Jak zbudowane są kryształy kowalencyjne?

bg‑gold

Czym są kryształy kowalencyjne?

Kryształy kowalencyjne zbudowane są z atomów niemetali, połączonych ze sobą wiązaniem kowalencyjnym, których różnica elektroujemności jest mniejsza od $1,7$ wg skali Paulingaskala Paulingaskali Paulinga. Czasami nawet nazywa się je kryształami makromolekularnymi lub olbrzymimi kryształami molekularnymi. Atomy w takim krysztale tworzą struktury trójwymiarowe, a do tworzenia wiązań wykorzystują elektrony, znajdujące się na ostatniej powłoce, tzw. elektrony walencyjne.

Diament - najtwardszy z minerałów występujących naturalnie na Ziemi

Diament, to odmiana alotropowa węgla, w której atomy połączone są za pomocą wiązań kowalencyjnych, tworząc kryształ kowalencyjny. Każdy z atomów węgla jest powiązany z czterema innymi atomami węgla, które tworzą zwartą strukturę.

R1ZCHJKzLx905

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

Diament jest najtwardszym minerałem, występującym naturalnie na Ziemi. Jego twardość wynosi $10$ w skali Mohsaskala mohsaskali Mohsa. Nie przewodzi prądu elektrycznego, ponieważ wszystkie elektrony walencyjne są „uwspólniane” przez wiązania węgiel‑węgiel. Krystalizuje w układzie regularnym.

R1gfpS8bJoxyL

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‑gold

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.

Polecenie 1

Zapoznaj się z modelami 3D kryształów kowalencyjnych, a następnie rozwiąż zadania.

Pokaż instrukcjegraywhite

R17H7DACewtBA

Model 3D
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

ROlkOQOnGgMYt

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

Polecenie 1

R1dmNzHqAUhdQ

bg‑gold

Jakie właściwości mają kryształy kowalencyjne?

Jak możesz zauważyć w powyższych przykładach, większość kryształów kowalencyjnych to struktury w układzie regularnymregularny układukładzie regularnym bądź heksagonalnym. Rodzaje wiązań, jakie w nich występują, mają charakter kowalencyjny. Mogą się składać z atomów jednego pierwiastka, jak np. węgla w strukturze diamentu, 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 także wysoką temperaturą topnienia, nie przewodzą prądu elektrycznego.

RW5QTqwssbyzL

Ćwiczenie 1

RN6Ous6gQtbd6

Ćwiczenie 2

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

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

skala Paulinga

umowna skala elektroujemności pierwiastków opracowana przez L.C. Paulinga w $1932$ r.

skala Mohsa

jest to dziesięciostopniowa skala określająca względną twardość minerałów. Została stworzona przez Friedricha Mohsa w $1812$ roku

R8aKy1SBXkhkU1

Diagram przedstawia skalę twardości Mohsa od 1 do 10 i minerały wzorcowe dla danego stopnia twardości. Stopnie twardości wraz z nazwami minerałów: stopień twardości 1 - talk, stopień twardości 2 - gips, stopień twardości 3 - kalcyt, stopień twardości 4 - fluoryt, stopień twardości 5 - apatyt, stopień twardości 6 - ortoklaz, stopień twardości 7 - kwarc, stopień twardości 8 - topaz, stopień twardości 9 - korund, stopień twardości 10 - diament. — Skala twardości Mohsa.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

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

grafit

odmiana alotropowa węgla, grafit jest kruchy oraz przewodzi prąd elektryczny

regularny układ

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

Alotropowe odmiany węgla

Z jakich elementów składają się kryształy jonowe i jonowo‑kowalencyjne?

Czym są kryształy kowalencyjne?

Diament - najtwardszy z minerałów występujących naturalnie na Ziemi

Jakie związki tworzą kryształy kowalencyjne?

Jakie właściwości mają kryształy kowalencyjne?

Notatnik