جامد کووالانسی: ساختمان شبکهای سرسخت و شگفتانگیز اتمها
پیوند کووالانسی: ستونفقرات سازنده
قبل از پرداختن به جامد، باید واحد سازنده آن را بشناسیم: پیوند کووالانسی2. این پیوند زمانی تشکیل میشود که دو اتم غیرفلزی برای رسیدن به آرایش الکترونی پایدار، یک یا چند جفت الکترون را به طور مشترک استفاده میکنند. این اشتراکگذاری، یک نیروی جاذبه قوی بین هستههای مثبت اتمها و الکترونهای منفی مشترک ایجاد میکند که آنها را محکم به هم میچسباند. حالا تصور کنید این اتصال، نه فقط بین دو اتم، بلکه بین میلیاردها اتم در همه جهات تکرار شود.
شبکه کووالانسی: از پیوند محلی تا ساختار سراسری
ویژگی تعیینکننده جامد کووالانسی، تشکیل یک شبکه اتمی گسترده است. در این حالت، هر اتم با چند اتم همسایه دیگر (معمولاً 3 یا 4 تا) پیوند کووالانسی برقرار میکند. این پیوندها در فضا در دو بعد (مثل یک صفحه) یا در سه بعد (مثل یک مکعب) گسترش مییابند و در نهایت کل بلور را به عنوان یک مولکول غولپیکر در میآورند. به همین دلیل به آنها "جامدهای شبکهای"3 نیز گفته میشود.
| ویژگی | جامد کووالانسی | جامد یونی | جامد فلزی |
|---|---|---|---|
| نوع پیوند | کووالانسی | یونی | فلزی |
| ذرات سازنده | اتمهای غیرفلزی | یونهای مثبت و منفی | کاتیونهای فلزی و دریای الکترون |
| سختی | بسیار سخت (مانند الماس) تا نرم (گرافیت) | سخت اما شکننده | نرم تا سخت، چکشخوار |
| نقطه ذوب | بسیار بالا (> 1000°C) | بالا | متغیر (جیوه: پایین، تنگستن: بسیار بالا) |
| رسانایی الکتریکی | عایق (غالباً) | عایق (در حالت جامد) | رسانای عالی |
| نمونه | الماس، سیلیسیم، کوارتز | نمک خوراکی (NaCl) | مس، آهن، طلا |
الماس و گرافیت: دوقلوهای با شخصیت متفاوت
شگفتانگیزترین مثال برای درک جامدهای کووالانسی، کربن است. اتم کربن میتواند با ایجاد پیوندهای کووالانسی، دو ساختار شبکهای کاملاً متفاوت و با خواص متضاد ایجاد کند: الماس و گرافیت.
الماس: هر اتم کربن در الماس با چهار اتم کربن دیگر پیوند مستحکم برقرار میکند و یک شبکه سهبعدی فوقالعاده قوی ایجاد میشود. برای شکستن این شبکه باید پیوندهای کووالانسی متعدد شکسته شوند، به همین دلیل الماس سختترین ماده طبیعی شناخته شده و نقطه ذوب بسیار بالایی دارد (بیش از 3500°C). همه الکترونها در پیوندها قفل شدهاند، پس الماس رسانای برق نیست.
گرافیت: در گرافیت، هر اتم کربن فقط با سه اتم دیگر پیوند قوی تشکیل میدهد و یک شبکه لایهای دوبعدی از ششضلعیها ایجاد میکند. بین این لایهها، پیوند ضعیف واندروالسی4 برقرار است. بنابراین لایهها به راحتی روی هم میلغزند (گرافیت نرم و روانکار است). همچنین، یک الکترون آزاد در هر اتم باقی میماند که در سطح لایهها حرکت میکند و به گرافیت خاصیت رسانایی الکتریکی میدهد. پس از یک جنس، دو ساختار شبکهای متفاوت، دو ماده با خواص کاملاً متفاوت!
کوارتز: شنهای سخت و شفاف
یکی دیگر از نمونههای بسیار رایج در طبیعت، سیلیس یا دیاکسید سیلیسیم $(SiO_2)$ است که به شکل کوارتز یافت میشود. در این شبکه، هر اتم سیلیسیم (Si) در مرکز یک چهاروجهی قرار دارد و با چهار اتم اکسیژن (O) پیوند کووالانسی برقرار میکند. هر اتم اکسیژن نیز بین دو اتم سیلیسیم پل میزند. به این ترتیب، یک شبکه سهبعدی پیوسته و بسیار منظم تشکیل میشود. ماسه معمولی عمدتاً از دانههای ریز کوارتز تشکیل شده است. این شبکه قوی دلیل سختی و مقاومت شیشه (که از ذوب ماسه ساخته میشود) و نقطه ذوب بالای آن است.
