Na poziomie atomowym ciała stałe mają trzy podstawowe struktury. Cząsteczki szkieł i glin są bardzo nieuporządkowane, bez powtarzającej się struktury lub wzoru w ich ułożeniu: są to amorficzne ciała stałe. Metale, stopy i sole występują w postaci sieci, podobnie jak niektóre rodzaje związków niemetalicznych, w tym tlenki krzemu oraz grafitowe i diamentowe formy węgla. Kraty składają się z powtarzających się jednostek, z których najmniejsza nazywana jest komórką elementarną. Komórka elementarna przenosi wszystkie informacje potrzebne do skonstruowania makrostruktury sieciowej o dowolnym rozmiarze.
Charakterystyka strukturalna kraty Lat
Wszystkie sieci charakteryzują się wysokim uporządkowaniem, a ich składowe atomy lub jony są utrzymywane na miejscu w regularnych odstępach czasu. Wiązanie w sieciach metalicznych jest elektrostatyczne, podczas gdy wiązanie w tlenkach krzemu, graficie i diamencie jest kowalencyjne. We wszystkich typach sieci cząstki składowe są ułożone w najkorzystniejszej energetycznie konfiguracji.
Energia metalicznej sieci
Metale istnieją jako jony dodatnie w morzu lub chmurze zdelokalizowanych elektronów. Na przykład miedź istnieje jako jony miedzi (II) w morzu elektronów, przy czym każdy atom miedzi przekazał temu morzu dwa elektrony. To energia elektrostatyczna między jonami metali i elektronami nadaje sieci porządek i bez tej energii ciało stałe byłoby parą. Siła sieci metalicznej jest określona przez jej energię sieciową, która jest zmianą energii, gdy jeden mol stałej sieci powstaje z atomów składowych. Wiązania metaliczne są bardzo silne, dlatego metale mają zwykle wysokie temperatury topnienia, a topnienie jest punktem, w którym rozpada się stała sieć.
Kowalencyjne struktury nieorganiczne
Dwutlenek krzemulub krzemionka jest przykładem sieci kowalencyjnej. Krzem jest czterowartościowy, co oznacza, że tworzy cztery wiązania kowalencyjne; w krzemionce każde z tych wiązań jest z tlenem. Wiązanie krzem-tlen jest bardzo silne, co sprawia, że krzemionka jest bardzo stabilną strukturą o wysokiej temperaturze topnienia. To morze wolnych elektronów w metalach czyni je dobrymi przewodnikami elektrycznymi i termicznymi. W krzemionkach lub innych sieciach kowalencyjnych nie ma wolnych elektronów, dlatego są one słabymi przewodnikami ciepła lub elektryczności. Każda substancja, która jest słabym przewodnikiem, nazywana jest izolatorem.
Różne struktury kowalencyjne
Węgiel jest przykładem substancji, która ma różne struktury kowalencyjne. Węgiel amorficzny występujący w sadzy lub węglu nie ma powtarzalnej struktury. Grafit, stosowany w grafitach ołówków i produkcji włókna węglowego, jest znacznie bardziej uporządkowany. Grafit składa się z warstw heksagonalnych atomów węgla o grubości jednej warstwy. Diament jest jeszcze bardziej uporządkowany, zawiera wiązania węgla, które tworzą sztywną, niewiarygodnie mocną sieć czworościenną. Diamenty powstają pod wpływem ekstremalnego ciepła i ciśnienia, a diament jest najtwardszą ze wszystkich znanych substancji naturalnych. Jednak chemicznie diament i sadza są identyczne. Różne struktury pierwiastków lub związków nazywane są alotropami.