Atom seviyesinde katıların üç temel yapısı vardır. Cam ve killerin molekülleri çok düzensizdir ve düzenlerinde tekrar eden bir yapı veya desen yoktur: bunlara amorf katılar denir. Metaller, alaşımlar ve tuzlar, silikon oksitler ve grafit ve elmas karbon formları dahil olmak üzere bazı metalik olmayan bileşiklerde olduğu gibi kafesler olarak bulunur. Kafesler, en küçüğüne birim hücre adı verilen tekrar eden birimlerden oluşur. Birim hücre, herhangi bir boyutta bir kafes makro yapısı oluşturmak için gereken tüm bilgileri taşır.
Kafes Yapısal Özellikleri
Tüm kafesler, düzenli aralıklarla yerinde tutulan kurucu atomları veya iyonları ile oldukça düzenli olmaları ile karakterize edilir. Metalik kafeslerdeki bağ elektrostatiktir, silikon oksitler, grafit ve elmastaki bağ ise kovalenttir. Tüm kafes tiplerinde, kurucu parçacıklar, enerji açısından en uygun konfigürasyonda düzenlenir.
Metalik Kafes Enerjisi
Metaller, bir denizde veya delokalize elektron bulutunda pozitif iyonlar olarak bulunur. Örneğin bakır, her bakır atomunun bu denize iki elektron bağışladığı bir elektron denizinde bakır (II) iyonları olarak bulunur. Kafese düzenini veren, metal iyonları ve elektronlar arasındaki elektrostatik enerjidir ve bu enerji olmadan katı buhar olacaktır. Metalik bir kafesin gücü, onu oluşturan atomlardan bir mol katı kafes oluştuğunda enerjideki değişim olan kafes enerjisi ile tanımlanır. Metalik bağlar çok güçlüdür, bu nedenle metaller yüksek erime sıcaklıklarına sahip olma eğilimindedir, erime katı kafesin parçalandığı noktadır.
Kovalent İnorganik Yapılar
Silikon dioksitveya silika, bir kovalent kafes örneğidir. Silikon dört değerlidir, yani dört kovalent bağ oluşturacaktır; silikada bu bağların her biri bir oksijene bağlıdır. Silisyum-oksijen bağı çok güçlüdür ve bu, silikayı yüksek erime noktasına sahip çok kararlı bir yapı yapar. Metalleri iyi elektriksel ve termal iletkenler yapan şey, metallerdeki serbest elektron denizidir. Silikalarda veya diğer kovalent kafeslerde serbest elektron yoktur, bu nedenle ısı veya elektriği zayıf iletirler. Zayıf iletken olan herhangi bir maddeye yalıtkan denir.
Farklı Kovalent Yapılar
Karbon, farklı kovalent yapılara sahip bir madde örneğidir. Kurum veya kömürde bulunan amorf karbonun tekrar eden bir yapısı yoktur. Kurşun kalemlerin uçlarında ve karbon fiber üretiminde kullanılan grafit, çok daha düzenli. Grafit, tek katmanlı kalınlıkta altıgen karbon atomu katmanlarından oluşur. Elmas, sert, inanılmaz derecede güçlü bir dört yüzlü kafes oluşturmak için karbon bağlarından oluşan daha da düzenlidir. Elmaslar aşırı ısı ve basınç altında oluşur ve elmas bilinen tüm doğal maddelerin en sertidir. Kimyasal olarak, elmas ve kurum aynıdır. Elementlerin veya bileşiklerin farklı yapılarına allotroplar denir.