Quali sono i limiti dei reticoli covalenti e metallici?

A livello atomico i solidi hanno tre strutture fondamentali. Le molecole di vetri e argille sono molto disordinate senza strutture o schemi ripetitivi nella loro disposizione: questi sono chiamati solidi amorfi. Metalli, leghe e sali esistono come reticoli, così come alcuni tipi di composti non metallici, inclusi gli ossidi di silicio e le forme di grafite e diamante del carbonio. I reticoli comprendono unità ripetitive, la più piccola delle quali è chiamata cella unitaria. La cella elementare contiene tutte le informazioni necessarie per costruire una macrostruttura reticolare di qualsiasi dimensione.

Tutti i reticoli sono caratterizzati dall'essere altamente ordinati, con i loro atomi o ioni costituenti tenuti in posizione a intervalli regolari. Il legame nei reticoli metallici è elettrostatico, mentre il legame negli ossidi di silicio, grafite e diamante è covalente. In tutti i tipi di reticolo le particelle costituenti sono disposte nella configurazione energeticamente più favorevole.

I metalli esistono come ioni positivi in ​​un mare o in una nuvola di elettroni delocalizzati. Il rame, per esempio, esiste come ioni di rame (II) in un mare di elettroni, con ogni atomo di rame che ha donato due elettroni a questo mare. È l'energia elettrostatica tra gli ioni metallici e gli elettroni che dà ordine al reticolo e senza questa energia il solido sarebbe un vapore. La forza di un reticolo metallico è definita dalla sua energia reticolare, che è la variazione di energia quando una mole di un reticolo solido è formata dai suoi atomi costituenti. I legami metallici sono molto forti, motivo per cui i metalli tendono ad avere temperature di fusione elevate, essendo la fusione il punto in cui il reticolo solido si rompe.

Biossido di silicio, o silice, è un esempio di reticolo covalente. Il silicio è tetravalente, il che significa che formerà quattro legami covalenti; in silice ciascuno di questi legami è ad un ossigeno. Il legame silicio-ossigeno è molto forte e questo rende la silice una struttura molto stabile con un alto punto di fusione. È il mare di elettroni liberi nei metalli che li rende buoni conduttori elettrici e termici. Non ci sono elettroni liberi nelle silici o in altri reticoli covalenti, motivo per cui sono cattivi conduttori di calore o elettricità. Qualsiasi sostanza che è un cattivo conduttore è chiamata isolante.

Il carbonio è un esempio di una sostanza che ha diverse strutture covalenti. Il carbonio amorfo, come si trova nella fuliggine o nel carbone, non ha una struttura ripetitiva. La grafite, utilizzata nelle mine delle matite e nella produzione della fibra di carbonio, in molto più ordinata. La grafite comprende strati di atomi di carbonio esagonali dello spessore di uno strato. Il diamante è ancora più ordinato, comprendendo i carboni legati insieme per formare un reticolo tetraedrico rigido e incredibilmente forte. I diamanti si formano a temperature e pressioni estreme e il diamante è la più dura di tutte le sostanze naturali conosciute. Chimicamente, però, il diamante e la fuliggine sono identici. Le diverse strutture di elementi o composti sono chiamate allotropi.