化學原理啟迪409
"Chanel" Fashion Show Spring Summer 2013 Paris Fashion
Week Haute Couture
1.
許多原子固體含有強烈方向性共價鍵。我們稱這類物質為網狀固體net
solids。與金屬不同之處是，網狀固體十分脆，無法有效地導熱與導電。為了說明網狀固體，這個章節我們將討論二種非常重要的元素，碳和矽，以及它們的化合物。
2.
同素異形體的鑽石allotropes diamond、石墨和富勒烯都含有碳。富勒烯是分子固體，但是鑽石和石墨是網狀固體。
富勒烯
鑽石和石墨
3.
鑽石是自然界最堅硬的物質，鑽石的結構是，每個碳原子與周遭碳原子鍵結出來的結構為四面體；「碳－碳共價鍵」穩定這個四面體結構；如果用定域化電子模型來說明，每個碳原子彼此以「sp3混成原子軌域」交疊鍵結。
4.
鑽石的碳原子們彼此之間的鍵結，用分子軌域模型MO model解釋，將有助於我們瞭解鑽石的性質。下圖為鑽石與金屬的分子軌域的能階圖：
5.
金屬的導電性可解釋為，電子受到激化，從填滿電子的能階軌域，跳躍到緊鄰的空能階軌域，這個空的能階軌域是導電帶conduction bands。
6.
然而，鑽石的能階圖顯示，填滿電子的能階軌域與空的能階軌域之間，存在很大的缺口。這顯示，鑽石的電子無法輕易地從轉移到空的導電帶。因此，鑽石不是好的導電導體。
7.
分子軌域能階模型對鑽石的預測，符合實際上觀察到的鑽石行為，鑽石確實是電的絕緣體，鑽石無法傳導電流。
8.
石墨與鑽石截然不同。鑽石質地堅硬、無色、是絕緣體；石墨潤滑、黑色、是導體。這種差異主要是因為石墨與鑽石的原子鍵結方式不同。
9.
與鑽石的碳原子的四面體結構不同之處是，石墨的結構是一層一層碳原子構成，每一層的結構是，碳原子排列成六碳環，許許多多的六碳環彼此熔接成一片。
10.
在一層石墨平面中，每1個碳原子周遭環繞3個碳原子；中心碳原子與3個碳原子之間的化學鍵，彼此的夾角為120度，中心碳原子與周遭3個碳原子，構成一個三角平面。
11.
定域化電子模型認為這種結構下，碳的原子軌域為「sp2混成軌域」。每個碳原子上的3個「sp2軌域」，用來與周遭3個碳混合成「σ鍵」，並且每個碳原子還有一個未混成的「2p軌域」，垂直於碳原子群構成的平面，這些彼此靠近的「2p軌域」結合成「π分子軌域πMOs」。
12.
「π分子軌域πMOs」十分重要，首先，「π分子軌域」有力地穩定石墨層的穩定度；第二，「π分子軌域」與未定域的電子群，使石墨可以導電，這些彼此靠近的「π軌域」等同於金屬晶體的導電帶。
13.
石墨常用來當作鎖的潤滑劑，石墨潤滑的特質是因為同一層碳原子彼此之間的鍵結力量非常強，不同層之間的鍵結力量卻很弱。石墨的原子排列分式，讓不同層之間彼此容易滑動。
14.
用高倍電子顯微鏡可清楚觀察到石墨一層一層的結構。石墨的構造與鑽石非常不同，鑽石晶體內所有的原子都以同樣的四面體結構，與周遭的4個碳原子鍵結。
15.
因為鑽石非常堅硬，因此鑽石常被用來當作工業切割工具，也因此人們需要將石墨轉變成鑽石。比較鑽石的密度（3.5g/cm3）與石墨的密度（2.2g/cm3），我們會預期，石墨轉換成鑽石的方法應該是對石墨施加高壓力。
16.
在2800℃下施加150,000atm，即可將石墨完全轉變成鑽石，反應需要在高溫下進行，因為高溫才能打斷石墨的強化學鍵，使原子重組。
17.
矽是地殼的重要組成成分，矽對地理的重要性，如同碳在生物界的重要性。如同碳化合物是絕大部分生物系統的基礎材料，矽化合物是絕大部分地殼上的石頭、沙子和土壤的基本材料。
18.
雖然化學元素週期表上，碳和矽都屬於4A族，而且位置是上下緊鄰，然而，「以碳為基礎的化合物」其結構明顯與「以矽為基礎的化合物」不同。
19.
碳化合物通常包含長串的「碳－碳鍵」，但是大部分穩定的矽化合物則帶有「矽－氧鍵」。主要的矽化合物都含有矽與氧。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／ch.ic.ac.uk、Chem.ufl.edu、 2012books.lardbucket.org、Daviddarling.info、Airliners.net
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