzy on strukturę podobną do grafitu. Na rysunku przedstawiono fragment struktury krystalicznej regularnego azotku boru (niebieskie kulki – atom azotu, butelkowe – atom boru). Każdy atom azotu połączony jest pojedynczymi wiązaniami z czterema atomami boru, a atomy boru połączone są pojedynczymi wiązaniami z czterema atomami azotu, tworząc strukturę trójwymiarową. Opis. Fragment struktury krystalicznej regularnego azotku boru (niebieskie kulki – atom azotu, butelkowe – atom boru). Tworzy on strukturę podobną do diamentu. Jest drugim najtwardszym na Ziemi materiałem, zaraz po diamencie., 2. Fosforek glinu (AlP). Fragment struktury krystalicznej fosforku glinu (pomarańczowe kulki – atom fosforu, różowe – atom glinu). Każdy atom fosforu połączony jest wiązaniami pojedynczymi z czterema atomami glinu, a każdy atom glinu połączony jest z czterema atomami fosforu, tworząc strukturę przestrzenną. Opis. Fragment struktury krystalicznej fosforku glinu (pomarańczowe kulki – atom fosforu, różowe – atom glinu)., 3. Węglik krzemu (SiC). Fragment struktury krystalicznej węgliku krzemu (atomy węgla – szare, atomy krzemu – bordowe). Każdy atom krzemu połączony jest wiązaniami pojedynczymi z czterema atomami węgla, a każdy atom węgla połączony jest z czterema atomami krzemu, tworząc strukturę przestrzenną. Opis. Fragment struktury krystalicznej węgliku krzemu (atomy węgla – szare, atomy krzemu – bordowe). Wykazuje się dużą trwałością, jest używany jako materiał ścierny.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Jakie właściwości mają kryształy kowalencyjne?

Jak możesz zauważyć w powyższych przykładach, większość kryształów kowalencyjnych tworzą struktury regularne. Mogą się składać z jednego atomu, jak np. diament, mogą to być również kryształy związków, takich jak $AlC$ , $SiC$ czy $BN$ . Wspólną cechą tych kryształów jest ich budowa. Związki te mają budowę podobną do diamentu, tworzą niekończące się struktury, w których wszystkie indywidua powiązane są wiązaniami kowalencyjnymi (atomowymi). Z budowy sieci krystalicznej substancji wynika ich twardość.

Kryształy kowalencyjne charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia, nie przewodzą prądu, są twardymi materiałami. Sieci krystaliczne kryształów kowalencyjnych krystalizują w układzie regularnymregularny układukładzie regularnym bądź heksagonalnym. Rodzaje wiązań, jakie w nich występują, mają charakter kowalencyjny.

Słownik

angstrem

$Å$ , jednostka długości stosowana do wyrażania bardzo małych długości, np. długości fal świetlnych, rozmiarów atomów i cząsteczek; $1 Å = 0, 1 nm = 1 \cdot 10^{- 10} m$ ; nazwa angstrem od nazwiska szwedzkiego fizyka i astronoma A.J. Ångströma, który ją wprowadził w 1868 r.

niemetale

to substancje, które wykazują jedną z cech: albo nie są kowalne, albo są słabymi przewodnikami prądu. Do typowych niemetali należą: fluorowce, tlen, azot, siarka, fosfor oraz helowce

elektrony walencyjne

elektrony wartościowości, elektrony zapełniające w atomie danego pierwiastka tzw. orbitale walencyjne, tzn. orbitale o największej dla tego atomu wartości energii (w stanie podstawowym)

alotropia

(gr. állos „obcy”, „inny”, trópos „sposób”, „postać”) występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w dwóch lub więcej odmianach, znajdujących się w tym samym stanie skupienia. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą się różnić między sobą strukturą krystaliczną lub ilością atomów w cząsteczce

tetraedr

(gr. tetrakys „czterokrotnie”) czworościan foremny

regularny układ

układ krystalograficzny, w którym wszystkie boki komórki krystalicznej mają identyczną długość ( $a = b = c$ ) oraz wszystkie kąty są proste ( $α = β = γ = 90 °$ )

makromolekuły

(gr. makrós „bardzo duży, wielki”, łac. molecula „cząsteczka”) są to cząsteczki chemiczne złożone z kilku tysięcy atomów

grafit

odmiana alotropowa węgla, grafit jest kruchy oraz przewodzi prąd elektryczny

energia wiązania

(siła wiązania) energia potrzebna do rozerwania cząsteczki na pojedyncze atomy

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2007.

Borchardt‑Ott W., Crystallography an intoduction. Third Edition, Springer Heidelberg Dordrecht, London‑New York, 2011.

Braekken H., Zur Kristallstruktur des kubischen Karborunds, Zeitschrift fur Kristallographie 75, 1930.

Kukesh J. S., Pauling L., The problem of the graphite structure, American Mineralogist 35, 1950.

Van Meerssche M., Feneau‑Dupont J., Krystalografia i chemia strukturalna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1984.

Wyckoff R.W.G., Crystal Structures 1, Second Edition. Interscience Publishers, New York, 1963.

https://www.graphene-info.com/graphene-history-controversy-and-nobel-prize

https://materialsproject.org/materials/mp-1639/

https://materialsproject.org/materials/mp-1550/

Wprowadzenie

Model 3D

Czym są kryształy kowalencyjne?

Jakie związki tworzą kryształy kowalencyjne?

Jakie właściwości mają kryształy kowalencyjne?

Słownik

Bibliografia