На атомно ниво твърдите вещества имат три основни структури. Молекулите на стъклата и глините са много неподредени, без повтаряща се структура или модел на тяхното разположение: те се наричат аморфни твърди вещества. Метали, сплави и соли съществуват като решетки, както и някои видове неметални съединения, включително силициеви оксиди и графитни и диамантени форми на въглерод. Решетките съдържат повтарящи се единици, най-малката от които се нарича единична клетка. Елементната клетка носи цялата информация, необходима за изграждането на решетъчна макроструктура с произволен размер.
Структурни характеристики на решетката
Всички решетки се характеризират с висока степен на подреденост, като съставните им атоми или йони се задържат на равни интервали. Свързването в метални решетки е електростатично, докато свързването в силициеви оксиди, графит и диамант е ковалентно. Във всички видове решетки съставните частици са подредени в енергийно най-благоприятната конфигурация.
Метална решетъчна енергия
Металите съществуват като положителни йони в море или облак от делокализирани електрони. Медта например съществува като медни (II) йони в море от електрони, като всеки меден атом е дарил два електрона на това море. Електростатичната енергия между металните йони и електроните придава на решетката ред и без тази енергия твърдото вещество би било пара. Силата на металната решетка се определя от енергията на решетката, която представлява промяната в енергията, когато един мол от твърда решетка се образува от съставните й атоми. Металните връзки са много здрави, поради което металите са склонни да имат високи температури на топене, като топенето е точката, при която твърдата решетка се разрушава.
Ковалентни неорганични структури
Силициев диоксид, или силициев диоксид, е пример за ковалентна решетка. Силицият е четиривалентен, което означава, че ще образува четири ковалентни връзки; в силициев диоксид всяка от тези връзки е с кислород. Връзката силиций-кислород е много здрава и това прави силициевия двуокис много стабилна структура с висока точка на топене. Морето от свободни електрони в металите ги прави добри електрически и топлинни проводници. В силикагените или други ковалентни решетки няма свободни електрони, поради което те са лоши проводници на топлина или електричество. Всяко вещество, което е лош проводник, се нарича изолатор.
Различни ковалентни структури
Въглеродът е пример за вещество, което има различни ковалентни структури. Аморфният въглерод, съдържащ се в сажди или въглища, няма повтаряща се структура. Графитът, използван в отворите на моливи и производството на въглеродни влакна, е много по-подреден. Графитът съдържа слоеве от шестоъгълни въглеродни атоми с дебелина на един слой. Диамантът е още по-подреден, включващ въглеродни връзки заедно, за да образува твърда, невероятно здрава тетраедрична решетка. Диамантите се образуват при силна топлина и налягане и диамантът е най-твърдият от всички известни природни вещества. Химически обаче диамантът и саждите са идентични. Различните структури на елементи или съединения се наричат алотропи.