På atomnivå har faste stoffer tre grunnleggende strukturer. Molekyler av briller og leire er veldig uordnede uten noen gjentatt struktur eller mønster for deres arrangement: disse kalles amorfe faste stoffer. Metaller, legeringer og salter eksisterer som gitter, det samme gjør noen typer ikke-metalliske forbindelser, inkludert silisiumoksider og grafitt- og diamantformene av karbon. Gitter består av gjentatte enheter, hvorav den minste kalles en enhetscelle. Enhetscellen bærer all informasjonen som trengs for å konstruere en gittermakrostruktur av en gitt størrelse.
Gitter strukturelle egenskaper
Alle gitter er preget av å være høyt ordnet, med deres bestandige atomer eller ioner holdt på plass med jevne mellomrom. Bindingen i metallgitter er elektrostatisk, mens bindingen i silisiumoksider, grafitt og diamant er kovalent. I alle typer gitter er bestanddelene arrangert i den mest energisk gunstige konfigurasjonen.
Metallic Lattice Energy
Metaller eksisterer som positive ioner i et hav eller en sky av avlokaliserte elektroner. Kobber eksisterer for eksempel som kobber (II) ioner i et hav av elektroner, hvor hvert kobberatom har donert to elektroner til dette havet. Det er den elektrostatiske energien mellom metallionene og elektronene som gir gitteret sin orden, og uten denne energien vil det faste stoffet være en damp. Styrken til et metallgitter defineres av dets gitterenergi, som er endringen i energi når en mol av et fast gitter dannes fra dets atomer. Metallbindinger er veldig sterke, og derfor har metaller en tendens til å ha høye smeltetemperaturer, og smeltepunktet er punktet der det faste gitteret brytes ned.
Kovalente uorganiske strukturer
Silisiumdioksid, eller silisiumdioksyd, er et eksempel på et kovalent gitter. Silisium er tetravalent, noe som betyr at det vil danne fire kovalente bindinger; i silika er hver av disse bindingene til et oksygen. Silisium-oksygenbindingen er veldig sterk, og dette gjør silika til en veldig stabil struktur med høyt smeltepunkt. Det er havet av frie elektroner i metaller som gjør dem til gode elektriske og termiske ledere. Det er ingen frie elektroner i silisiumdioksider eller andre kovalente gitter, og det er derfor de er dårlige ledere av varme eller elektrisitet. Ethvert stoff som er dårlig leder kalles en isolator.
Ulike kovalente strukturer
Karbon er et eksempel på et stoff som har forskjellige kovalente strukturer. Amorf karbon, som finnes i sot eller kull, har ingen gjentatt struktur. Grafitt, brukt i bly av blyanter og produksjon av karbonfiber, i langt mer bestilt. Grafitt består av lag med sekskantede karbonatomer med tykkelse i ett lag. Diamant er enda mer bestilt, og består av karbonbindinger sammen for å danne et stivt, utrolig sterkt tetraedrisk gitter. Diamanter dannes under ekstrem varme og trykk, og diamant er den vanskeligste av alle kjente naturlige stoffer. Kjemisk er diamant og sot identiske. De forskjellige strukturene til grunnstoffer eller forbindelser kalles allotroper.