Hvad er begrænsningerne ved kovalente og metalliske gitter?

På atomniveau har faste stoffer tre grundlæggende strukturer. Molekyler af briller og ler er meget uordnede uden nogen gentagende struktur eller mønster for deres arrangement: disse kaldes amorfe faste stoffer. Metaller, legeringer og salte findes som gitter, ligesom nogle typer ikke-metalliske forbindelser gør, herunder siliciumoxider og grafit- og diamantformerne af kulstof. Gitter består af gentagne enheder, hvoraf den mindste kaldes en enhedscelle. Enhedscellen bærer al den information, der er nødvendig for at konstruere en gittermakrostruktur af en hvilken som helst given størrelse.

Alle gitter er karakteriseret ved at være stærkt ordnet, med deres bestanddele atomer eller ioner holdt på plads med jævne mellemrum. Bindingen i metalliske gitter er elektrostatisk, hvorimod bindingen i siliciumoxider, grafit og diamant er kovalent. I alle typer gitter er de indgående partikler arrangeret i den mest energisk gunstige konfiguration.

Metaller findes som positive ioner i et hav eller en sky af delokaliserede elektroner. Kobber eksisterer for eksempel som kobber (II) ioner i et hav af elektroner, hvor hvert kobberatom har doneret to elektroner til dette hav. Det er den elektrostatiske energi mellem metalionerne og elektronerne, der giver gitteret sin rækkefølge, og uden denne energi ville det faste stof være en damp. Styrken af ​​et metallisk gitter defineres af dets gitterenergi, hvilket er ændringen i energi, når en mol af et fast gitter dannes ud fra dets bestanddele. Metalliske bindinger er meget stærke, hvorfor metaller har tendens til at have høje smeltetemperaturer, hvor smeltning er det punkt, hvor det faste gitter nedbrydes.

Siliciumdioxid, eller silica, er et eksempel på et kovalent gitter. Silicium er tetravalent, hvilket betyder at det vil danne fire kovalente bindinger; i silica er hver af disse bindinger til et ilt. Silicium-oxygenbindingen er meget stærk, og dette gør silica til en meget stabil struktur med et højt smeltepunkt. Det er havet af frie elektroner i metaller, der gør dem til gode elektriske og termiske ledere. Der er ingen frie elektroner i silicaer eller andre kovalente gitter, hvorfor de er dårlige ledere af varme eller elektricitet. Ethvert stof, der er en dårlig leder kaldes en isolator.

Kulstof er et eksempel på et stof, der har forskellige kovalente strukturer. Amorft kulstof, som det findes i sod eller kul, har ingen gentagende struktur. Grafit, der anvendes i bly af blyanter og produktion af kulfiber, i langt mere ordnet. Grafit omfatter lag af sekskantede carbonatomer med tykkelse i et lag. Diamant er endnu mere ordnet og består af kulbindinger sammen for at danne et stift, utroligt stærkt tetraedrisk gitter. Diamanter dannes under ekstrem varme og tryk, og diamant er den hårdeste af alle kendte naturlige stoffer. Kemisk er diamant og sod imidlertid identiske. De forskellige strukturer af grundstoffer eller forbindelser kaldes allotroper.