Atomrácsos kristályok

Beszéltünk már különféle szilárd anyagokról. Volt szó ionos kristályokról, melyekben az egymást vonzó ionok tartják össze a rácsszerkezetet. Láttunk szilárd fémes anyagokat, melyekben pozitív ionok helyezkednek el a negatív töltésű elektronok „tengerében”. Foglalkoztunk molekularácsokkal is, amelyekben a molekulákat (másodrendű) intermolekuláris kötések tartják össze. Az atomrácsos anyagok ezektől annyiban térnek el, hogy ezekben az egész kristályt kovalens kötések tartják össze. Itt láthatunk például egy szilícium- és szénatomokból felépülő kristályt; ez a szilícium-karbid. Eszünkbe juthat a kérdés: nem láttunk már szilárd anyagokban kovalens kötéseket, méghozzá a molekularácsoknál? Itt egy példa molekularácsra a róluk szóló videóból. Itt vannak a molekulák, melyeket kovalens kötéssel összekötött atomok alkotnak. Szilárd anyag viszont úgy lesz belőlük, hogy a másodrendű kötések révén vonzzák egymást a molekulák. Ha ezt a molekuláris szilárd anyagot meg akarjuk olvasztani, ezeket a molekulák közti erőket kell legyőzni. Az atomrácsos kristályokban viszont magát a szilárd anyagot tartják össze a kovalens kötések. Ha ezt meg akarjuk olvasztani, a kovalens kötéseket kell felszakítani, amelyek általában jóval erősebbek a másodrendű kötéseknél. Ebből sejthető, hogy az atomrácsos anyagok olvadáspontja magasabb lesz. Nincs „elektrontenger” sem bennük, ezért a fémekkel ellentétben nem lesznek jó elektromos vezetők sem. Hogy ez érthetőbb legyen, nézzünk meg néhány atomrácsos anyagot! Itt bal oldalon lehet, hogy felismered a gyémántot. A gyémánt nem más, mint szénatomok rendezett halmaza kovalens kötésekkel összekapcsolva. Itt látható a szerkezete. Ahogy talán tudod is, a gyémánt az egyik legkeményebb anyag, amit ismerünk. A kovalens kötések ebben a térbeli elrendezésben igen jól ellenállnak a nagymértékű feszülésnek, húzásnak és összenyomásnak; nagyon nehéz őket széttörni. A szén egyébként érdekes módon többféle atomrácsot is képes létrehozni. Például itt van a grafit, ami valószínűleg ismerősebb. Amikor ceruzával írunk, tulajdonképpen grafitot kenünk a papírra. Így néz ki a grafit. Kovalens kötésekkel összetartott rétegek, melyek közt másodrendű kötések hatnak. Azért könnyű vele írni, mert a rétegek el tudnak csúszni egymáson. Ha viszont meg akarnánk olvasztani a grafitot, a rétegek kovalens kötéseit kellene felszakítanunk. Könnyű elképzelni, hogy a kovalens kötések felszakításához, ezzel a gyémánt vagy grafit megolvasztásához igen magas hőmérsékletre van szükség. A grafit például 3642 ⁰C-on szublimál. A videó elején látott szilícium-karbid pedig 2830 fokon bomlik el. Ezen a képen a kvarc látható, mely a szilícium-dioxid egyik igen gyakori szilárd változata. Ez is atomrácsos kristály, aminek az olvadáspontja 1722 ⁰C. Az utóbbi néhány videó fő tanulsága tehát az, hogy sokféleképpen lehetséges a szilárd anyagok egybentartása. Felépülhetnek különböző ionokból, azonos fémionokból, molekulákból, melyeket a másodrendű kötések kapcsolnak össze, vagy kovalens kötésekkel összekötött atomok kristályrácsaként.