מה המגבלות של סריגים קוולנטיים ומתכתיים?

ברמה האטומית למוצקים שלושה מבנים בסיסיים. מולקולות של משקפיים וחימר מופרעות מאוד ללא מבנה חוזר או תבנית לסידורן: אלה נקראים מוצקים אמורפיים. מתכות, סגסוגות ומלחים קיימים כסריג, וכך גם סוגים מסוימים של תרכובות שאינן מתכתיות, כולל תחמוצות סיליקון וצורות גרפיט ויהלום של פחמן. סורגים כוללים יחידות חוזרות, שהקטנה שבהן נקראת תא יחידה. תא היחידה נושא את כל המידע הדרוש לבניית מבנה מקרו של סריג בכל גודל נתון.

כל הסורגים מאופיינים בכך שהם מסודרים מאוד, כאשר האטומים או היונים המרכיבים אותם מוחזקים במקומם במרווחי זמן קבועים. ההתקשרות בסריגים מתכתיים הינה אלקטרוסטטית, ואילו ההתקשרות בתחמוצות סיליקון, גרפיט ויהלום היא קוולנטית. בכל סוגי הסורג החלקיקים המרכיבים מסודרים בתצורה החיובית ביותר מבחינה אנרגטית.

מתכות קיימות כיונים חיוביים בים או בענן של אלקטרונים המוקעים מחדש. נחושת, למשל, קיימת כיוני נחושת (II) בים אלקטרונים, כאשר כל אטום נחושת תרם שני אלקטרונים לים זה. האנרגיה האלקטרו-סטטית בין יוני המתכת לאלקטרונים היא שנותנת את הסריג לסדרו וללא אנרגיה זו המוצק יהיה אדי. כוחו של סריג מתכתי מוגדר על ידי אנרגיית הסריג שלו, שהיא שינוי האנרגיה כאשר שומה אחת של סריג מוצק נוצרת מהאטומים המרכיבים אותה. קשרים מתכתיים חזקים מאוד ולכן מתכות נוטות לטמפרטורות התכה גבוהות, כאשר ההיתוך הוא הנקודה בה הסריג המוצק מתפרק.

דו תחמוצת הסיליקון, או סיליקה, היא דוגמה לסריג קוולנטי. הסיליקון הוא רב-ערכי, כלומר הוא יוצר ארבעה קשרים קוולנטיים; בסיליקה כל אחד מהקשרים הללו הוא לחמצן. הקשר של סיליקון וחמצן חזק מאוד וזה הופך את הסיליקה למבנה יציב מאוד עם נקודת התכה גבוהה. זהו ים האלקטרונים החופשיים במתכות שהופכים אותם למוליכים חשמליים ותרמיים טובים. אין אלקטרונים חופשיים בסיליקות או בסריגים קוולנטיים אחרים, ולכן הם מוליכים גרועים של חום או חשמל. כל חומר שהוא מוליך גרוע נקרא מבודד.

פחמן הוא דוגמה לחומר בעל מבנים קוולנטיים שונים. לפחמן אמורפי, כפי שנמצא בפיח או בפחם אין מבנה חוזר. גרפיט, המשמש במוליכות עפרונות וייצור סיבי פחמן, בהזמנות הרבה יותר. גרפיט כולל שכבות של אטומי פחמן משושים בעובי שכבה אחת. יהלום מסודר עוד יותר, הכולל קשרי פחמנים יחד ליצירת סריג טטרהדרי נוקשה וחזק להפליא. יהלומים נוצרים בחום ולחץ קיצוניים ויהלום הוא הקשה ביותר מכל החומרים הטבעיים הידועים. מבחינה כימית, יהלום ופיח זהים. המבנים השונים של יסודות או תרכובות נקראים אלוטרופים.