Varför är kisel så hårt men så sprött?

Kiselär en atomkristall vars atomer är sammankopplade med kovalenta bindningar och bildar en rumslig nätverksstruktur. I denna struktur är de kovalenta bindningarna mellan atomerna mycket riktade och har hög bindningsenergi, vilket gör att kisel uppvisar hög hårdhet när det motstår yttre krafter för att ändra sin form. Till exempel krävs det en stor yttre kraft för att förstöra den starka kovalenta bindningen mellan atomer.

Det är emellertid just på grund av de regelbundna och relativt styva strukturella egenskaperna hos dess atomkristall att gittret inuti, när den utsätts för en stor stötkraft eller ojämn yttre kraft,kiselär svårt att buffra och sprida den yttre kraften genom lokal deformation, men det kommer att orsaka att de kovalenta bindningarna bryts längs vissa svaga kristallplan eller kristallriktningar, vilket kommer att orsaka att hela kristallstrukturen bryts och uppvisar spröda egenskaper. Till skillnad från strukturer som metallkristaller finns det jonbindningar mellan metallatomer som kan glida relativt, och de kan förlita sig på glidningen mellan atomskikten för att anpassa sig till yttre krafter, vilket visar god duktilitet och inte lätt att bryta spröda.

KiselAtomer är sammankopplade med kovalenta bindningar. Kärnan i kovalenta bindningar är den starka växelverkan som bildas av de delade elektronparen mellan atomer. Även om denna bindning kan säkerställa stabiliteten och hårdheten hoskiselkristallstruktur, är det svårt för den kovalenta bindningen att återhämta sig när den väl är bruten. När kraften som appliceras av omvärlden överstiger gränsen för vad den kovalenta bindningen kan motstå, kommer bindningen att brytas, och eftersom det inte finns några faktorer som fritt rörliga elektroner som i metaller för att hjälpa till att reparera brottet, återupprätta förbindelsen eller förlita sig på elektronernas delokalisering för att sprida spänningen, är det lätt att spricka och kan inte bibehålla sin övergripande integritet genom sina egna interna justeringar, vilket gör att kisel blir mycket sprött.

I praktiska tillämpningar är det ofta svårt att få kiselmaterial att vara helt rena, och de kommer att innehålla vissa föroreningar och gitterdefekter. Införandet av föroreningsatomer kan störa den ursprungligen regelbundna kisellens gitterstruktur, vilket orsakar förändringar i den lokala kemiska bindningsstyrkan och bindningsmetoden mellan atomer, vilket resulterar i svaga områden i strukturen. Gitterdefekter (såsom vakanser och dislokationer) blir också platser där spänningar koncentreras.

När externa krafter verkar är det mer sannolikt att dessa svaga punkter och spänningskoncentrationspunkter orsakar att kovalenta bindningar bryts, vilket gör att kiselmaterialet börjar brytas från dessa ställen och förvärrar dess sprödhet. Även om det ursprungligen förlitade sig på kovalenta bindningar mellan atomer för att bygga en struktur med högre hårdhet, är det svårt att undvika sprödbrott under påverkan av externa krafter.