原子レベルでは、固体には3つの基本構造があります。 ガラスや粘土の分子は非常に無秩序であり、それらの配置に繰り返しの構造やパターンはありません。これらはアモルファス固体と呼ばれます。 金属、合金、塩は格子として存在し、酸化ケイ素やグラファイトやダイヤモンドの形の炭素など、いくつかの種類の非金属化合物も同様です。 格子は繰り返し単位で構成され、その最小のものはユニットセルと呼ばれます。 ユニットセルは、任意のサイズの格子マクロ構造を構築するために必要なすべての情報を伝達します。
格子構造特性
すべての格子は、それらの構成原子またはイオンが一定の間隔で所定の位置に保持されている、高度に秩序化されていることを特徴としています。 金属格子の結合は静電的ですが、酸化ケイ素、グラファイト、ダイヤモンドの結合は共有結合です。 すべてのタイプの格子において、構成粒子は最もエネルギー的に好ましい構成で配置されます。
金属格子エネルギー
金属は、非局在化電子の海または雲の中に陽イオンとして存在します。 たとえば、銅は電子の海に銅（II）イオンとして存在し、各銅原子はこの海に2つの電子を提供しています。 格子に秩序を与えるのは金属イオンと電子の間の静電エネルギーであり、このエネルギーがなければ固体は蒸気になります。 金属格子の強度は、その構成原子から1モルの固体格子が形成されるときのエネルギーの変化である格子エネルギーによって定義されます。 金属結合は非常に強いため、金属は溶融温度が高くなる傾向があり、溶融は固体格子が破壊されるポイントです。
共有結合無機構造
二酸化ケイ素、またはシリカは、共有結合格子の例です。 シリコンは4価です。つまり、4つの共有結合を形成します。 シリカでは、これらの結合はそれぞれ酸素に対するものです。 シリコンと酸素の結合は非常に強く、これによりシリカは高融点で非常に安定した構造になります。 金属を優れた電気および熱伝導体にするのは、金属中の自由電子の海です。 シリカや他の共有結合格子には自由電子がないため、熱や電気の伝導性が低くなります。 導体が貧弱な物質はすべて絶縁体と呼ばれます。
異なる共有結合構造
炭素は、異なる共有結合構造を持つ物質の例です。 煤や石炭に見られるようなアモルファスカーボンには、繰り返し構造がありません。 鉛筆の芯や炭素繊維の製造に使用されるグラファイトは、はるかに注文が多いです。 グラファイトは、1層の厚さの六角形の炭素原子の層で構成されています。 ダイヤモンドはさらに秩序があり、炭素が結合して堅く、信じられないほど強い四面体格子を形成します。 ダイヤモンドは極度の熱と圧力の下で形成され、ダイヤモンドはすべての既知の天然物質の中で最も硬いものです。 化学的には、ダイヤモンドと煤は同じです。 元素または化合物のさまざまな構造は、同素体と呼ばれます。