你看過鑽石嗎？

因為數量稀少、璀璨透亮，

在市場上具有相當高的價值，

某些國家甚至會因為鑽石的開採權而引發戰爭。

但你知道這麼貴重的鑽石，

成份竟然和每天用來寫字

的石墨鉛筆來自同一個元素──碳嗎？

你或許會想：

明明鑽石與石墨鉛筆的外觀、硬度都完全不一樣，

怎麼可能都是由碳原子組成的呢？

事實上，

這種「同樣元素組成不同物質」的概念，

我們要從「共價鍵」的概念開始講起。

在非金屬物質中，

有時候物質為了使原子內部的結構穩定，

會想要取走鄰近原子最外層的「價電子」，

但因為兩個非金屬原子的活性差不多、

無法輕易的取走挪為己用，

最後這兩個非金屬的原子

一起共用兩原子最外層的價電子，

而共用價電子對這兩個原子核產生吸引力，

這個現象我們就稱為共價鍵，

而共價鍵所組成的、共用價電子的一個、一個小分子，

我們稱為分子物質。

這些共價鍵還是具有連接能力的。

也就是除了連接、共用單一原子的價電子之外，

還可以連接100個、1000個、

千千萬萬個原子的價電子；

這種由大量原子以共價鍵延伸、結合的物質，

我們就稱為共價網狀固體。

共價網狀固體是一個可以無限延伸的連續性結構，

我們沒辦法屬清它到底是由幾個共價鍵所組成的，

因為實在是太多了！

也正是因為有著無數的連結結構，

所以共價網狀固體的連接力很強，

如果想要使它的化學鍵斷開則需要有很大的能量；

你可以把共價網狀固體和單一共價鍵

想像成由麻繩編織成的整片漁網

和一小段麻繩的差距。

而以整體的分子物質來說，

共價網狀固體的熔點和沸點都較高、

硬度也很大。

生活中常見的共價網狀固體有石墨、金剛石、矽與石英等。

其中，

石墨和金剛石都是由碳原子組成的，

只是碳原子與碳原子之間的鍵結方式不同，

就成了兩種不同結構的物質，

有著截然不同的硬度與導電性。

而這種由相同元素組成相異結構的物質，

我們稱為同素異形體。

我們一一介紹常見共價網狀固體。

石墨是質地較為柔軟的結晶固體，

鉛筆筆芯和潤滑劑是由它製成的。

石墨具有一層一層的平面結構，

在每一層中，

每一個碳原子都與同一平面中的另外三個碳原子相連接，

構成無數個六邊形的蜂巢式平面網狀結構。

不過，

在石墨中的層與層之間並沒有共價鍵連結，

反而只有微弱的吸引力，

因此石墨的層與層之間在受到外力作用時

非常容易滑動甚至會斷裂。

而石墨是非金屬中難得具有導電性的物質。

導電的原因是因為碳原子連接3個原子後，

多出來的價電子在石墨通電時，

會在層狀結構中移動，

達到導電的效果。

接著介紹金剛石。

金剛石其實就是鑽石。

在金剛石的晶體中，

所有碳原子都以共價單鍵的方式

和相鄰的四個碳原子連結在一起，

形成四面體形狀的立體結構，

而這些四面體又會再連結成三度空間的網狀結構。

由於全部的碳原子都以共價鍵連結，

所以金剛石的硬度非常大，

可以做為工業上的切割工具，

也因為沒有多餘的價電子在晶體中移動，

因此金剛石無法導電。

此外，

金剛石也具有良好的導熱性。

再來是矽，

矽在自然界中通常以二氧化矽的形式存在。

在高溫的爐中，

可以用碳還原二氧化矽得到矽。

矽是製造太陽能板、半導體的重要材料。

它的晶體結構與金剛石非常類似，

每個矽與鄰近的四個矽以共價鍵連結後，

形成四面體，

無數個四面體又會形成三度空間的網狀結構。

最後是石英，

它能夠耐高溫，

可以做為耐熱板的主要材料。

它是矽最常見的化合物之一，

在石英的晶體中，

每個矽原子與鄰近的四個氧原子以共價鍵結合，

每個氧原子則與鄰近的兩個矽原子以共價鍵結合，

矽與氧原子的數量呈現1：2，

以SiO₂表示。

最後，我們來統整今天的所學。

非金屬原子之間會發生大量原子以共價鍵延伸

而形成網狀構造組成的共價網狀固體，

依不同的種類各有不同的鍵結結構。

常見的共價網狀固體有石墨、金剛石、矽、石英，

它們有結構連續、堅硬、

電與熱的不良導體、熔點與沸點極高等特性。

想一想，

如果有方法能夠改變石墨的碳原子排列方式，

是不是就能將低價的石墨變成閃閃發亮的鑽石呢？

這項技術是可行的嗎？