Atomi szinten a szilárd anyagnak három alapvető szerkezete van. A poharak és agyagok molekulái nagyon rendezetlenek, elrendezésük vagy mintázatuk nem ismétlődik: ezeket amorf szilárd anyagoknak nevezzük. A fémek, ötvözetek és sók rácsként léteznek, csakúgy, mint a nemfém vegyületek bizonyos típusai, beleértve a szilícium-oxidokat, valamint a szén grafit- és gyémántformáit. A rácsok ismétlődő egységeket tartalmaznak, amelyek közül a legkisebbet egységcellának hívják. Az egységcella minden információt tartalmaz, amely egy adott méretű rácsos makrostruktúra felépítéséhez szükséges.
Rácsszerkezeti jellemzők
Valamennyi rács jellemzője, hogy erősen rendezettek, alkotó atomjaikat vagy ionjaikat rendszeres időközönként a helyükön tartják. A fémrácsokban a kötés elektrosztatikus, míg a szilícium-oxidok, grafit és gyémánt kötése kovalens. Minden rácstípusban az alkotó részecskék az energetikailag legkedvezőbb konfigurációban vannak elrendezve.
Fémes rácsenergia
A fémek pozitív ionokként léteznek a delokalizált elektronok tengerében vagy felhőjében. A réz például réz (II) ionként létezik az elektronok tengerében, és minden rézatom két elektront adott a tengernek. A fémionok és az elektronok közötti elektrosztatikus energia adja a rács rendjét, és ezen energia nélkül a szilárd anyag gőz lenne. A fémes rács erősségét a rács energiája határozza meg, amely az energia változása, amikor egy szilárd rács egy mólja képződik alkotó atomjaiból. A fémkötések nagyon erősek, ezért a fémek olvadási hőmérséklete általában magas, az olvadás az a pont, ahol a szilárd rács lebomlik.
Kovalens szervetlen szerkezetek
Szilícium-dioxidvagy szilícium-dioxid egy példa a kovalens rácsra. A szilícium négyértékű, vagyis négy kovalens kötést alkot; a szilícium-dioxidban ezek a kötések oxigénhez kapcsolódnak. A szilícium-oxigén kötés nagyon erős, és ezáltal a szilícium-dioxid nagyon stabil, magas olvadáspontú szerkezettel rendelkezik. A szabad elektronok tengere a fémekben jó elektromos és hővezetővé teszi őket. A szilícium-dioxidban vagy más kovalens rácsokban nincsenek szabad elektronok, ezért ezek rossz hő- vagy villamosenergia-vezetők. Bármely anyagot, amely rossz vezető, szigetelőnek nevezünk.
Különböző kovalens szerkezetek
A szén egy olyan anyag példája, amelynek különböző kovalens szerkezete van. A koromban vagy a szénben található amorf szénnek nincs ismétlődő szerkezete. Grafit, amelyet ceruzák vezetékeiben és szénszálak előállításában használnak, sokkal rendezettebbek. A grafit egyrétegű hatszögletű szénatom rétegeket tartalmaz. A gyémánt még rendezettebb, amely szénatomokat tartalmaz és merev, hihetetlenül erős tetraéderes rácsot képez. A gyémántok rendkívüli hő és nyomás alatt keletkeznek, és a gyémánt a legnehezebb az összes ismert természetes anyag közül. Kémiailag azonban a gyémánt és a korom azonos. Az elemek vagy vegyületek különböző szerkezetét allotropoknak nevezzük.
