جامدات کووالانسی

1. ویژگی‌های عمومی جامدات کووالانسی

  1. نقطه ذوب و جوش بسیار بالا: به دلیل نیاز به تامین انرژی فراوان برای غلبه بر پیوندهای کووالانسی قوی در سراسر شبکه بلور.

  2.سختی و مقاومت مکانیکی بالا: آرایش هندسی منظم و پیوندهای جهت‌دار محکم، تغییر شکل شبکه را بدون شکستن پیوندها غیرممکن می‌سازد.

  3.نارسایی الکتریکی (غالباً): عدم وجود الکترون آزاد یا یون متحرک در شبکه؛ الکترون‌های ظرفیت در پیوندهای کووالانسی جفت شده‌اند (استثنا: گرافیت و گرافن).

  4.انحلال‌ناپذیری کامل: در هیچ حلال قطبی یا ناقطبی حل نمی‌شوند، زیرا جاذبه حلال-ذره توانایی شکستن پیوندهای کووالانسی شبکه را ندارد.

۲. جامدات کووالانسی خانواده کربن

کربن به دلیل داشتن ۴ الکترون ظرفیت و اندازه اتمی کوچک، توانایی بی‌نظیری در تشکیل دگرشکل‌های (آلوتروپ‌های) کووالانسی با ویژگی‌های کاملاً متفاوت دارد.

۱-۲. الماس 

•  ساختار و آرایش اتمی: 

  •     هر اتم کربن به ۴ اتم کربن دیگر با پیوندهای یگانه کووالانسی در آرایش چهاروجهی منظم متصل است.

  •     ساختار شبکه: سه‌بعدی بی‌نهایت.

•  خواص فیزیکی: 

  •     سختی: سخت‌ترین ماده طبیعی شناخته‌شده .

  •     رسانایی الکتریکی: عایق کامل (تمام الکترون‌های ظرفیت در پیوندهای یگانه محبوس هستند).

  •     رسانایی گرمایی: بسیار بالا (حتی بالاتر از مس) .

  •     شفافیت: شفاف در برابر نور مرئی

۲-۲. گرافیت 

•  ساختار و آرایش اتمی: 

  •     ساختار لایه‌ای (دوبعدی)؛ هر اتم کربن در یک لایه به ۳ اتم کربن دیگر متصل بوده و حلقه‌های شش‌گوشه (شش‌ضلعی) منظم تشکیل می‌دهد.

  •     چهارمین الکترون ظرفیت هر کربن در یک خانه زیرلایه  p خالص باقی می‌ماند و یک سیستم غیرمستقر       روی لایه‌ها ایجاد می‌کند.

  •     نیروی بین لایه‌ها: نیروهای بین‌مولکولی ضعیف وان‌دروالسی (لندن).

•  خواص فیزیکی: 

  •     سختی:  به صورت کلی نرم و لغزنده (به دلیل سهولت لغزش لایه‌ها روی یکدیگر)؛ استفاده به عنوان روان‌کننده و مغز مداد.

  •     رسانایی الکتریکی: رسانای جریان برق (به دلیل تحرک الکترون‌های نامستقر) 

  •     رنگ: خاکستری تیره با جلای فلزی.

۳-۲. گرافن 

•  ساختار و آرایش اتمی: 

  •     یک لایه تک‌اتمی از گرافیت (ضخامت به اندازه یک اتم کربن).

  •     آرایش لانه زنبوری دوبعدی 

•  خواص فیزیکی و ویژه: 

  •     مقاومت مکانیکی: بیش از ۲۰۰ برابر محکم‌تر از فولاد (در مقیاس هم‌ضخامت).

  •     رسانایی الکتریکی: فوق‌العاده بالا (سرعت حرکت الکترون‌ها در آن نزدیک به سرعت نور است).

  •     انعطاف‌پذیری و شفافیت: کاملاً شفاف و در عین حال انعطاف‌پذیر.

۳. جامدات کووالانسی خانواده سیلیسیم

سیلیسیم در گروه ۱۴ جدول تناوبی زیر کربن قرار دارد، اما به دلیل شعاع اتمی بزرگتر، توانایی تشکیل پیوندهای دوگانه محکم را ندارد؛ از این رو رفتارهای کاملاً متفاوتی در تشکیل ساختارها نشان می‌دهد.

۱-۳. سیلیسیم خالص (\(Si\))

•  ساختار: شبکه‌ای غول‌آسا دقیقاً مشابه الماس (آرایش چهاروجهی با پیوندهای یگانه\(Si-Si\)).

•  خواص: 

  •     نیمه‌رسانا: در دمای اتاق رسانایی ضعیفی دارد اما با افزایش دما یا افزودن ناخالصی (دوپینگ) رسانایی آن افزایش می‌یابد.

  •     نقطه ذوب بالا (\(1414^{\circ }C\))، اما کمتر از الماس به دلیل طول پیوند بلندتر و پیوند ضعیف‌تر  \(Si-Si\)نسبت به\(C-C\).

۲-۳. سیلیس یا سیلیسیم دی‌اکسید \(SiO_{2}\)

•  نکته بسیار مهم: فرمول \(SiO_{2}\) یک فرمول تجربی (ساده‌ترین نسبت) است و نشان‌دهنده مولکول مجزا نیست!

•  ساختار: 

  •     ساختار غول‌آسا و سه‌بعدی.

  •     هر اتم سیلیسیم (\(Si\)) به ۴ اتم اکسیژن (\(O\)) در رأس‌های یک چهاروجهی متصل است.

  •     هر اتم اکسیژن (\(O\)) به ۲ اتم سیلیسیم (\(Si\)) متصل است و نقش پل میان دو چهاروجهی را ایفا می‌کند.

•  شکل‌ها: کوارتز (بلورین)، ماسه، و شیشه (جامد بی‌شکل/بی‌نظم).در حالت خالص در کانی کوآرتز و در حالت ناخالص در ماسه و شن وجود دارد.

   خواص: نقطه ذوب بسیار بالا \(1710^{\circ }C\))، سخت، عایق کامل جریان برق.

۳-۳. سیلیسیم کاربید (\(SiC\))

•  ساختار: 

  •     شبکه سه‌بعدی متناوب از اتم‌های کربن و سیلیسیم.

  •     هر اتم \(Si\)توسط ۴ اتم \(C\)و هر اتم  \(C\)توسط ۴ اتم \(Si\)به صورت چهاروجهی احاطه شده است.

•  خواص: 

  •     سختی فوق‌العاده بالا (نزدیک به الماس)؛ به عنوان سمباده و ابزار برش استفاده می‌شود.

  •     پایداری حرارتی و شیمیایی بسیار بالا (نقطه ذوب حدود \(2730^{\circ }C\)).