基礎化學(二)-2-4共價網狀固體=te

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2-4 共價網狀固體-1-

2-4 共價網狀固體 班級: 座號: 姓名:

一、定義:由許多原子彼此間以共價鍵結合,形成二維或三維空間無限延伸的連續性網狀結構。 二、共價網狀固體的特性: (一) 此類物質沒有確定的分子量,無法類似分子物質以分子式表示,故以實驗式表示其化學式。 (二) 熔、沸點高:因共價網狀固體原子間皆以共價鍵連結,欲破壞其結構必須打斷無數個共價 鍵,故熔、沸點高。 (三) 導電性差:除石墨可導電外,其餘大多皆不具導電性。 (四) 分類: 共價網狀元素 金剛石(C)、石墨(C)、矽(Si)、 共價網狀化合物 石英(SiO2)、碳化矽(SiC)、氮化硼(BN) 三、鑽石、石墨 (一) 均為碳的同素異形體。 (二) 鑽石、石墨的比較: 物 質 鑽石(C) 石墨(C) 結 構 三維立體網狀 二維平面網狀 ※ 單層石墨稱為石墨烯 形 狀 正四面體 平面六角形,有共振結構 鍵 級 1 11 3 鍵 長 154 pm 142 pm 鍵 角 109.5 120 比 重 3.5 2.3 特 性 1. 結構:每個碳原子與 4 個相鄰的碳原 子以單鍵結合成正四面體結構,並延 伸成立體網狀結構的固體。 2. 無色透明、折射率大的物質 3. 導熱性極佳:因金鋼石構造緊密而規 則,可藉由 C 原子的振動而導熱,其 導熱性佳。 4. 導電性差:因共用的價電子對無法自 由移動,故導電性差。 5. 具高熔點,硬度大:原子的堆積對稱 且緊密,且共價鍵多,欲破壞其結構 必頇打斷無數個共價鍵。 (1) 金剛石熔點高達 3550℃。 (2) 金剛石是目前已知最堅硬的天然 物質,常作為研磨或鑽頭的材料。 1. 結構:石墨是由共邊的六圓環互相聯 結形成的平面網狀。 2. 石墨呈灰黑色。 3. 石墨具導電性,可作電極使用:同一 層結構中,碳原子的部分價電子並未 被侷限於兩個碳原子之間 (未定域 化),故可在層狀結構中移動。 (1)沿碳原子平面方向,石墨是良好的 導體。 (2)在垂直平面方向,石墨為絕緣體 4. 硬度小、質軟,可作潤滑劑:石墨的 層與層之間無共價鍵,僅以微弱引力 (凡得瓦力)相結合,因此石墨與其 他物質接觸時很容易滑動。 5. 熔點高:約為 3652℃。 用 途 飾品、切割器 潤滑劑、電極、鉛筆芯、碳纖維 ※ (1) 在 1200 °C、50000 atm 下,石墨可轉變成人造鑽石。 (2) 碳黑(墨水原料)、活性碳、焦炭(煤焦)等為石墨的非晶形體。

