Op atomair niveau hebben vaste stoffen drie basisstructuren. Moleculen van glas en klei zijn zeer ongeordend zonder herhalende structuur of patroon in hun rangschikking: deze worden amorfe vaste stoffen genoemd. Metalen, legeringen en zouten bestaan als roosters, evenals sommige soorten niet-metaalverbindingen, waaronder siliciumoxiden en de grafiet- en diamantvormen van koolstof. Roosters bestaan uit herhalende eenheden, waarvan de kleinste een eenheidscel wordt genoemd. De eenheidscel bevat alle informatie die nodig is om een roostermacrostructuur van een bepaalde grootte te construeren.
Rooster structurele kenmerken
Alle roosters worden gekenmerkt doordat ze zeer geordend zijn, waarbij hun samenstellende atomen of ionen met regelmatige tussenpozen op hun plaats worden gehouden. De binding in metalen roosters is elektrostatisch, terwijl de binding in siliciumoxiden, grafiet en diamant covalent is. In alle soorten roosters zijn de samenstellende deeltjes in de energetisch meest gunstige configuratie gerangschikt.
Metalen roosterenergie
Metalen bestaan als positieve ionen in een zee of wolk van gedelokaliseerde elektronen. Koper bestaat bijvoorbeeld als koper(II)-ionen in een zee van elektronen, waarbij elk koperatoom twee elektronen aan deze zee heeft gedoneerd. Het is de elektrostatische energie tussen de metaalionen en elektronen die het rooster zijn orde geeft en zonder deze energie zou de vaste stof een damp zijn. De sterkte van een metalen rooster wordt bepaald door zijn roosterenergie, wat de verandering in energie is wanneer één mol van een vast rooster wordt gevormd uit de samenstellende atomen. Metaalbindingen zijn erg sterk, daarom hebben metalen de neiging om hoge smelttemperaturen te hebben, waarbij smelten het punt is waarop het vaste rooster afbreekt.
Covalente anorganische structuren
Siliciumdioxide, of silica, is een voorbeeld van een covalent rooster. Silicium is vierwaardig, wat betekent dat het vier covalente bindingen zal vormen; in silica is elk van deze bindingen aan een zuurstof. De silicium-zuurstofbinding is zeer sterk en dit maakt silica tot een zeer stabiele structuur met een hoog smeltpunt. Het is de zee van vrije elektronen in metalen die ze tot goede elektrische en thermische geleiders maken. Er zijn geen vrije elektronen in silica's of andere covalente roosters, daarom zijn ze slechte geleiders van warmte of elektriciteit. Elke stof die een slechte geleider is, wordt een isolator genoemd.
Verschillende covalente structuren
Koolstof is een voorbeeld van een stof die verschillende covalente structuren heeft. Amorfe koolstof, zoals gevonden in roet of steenkool, heeft geen herhalende structuur. Grafiet, gebruikt in de stiften van potloden en de productie van koolstofvezel, is veel meer geordend. Grafiet bestaat uit lagen hexagonale koolstofatomen met een dikte van één laag. Diamant is nog meer geordend en bestaat uit koolstofverbindingen die samen een stijf, ongelooflijk sterk tetraëdrisch rooster vormen. Diamanten worden gevormd onder extreme hitte en druk en diamant is de moeilijkste van alle bekende natuurlijke stoffen. Chemisch gezien zijn diamant en roet echter identiek. De verschillende structuren van elementen of verbindingen worden allotropen genoemd.