کاربردهای جامدهای کووالانسی: از ابزار برش تا تراشه رایانه
خواص منحصر به فرد این مواد، آنها را برای کاربردهای خاصی ایدهآل میسازد:
- ابزارهای برش و ساینده: از الماس در متههای حفاری، ارههای الماسی و سنبادههای فوق سخت استفاده میشود. کاربید سیلیسیم $(SiC)$ نیز یک جامد کووالانسی بسیار سخت است که در سمباده و صفحات سنگزنی به کار میرود.
- صنایع الکترونیک و نیمههادی: سیلیسیم $(Si)$ و ژرمانیم $(Ge)$ هر دو دارای ساختار شبکهای الماسی هستند. با افزودن مقادیر کنترلشده ناخالصی (دوپینگ6)، خواص نیمههادی پیدا میکنند و پایه ساخت تراشههای رایانهای، ترانزیستورها و سلولهای خورشیدی هستند.
- عایقهای حرارتی و الکتریکی: مواد مانند کوارتز و سیلیکون کاربید به دلیل پیوندهای قوی و نداشتن الکترون آزاد، هم عایق خوب الکتریسیته هستند و هم میتوانند در برابر حرارت بالا مقاومت کنند. از آنها در قطعات کورهها و عایقهای الکتریکی استفاده میشود.
- جواهرسازی: درخشش، سختی و زیبایی الماس، آن را به یک گوهر گرانقیمت تبدیل کرده است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. درست است که بسیاری از جامدهای شبکهای کووالانسی به دلیل شبکه سهبعدی قوی، سخت هستند (مانند الماس، کاربید بور). اما برخی ساختارهای شبکهای دارند که منجر به سختی کمتر میشود، مانند گرافیت که به دلیل ساختار لایهای نرم است. همچنین، برخی ممکن است کدر یا رنگی باشند (مانند سیلیسیم). ویژگیها کاملاً به نوع اتمها و چیدمان شبکه بستگی دارد.
پاسخ: برای حل شدن یک ماده در آب، باید بین مولکولهای آب و ذرات سازنده ماده، نیروی جاذبه قویتری نسبت به نیروهای درون خود ماده ایجاد شود. در جامدهای کووالانسی شبکهای، نیروهای درونی (یعنی پیوندهای کووالانسی قوی) به قدری محکم هستند که مولکولهای قطبی آب نمیتوانند آنها را بگسلند و شبکه را از هم جدا کنند. بنابراین، این مواد در آب (و اغلب حلالهای دیگر) نا محلول هستند.
پاسخ: شیشه یک حالت خاص است. مواد تشکیلدهنده شیشه (عمدتاً سیلیس) میتوانند شبکه کووالانسی تشکیل دهند، اما در شیشه معمولی، این شبکه به صورت بینظم و غیربلوری است (جامد آمورف7). در کوارتز بلوری، شبکه منظم است. بنابراین، شیشه دارای بسیاری از خواص جامدهای کووالانسی (مانند سختی، نقطه ذوب بالا، عایق) است، اما به دلیل بینظمی شبکه، برخلاف کوارتز بلوری، ایزوتروپ است و رفتار یکسان در همه جهات دارد.
پاورقی
1جامد کووالانسی (Covalent Solid) یا شبکهای کووالانسی (Covalent Network Solid).
2پیوند کووالانسی (Covalent Bond).
3جامدهای شبکهای (Network Solids).
4نیروی واندروالسی (van der Waals Force): نیروی جاذبه ضعیف بین مولکولها یا لایههای اتمی.
5آلوتروپ (Allotrope): حالتهای مختلف فیزیکی یک عنصر در یک فاز (جامد، مایع، گاز).
6دوپینگ (Doping): افزودن مقادیر بسیار کم ناخالصی به یک نیمههادی برای تغییر خواص الکتریکی آن.
7جامد آمورف (Amorphous Solid): جامدی که فاقد نظم بلندبرد و ساختار بلوری مشخص است.
