På atomnivå har fasta ämnen tre grundläggande strukturer. Molekyler av glasögon och lera är mycket oroliga utan någon upprepande struktur eller mönster för deras arrangemang: dessa kallas amorfa fasta ämnen. Metaller, legeringar och salter finns som gitter, liksom vissa typer av icke-metalliska föreningar, inklusive kiseloxider och grafit- och diamantformerna av kol. Gitter består av upprepade enheter, varav den minsta kallas en enhetscell. Enhetscellen bär all information som behövs för att konstruera en gittermakrostruktur av vilken storlek som helst.
Gitterstrukturella egenskaper
Alla galler kännetecknas av att de är högt ordnade, med deras beståndsdelar atomer eller joner hålls på plats med jämna mellanrum. Bindningen i metallgaller är elektrostatisk, medan bindningen i kiseloxider, grafit och diamant är kovalent. I alla typer av galler är de ingående partiklarna anordnade i den mest energiskt gynnsamma konfigurationen.
Metallgitterenergi
Metaller finns som positiva joner i ett hav eller moln av avlokaliserade elektroner. Koppar existerar till exempel som kopparjoner (II) i ett hav av elektroner, där varje kopparatom har donerat två elektroner till detta hav. Det är den elektrostatiska energin mellan metalljoner och elektroner som ger gitteret sin ordning och utan denna energi skulle det fasta materialet vara en ånga. Styrkan hos ett metallgitter definieras av dess gitterenergi, vilket är förändringen i energi när en mol av ett fast gitter bildas från dess ingående atomer. Metallbindningar är mycket starka, varför metaller tenderar att ha höga smälttemperaturer, varvid smältning är den punkt vid vilken det fasta gitteret bryts ner.
Kovalenta oorganiska strukturer
Kiseldioxid, eller kiseldioxid, är ett exempel på ett kovalent gitter. Kisel är fyrvärt, vilket innebär att det kommer att bilda fyra kovalenta bindningar; i kiseldioxid är var och en av dessa bindningar till ett syre. Kisel-syrebindningen är mycket stark och detta gör kiseldioxid till en mycket stabil struktur med hög smältpunkt. Det är havet av fria elektroner i metaller som gör dem till goda elektriska och termiska ledare. Det finns inga fria elektroner i kiseldioxid eller andra kovalenta gitter, varför de är dåliga ledare för värme eller elektricitet. Varje ämne som är dålig ledare kallas en isolator.
Olika kovalenta strukturer
Kol är ett exempel på ett ämne som har olika kovalenta strukturer. Amorft kol, som finns i sot eller kol, har ingen upprepande struktur. Grafit, används i bly av blyertspennor och produktion av kolfiber, i mycket mer beställt. Grafit består av lager av sexkantiga kolatomer med tjocklek i ett lager. Diamond är ännu mer beställd, bestående av kolbindningar samman för att bilda ett styvt, otroligt starkt tetraedriskt gitter. Diamanter bildas under extrem värme och tryck och diamant är den svåraste av alla kända naturliga ämnen. Kemiskt är dock diamant och sot identiska. De olika strukturerna av element eller föreningar kallas allotroper.