На атомному рівні тверді речовини мають три основні структури. Молекули склянок та глин дуже невпорядковані, не повторюючи структури або малюнка їх розташування: їх називають аморфними твердими речовинами. Метали, сплави та солі існують як решітки, як і деякі типи неметалічних сполук, включаючи оксиди кремнію та графітові та алмазні форми вуглецю. Решітки складаються з повторюваних одиниць, найменша з яких називається елементарною коміркою. Елементарна комірка несе всю інформацію, необхідну для побудови решіткової макроструктури будь-якого заданого розміру.
Структурні характеристики решітки
Усі решітки характеризуються високою впорядкованістю, а складові атоми або іони яких утримуються на місці через рівні проміжки часу. Зв'язок у металевих гратах є електростатичним, тоді як в оксидах кремнію, графіті та алмазі ковалентний. У всіх типах решіток складові частинки розташовані в найбільш енергетично вигідній конфігурації.
Енергія металевої решітки
Метали існують як позитивні іони в морі або хмарі делокалізованих електронів. Наприклад, мідь існує у вигляді іонів міді (II) у морі електронів, при цьому кожен атом міді віддав у це море два електрони. Саме електростатична енергія між іонами металів та електронами надає гратці порядок, і без цієї енергії тверда речовина була б парою. Міцність металевої решітки визначається енергією її решітки, тобто зміною енергії, коли один моль твердої решітки утворюється з входять до неї атомів. Металеві зв'язки дуже міцні, саме тому метали, як правило, мають високі температури плавлення, плавлення є точкою, при якій тверда решітка руйнується.
Ковалентні неорганічні структури
Діоксид кремнію, або діоксид кремнію, є прикладом ковалентної решітки. Кремній чотиривалентний, тобто він утворює чотири ковалентні зв’язки; в діоксиді кремнію кожен з цих зв’язків пов’язаний з киснем. Силіцій-кисневий зв’язок дуже міцний, і це робить діоксид кремнію дуже стабільною структурою з високою температурою плавлення. Саме море вільних електронів у металах робить їх хорошими електричними та тепловими провідниками. У кремнеземах та інших ковалентних гратках немає вільних електронів, тому вони є поганими провідниками тепла або електрики. Будь-яка речовина, яка є поганим провідником, називається ізолятором.
Різні ковалентні структури
Вуглець - приклад речовини, що має різні ковалентні структури. Аморфний вуглець, який міститься в сажі або вугіллі, не має повторюваної структури. Графіт, що використовується у відведеннях олівців та у виробництві вуглецевого волокна, значно впорядкований. Графіт містить шари гексагональних атомів вуглецю одношарової товщини. Алмаз ще більш упорядкований, включаючи вуглецеві зв’язки, утворюючи жорстку неймовірно міцну тетраедричну решітку. Алмази утворюються під сильним нагріванням і тиском, і алмаз є найтвердішим з усіх відомих природних речовин. Однак хімічно алмаз і сажа однакові. Різні структури елементів або сполук називаються алотропами.