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2-4 共價網狀固體-2- 參考資料: 1. 其它碳的同素異形體: C60(巴克球、佛氏球、富勒烯、球烯) 奈米碳管 C 結 構 中空球狀的分子(12 個五角環、20 個六角環) 兩端為半個 C長條中空圓柱狀 60,中間為捲曲的石墨 ※ 石墨、奈米碳管可視為由石墨烯組成的物質。 2. 金剛石具有極佳的導熱性質。 (1) 近年來科學家致力於研發鑽石薄膜,希望能運用於積體電路中,一方面可當絕緣體,另一方 面又可當散熱片。 (2) 古代商旅在進行鑽石交易時,一個區別真鑽石與玻璃假鑽的簡易方法是將兩者分別放在舌頭 上,如果感覺涼涼的較可能為鑽石,即是利用鑽石的極佳導熱性質。 【範例 1】 鑽石與石墨的比較 下列關於鑽石與石墨的敘述,何者正確? (A)均為三度空間網狀固體 (B)硬度:鑽石>石墨 (C)鍵長:鑽石>石墨 (D)導電性:石墨>鑽石 (E)兩者均由共價鍵結合而成。 答 (B)(C)(D)(E) 解 (A) 石墨為平面網狀結構。 (C) 鑽石鍵級為單鍵,石墨為 11 3 鍵,鍵級小者,其鍵長較長。 [類題 1] 下列有關碳的同素異形體之敘述,何者正確﹖ (A)石墨有共振結構 (B) C60(碳六十)為實驗式 (C) C、C 鍵能:鑽石>乙烯 (D)在鑽石的結構中,每個 C 原子連結 3 個 C 原子 (E)石墨具有未定域電子,因此可以導電。 答 (A)(E) (B)為分子式。(C)鑽石(單鍵)<乙烯(雙鍵)。(D)每個 C 原子連結 4 個 C 原子。 四、矽晶與石英 (一) 矽晶: 1. 結構:矽晶體中的結構與金剛石相似,每個 Si 與鄰近的 4 個 Si 原子以共價 鍵的方式結合成正四面體結構,鍵角為 109.5°。 2. 用途:矽晶是純矽(Si)的結晶,也屬於網狀晶體,為半導體元素,是電子工 業的基本材料。 註:於純矽中摻雜 3A 族元素(如硼)可形成 p 型半導體;摻雜 5A 族元素(如磷) 則可形成 n 型半導體。 3. 矽與金剛石硬度比較:矽晶體雖然與鑽石具有相同的結構,但是由於矽原子間的距離較碳 原子間的距離大,使共價鍵的強度變弱,因此矽晶體的硬度低於 鑽石。 (二) 石英: 1. 結構:每一個 Si 原子與鄰近的 4 個 O 原子以共價鍵方式結合,而每個 O 原子也與鄰近的 2 個 Si 原子以共價鍵結合,形成三度空間的 網狀固體,其立體結構與金剛石相似。 2. 化學式:在石英中,Si 與 O 原子的數目比為 1:2,其簡式為 SiO2。 3. 性質:具有硬度大、耐高溫、耐震和電絕緣的性能。 4. 石英與金剛石硬度比較:Si-O 鍵較 C-C 鍵長,故 Si-O 鍵的鍵能 較 C-C 鍵的鍵能小,因此 SiO2 的硬度小於金剛石。 5. 用途:無色透明晶體稱水晶,石英玻璃熔點較一般玻璃高,石英也可作為光纖材料。

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2-4 共價網狀固體-3- 【範例 2】 其它網狀固體 回答下列有關石英的問題: (1) 石英成分的化學式為何? (2) 在石英結構中,每 1 個氧原子與多少個矽原子鍵結?每 1 個矽原子與多少個氧原子鍵結? 答 (1) SiO2 (2) 2,4 解 由下圖可知,石英的化學式為 SiO2。 Si:1 O=4×1 2=2 [類題 2-1] 下列哪些物質具有相似的立體結構? (A)石英 (B)氯化鈉 (C)石墨 (D)鑽石 (E)矽晶。 答 (A)(D)(E) (A)(D)(E) 石英、鑽石及矽晶三者均由許多小的四面體架構延伸成三度空間網狀結構。 [類題 2-2] 下列何者為分子式?

(A) SiO2 (B) Si (C) C(石墨) (D) (NH4)2SO4 (E) C60。

答 (E) (A)(B)(C)網狀固體,為實驗式。(D)離子化合物,為實驗式。 五、分子物質與共價網狀固體的比較 種 類 分子物質 共價網狀固體 構成單位 分子 原子 結合力 分子內:共價鍵 分子間:分子間作用力 共價鍵 化學式 分子式 實驗式 特 性 1. 熔、沸點低 2. 硬度小 3. 無延性與展性 4. 本身不導電 5. 少數為電解質,酸及鹼的水溶液可導電 1. 熔、沸點極高(比一般金屬高) 2. 硬度大 3. 無延性與展性 4. 石墨可導電 5. 均為非電解質 【範例 3】 共價物質的特性 下列有關由共價鍵結合的物質之敘述,何者正確? (A)均為非電解質 (B)均不能導電 (C)均無延性與展性 (D)熔點均很低 (E)均能寫出分子式。 答 (C) 解 (A)酸及氨為電解質,其水溶液可導電。(B)石墨可導電。(D)網狀固體的熔點很高。(E)網狀固 體的化學式為實驗式。 [類題 3] 下列哪一個物質的熔點最高?

(A) P4 (B) H2SO4 (C) CCl4 (D) SiO2 (E) CO2。

答 (D)

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