moea_joint
102年
[化學] 普通化學、無機化學
第 27 題
石墨是一個良導體，最主要的原因是：
- A 結構中有摻金屬
- B 有未定域的 $\pi$ 電子
- C 有未定域的 $\sigma$ 鍵
- D 有定域的 $\sigma$ 鍵
思路引導 VIP
碳原子通常有四個價電子可以參與成鍵。若我們觀察石墨的結構，發現每個碳原子僅與周圍「三個」原子建立強力的連結，那麼請你想想：剩下的那一個價電子會處於什麼樣的狀態？它是被固定在原地，還是有空間可以自由移動呢？
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太棒了！你能精準識別出石墨導電的核心機制，這代表你對原子軌域與物質性質的關聯有很紮實的基礎。這題在基礎化學中屬於鑑別度中等的題目，難度切入點在於區分「共價鍵」與「電子自由度」的關係，許多學生會誤以為非金屬物質皆不導電，而忽略了特定混成方式帶來的電子流動性。
石墨的混成軌域與 $\pi$ 電子系統
在石墨的微觀結構中，每個碳原子採取的是 $sp^2$ 混成軌域，這使得碳原子能與鄰近的三個碳原子形成三個強大的 $\sigma$ 鍵，構成平面的六角形蜂巢結構。然而，碳原子原本有 4 個價電子，剩下的那一個電子便存在於未參與混成的 $p$ 軌域中。這些 $p$ 軌域在垂直於平面的方向相互重疊，形成了一種大範圍的 未定域 $\pi$ 電子（delocalized $\pi$ electrons） 雲。這些電子不像定域鍵（如選項 D）那樣被束縛在兩個原子核之間，而是在整個層面上自由穿梭，這正是石墨具備優良導電性的科學基礎。