На атомном уровне твердые тела имеют три основные структуры. Молекулы стекол и глин очень разупорядочены, без повторяющейся структуры или рисунка в их расположении: они называются аморфными твердыми телами. Металлы, сплавы и соли существуют в виде решеток, как и некоторые типы неметаллических соединений, включая оксиды кремния, а также графитовые и алмазные формы углерода. Решетки состоят из повторяющихся элементов, наименьшая из которых называется элементарной ячейкой. Элементарная ячейка несет всю информацию, необходимую для построения макроструктуры решетки любого заданного размера.
Структурные характеристики решетки
Все решетки характеризуются высокой степенью упорядоченности, при этом составляющие их атомы или ионы удерживаются на месте через равные промежутки времени. Связь в металлических решетках является электростатической, тогда как связь в оксидах кремния, графите и алмазе является ковалентной. Во всех типах решетки составляющие частицы расположены в наиболее энергетически выгодной конфигурации.
Энергия металлической решетки
Металлы существуют в виде положительных ионов в море или облаке делокализованных электронов. Медь, например, существует в виде ионов меди (II) в море электронов, причем каждый атом меди подарил этому морю два электрона. Именно электростатическая энергия между ионами металла и электронами придает решетке порядок, и без этой энергии твердое тело было бы паром. Прочность металлической решетки определяется ее энергией решетки, которая представляет собой изменение энергии, когда один моль твердой решетки образуется из составляющих ее атомов. Металлические связи очень прочные, поэтому металлы имеют тенденцию иметь высокие температуры плавления, причем плавление является точкой, в которой твердая решетка разрушается.
Ковалентные неорганические структуры
Диоксид кремния, или кремнезем, является примером ковалентной решетки. Кремний четырехвалентен, что означает, что он образует четыре ковалентные связи; в кремнеземе каждая из этих связей связана с кислородом. Связь кремний-кислород очень прочная, что делает кремнезем очень стабильной структурой с высокой температурой плавления. Это море свободных электронов в металлах, которые делают их хорошими проводниками электричества и тепла. В кремнеземах или других ковалентных решетках нет свободных электронов, поэтому они плохо проводят тепло или электричество. Любое вещество с плохой проводимостью называется изолятором.
Различные ковалентные структуры
Углерод является примером вещества, имеющего разные ковалентные структуры. Аморфный углерод, содержащийся в саже или угле, не имеет повторяющейся структуры. Графит, используемый в грифелях карандашей и производстве углеродного волокна, в гораздо большей степени упорядочен. Графит состоит из слоев гексагональных атомов углерода однослойной толщины. Алмаз еще более упорядочен, он состоит из углеродных связей, образующих жесткую, невероятно прочную тетраэдрическую решетку. Алмазы образуются при очень высокой температуре и давлении, а алмаз - самое твердое из всех известных природных веществ. Однако химически алмаз и сажа идентичны. Различные структуры элементов или соединений называются аллотропами.
