鑽石和石墨都是碳的同素異形體

也就是由相同元素所形成

但結構卻不相同的物質

它們的性質也有很大的不同

例如鑽石是透明堅固的固體、不可導電

而石墨卻是黑色易剝落的固體

是電的良導體

可用來作為電解槽的電極

想一想

是什麼原因造成它們的性質有這麼大的差異呢？

我們在前面學過不同離子或原子

會形成不同的化學鍵

例如離子鍵或非金屬原子間所形成的共價鍵

以四氯化碳為例

碳原子和氯原子間可共用一對電子形成單鍵

中心的碳可和四個氯原子形成共價鍵

此時5個原子皆滿足八隅體

形成穩定的分子

但如果是全部皆為碳原子所形成的共價鍵結

那分子的結構又會有什麼不同呢？

我們可以發現

當中心的碳原子改由和另外四個碳原子形成共價鍵時

此時只有中心的碳原子滿足八隅體規則

但其餘的碳原子皆尚缺少價電子

為了讓外圍的碳原子也滿足八隅體

則需要繼續往外延伸

最終形成共價網狀固體

當原子間藉由無限延伸的共價鍵

形成巨大的網狀結構

這些物質即為共價網狀固體

不管是鑽石或是石墨

都屬於「共價網狀固體」

而當以一個碳原子為中心點

並與4個碳原子形成4個共價單鍵

此時的分子形狀並不是平面

而是正四面體

而位於正四面體頂點上的4個碳原子

又可以再向外延伸與更多的碳原子形成共價鍵

最後形成了巨大的晶體結構

這個結構即是鑽石

與碳原子同族的矽原子

也因為有相同的價電子數

所以矽晶體、碳化矽的結構皆與鑽石相似

原子間以共用1對電子對形成共價單鍵

不同的是在碳化矽晶體中

與每個碳原子鍵結的為4個矽原子

而與每個矽原子鍵結的則為4個碳原子

石墨也是共價網狀固體

其晶體結構如圖所示

請同學找找看

以一個碳原子為中心

與其鍵結的碳原子數為何？

碳碳鍵的鍵級又為何呢？

沒錯

我們可以看到中心的碳原子

我們可以看到中心的碳原子

是用4個共價鍵與鄰近的3個碳原子形成鍵結

因為共振的緣故

所以平均的鍵級是1又3分之1

看起來像是無限延伸的六角蜂巢形狀

石墨晶體即是由多層這樣的結構所組成

而只含有一層結構的晶體

我們則稱為石墨烯

知道共價網狀的結構後

接著來想想看

共價網狀固體的化學式該如何表示呢？

前2節課所學到的共價小分子

例如二氧化碳分子的分子式如畫面

表示此分子是由1個碳原子和2個氧原子所組成的

但因為共價網狀固體為無限延伸的晶體結構

無法完整的寫出晶體中所含原子的個數

所以只用元素符號表示

例如皆由相同原子所組成的鑽石、石墨、石墨烯

我們化學式都寫作C

而由1：1的碳原子和矽原子所組成的碳化矽晶體

其化學式如畫面所示

這種只表示出組成原子最簡整數比的化學式

又稱為簡式

或實驗式

接著我們來看看另一個共價網狀晶體二氧化矽

二氧化矽是由矽原子和氧原子所形成的無限延伸結構

二氧化矽結構式如圖所示

有6個價電子的氧

位於矽和矽的中間

並和2個矽原子形成共價鍵結

另外還帶有2對未共用電子對

而維持網狀固體的結構

為了寫出正確的化學式

我們需要先找出晶體結構中

所含原子個數的最簡整數比

雖然1個矽原子的周圍有4個鍵結的氧原子

但每個氧原子卻是被2個矽原子所共用

所以晶體結構中

矽原子和氧原子的個數比為

1：等於1：2

寫作畫面的化學式

你答對了嗎？

那共價網狀固體和共價小分子有什麼不同呢？

在共價小分子中

共用的價電子存在於提供價電子的原子間

分子間只存在微弱的作用力

而共價網狀固體因為有著無限延伸的晶體結構中

所有的原子間皆是共價鍵

所以當我們將這兩種物質進行加熱

欲使其熔化時

前者要破壞共價小分子間的作用力

而後者卻要打斷無數多個共價鍵

一般而言

分子間的作用力大約小於5千焦每莫耳

共價鍵的鍵能則在150~400千焦每莫耳左右

所以同學們可以想一想

何者的熔點會比較高呢？

沒有錯

因為要打斷多個共價鍵所需的能量比較多

故共價網狀固體皆有較高的熔點和沸點

例如前面所說到的鑽石為3815度C

石墨為3850度C

碳化矽為2730度C

矽晶體的熔點雖然為四者中最低的

但仍高達1414度C

多數共價網狀固體硬度也很高

但石墨因為層與層間只有分子間作用力

所以硬度不高

以石墨寫字時

石墨會層層剝落

形成字跡

另外由於在共價小分子中

並沒有可以自由移動的價電子

所以無論是在固體或液體的狀態下皆無法導電

那共價網狀固體是否可能導電呢？

這個問題我們可以從共價網狀固體的結構來判斷

請同學們想一想

這些物質裡面是否有可以自由移動的電子呢？

是的

鑽石和二氧化矽結構中的共用價電子並無法再自由移動

所以並無法導電

但在石墨和石墨烯的結構中

因具有共振結構式

共振的電子可以自由的移動

所以石墨和石墨烯都具有導電性

但這邊同學們要注意石墨共振的電子是在同一層中自由移動

如果要跳到其他層的話

則需要很大的能量

綜合我們學過的內容

A物質有較低的熔點和沸點

且三態都不可導電

應該是由非金屬原子所組成的共價小分子

B、C物質具有較高的熔點和沸點

且皆由非金屬原子所組成

雖然導電度不同

但應該皆為共價網狀固體

D物質為由金屬和非金屬所組成的物質

應為離子化合物

且固體不導電

液體可導電的性質

也與離子化合物相符

最後的E選項

可以從組成原子中知道

應該為金屬晶體

所以答案為BC

你答對了嗎？

最後我們來複習這一集的內容

我們今天學到了共價網狀固體

這是一種由共價鍵組成

無限延伸的晶體結構

例如鑽石、石墨、矽晶體、二氧化矽和碳化矽等

皆為共價網狀固體

也認識了這些晶體結構的形狀和化學式

根據其鍵結的方式

如果我們想要將共價網狀固體熔化

需要打斷能量較強的共價鍵

所以具有較高的熔點和沸點

另外如果共價網狀固體的結構中

含有可自由移動的價電子

則可以導電

否則就不能導電

例如石墨和石墨烯因為存在共振結構

所以可以導電

但其他大部分的共價網狀固體則無法導電

我們在這一節課學到了由碳和矽組成的共價網狀固體

它們皆是由許多正四面體所組成的

另外相似的還有二氧化矽的結構和形狀

那常見碳的氧化物「二氧化碳」

和二氧化矽的結構是否相同？

為什麼呢？

如果你已經有答案了

歡迎在影片留言區告訴我們喔

我們下次見