Auf atomarer Ebene haben Festkörper drei Grundstrukturen. Moleküle von Gläsern und Tonen sind sehr ungeordnet ohne sich wiederholende Struktur oder Muster in ihrer Anordnung: diese werden als amorphe Feststoffe bezeichnet. Metalle, Legierungen und Salze existieren als Gitter, ebenso wie einige Arten nichtmetallischer Verbindungen, einschließlich Siliziumoxide und die Graphit- und Diamantformen von Kohlenstoff. Gitter bestehen aus sich wiederholenden Einheiten, von denen die kleinste Elementarzelle genannt wird. Die Elementarzelle trägt alle Informationen, die benötigt werden, um eine Gittermakrostruktur jeder gegebenen Größe zu konstruieren.
Strukturelle Eigenschaften des Gitters
Alle Gitter zeichnen sich dadurch aus, dass sie hochgeordnet sind, wobei ihre konstituierenden Atome oder Ionen in regelmäßigen Abständen an Ort und Stelle gehalten werden. Die Bindung in Metallgittern ist elektrostatisch, während die Bindung in Siliziumoxiden, Graphit und Diamant kovalent ist. In allen Gittertypen sind die einzelnen Teilchen in der energetisch günstigsten Konfiguration angeordnet.
Metallische Gitterenergie
Metalle existieren als positive Ionen in einem Meer oder einer Wolke aus delokalisierten Elektronen. Kupfer zum Beispiel existiert als Kupfer(II)-Ionen in einem Meer von Elektronen, wobei jedes Kupferatom zwei Elektronen an dieses Meer gespendet hat. Es ist die elektrostatische Energie zwischen den Metallionen und Elektronen, die dem Gitter seine Ordnung gibt und ohne diese Energie wäre der Festkörper ein Dampf. Die Stärke eines metallischen Gitters wird durch seine Gitterenergie definiert, die die Energieänderung ist, wenn ein Mol eines festen Gitters aus seinen konstituierenden Atomen gebildet wird. Metallische Bindungen sind sehr stark, weshalb Metalle zu hohen Schmelztemperaturen neigen, wobei das Schmelzen der Punkt ist, an dem das feste Gitter zerfällt.
Kovalente anorganische Strukturen
Siliciumdioxid, oder Siliciumdioxid, ist ein Beispiel für ein kovalentes Gitter. Silizium ist vierwertig, was bedeutet, dass es vier kovalente Bindungen bildet; in Siliziumdioxid ist jede dieser Bindungen mit einem Sauerstoff verbunden. Die Silizium-Sauerstoff-Bindung ist sehr stark, was Silizium zu einer sehr stabilen Struktur mit hohem Schmelzpunkt macht. Es ist das Meer freier Elektronen in Metallen, die sie zu guten elektrischen und thermischen Leitern machen. In Kieselsäuren oder anderen kovalenten Gittern gibt es keine freien Elektronen, weshalb sie schlechte Wärme- oder Stromleiter sind. Jeder Stoff, der einen schlechten Leiter hat, wird als Isolator bezeichnet.
Verschiedene kovalente Strukturen
Kohlenstoff ist ein Beispiel für eine Substanz mit unterschiedlichen kovalenten Strukturen. Amorpher Kohlenstoff, wie er in Ruß oder Kohle vorkommt, hat keine sich wiederholende Struktur. Graphit, das in Bleistiftminen und bei der Herstellung von Kohlefasern verwendet wird, ist weitaus geordneter. Graphit umfasst Schichten aus hexagonalen Kohlenstoffatomen mit einer Schichtdicke. Diamant ist noch geordneter und besteht aus Kohlenstoffen, die miteinander verbunden sind, um ein starres, unglaublich starkes tetraedrisches Gitter zu bilden. Diamanten werden unter extremer Hitze und Druck geformt und Diamant ist die härteste aller bekannten Naturstoffe. Chemisch sind Diamant und Ruß jedoch identisch. Die unterschiedlichen Strukturen von Elementen oder Verbindungen werden Allotrope genannt.