Au niveau atomique, les solides ont trois structures de base. Les molécules des verres et des argiles sont très désordonnées, sans structure ou motif répété: on les appelle des solides amorphes. Les métaux, les alliages et les sels existent sous forme de réseaux, de même que certains types de composés non métalliques, y compris les oxydes de silicium et les formes de graphite et de diamant. Les treillis comprennent des unités récurrentes, la plus petite étant appelée cellule unitaire. La cellule unitaire contient toutes les informations nécessaires à la construction d'une macrostructure en treillis d'une taille donnée.
Caractéristiques structurelles du treillis
Tous les treillis sont caractérisés par leur ordre élevé, avec leurs atomes ou leurs ions constitutifs en place à intervalles réguliers. La liaison dans les réseaux métalliques est électrostatique, alors que la liaison dans les oxydes de silicium, le graphite et le diamant est covalente. Dans tous les types de réseau, les particules sont disposées dans la configuration la plus favorable énergétiquement.
Les métaux existent sous forme d'ions positifs dans une mer ou un nuage d'électrons délocalisés. Le cuivre, par exemple, existe sous forme d'ions cuivre (II) dans une mer d'électrons, chaque atome de cuivre ayant donné deux électrons à cette mer. C'est l'énergie électrostatique entre les ions métalliques et les électrons qui donne son ordre au réseau et sans cette énergie le solide serait une vapeur. La force d'un réseau métallique est définie par son énergie de réseau, qui est le changement d'énergie lorsqu'une mole d'un réseau solide est formée à partir de ses atomes constitutifs. Les liaisons métalliques sont très fortes, c'est pourquoi les métaux tendent à avoir des températures de fusion élevées, la fusion étant le point de rupture du réseau solide.
Structures inorganiques covalentes
Dioxyde de silicium, ou silice, est un exemple de réseau covalent. Le silicium est tétravalent, ce qui signifie qu'il va former quatre liaisons covalentes; dans la silice chacune de ces liaisons est à l'oxygène. La liaison silicium-oxygène est très forte, ce qui fait de la silice une structure très stable avec un point de fusion élevé. C'est la mer des électrons libres dans les métaux qui font d'eux de bons conducteurs électriques et thermiques. Il n'y a pas d'électrons libres dans les silices ou autres réseaux covalents, ce qui explique pourquoi ils sont de mauvais conducteurs de chaleur ou d'électricité. Toute substance qui est un mauvais conducteur est appelée un isolant.
Différentes structures covalentes
Le carbone est un exemple d'une substance qui a différentes structures covalentes. Le carbone amorphe, tel que trouvé dans la suie ou le charbon, n'a pas de structure répétitive. Le graphite, utilisé dans les fils de crayons et la production de fibre de carbone, est beaucoup plus ordonné. Le graphite comprend des couches d'atomes de carbone hexagonaux d'une épaisseur d'une couche. Le diamant est encore plus ordonné, comprenant des liaisons de carbone ensemble pour former un réseau tétraédrique rigide, incroyablement fort. Les diamants sont formés sous une chaleur et une pression extrêmes et le diamant est le plus dur de toutes les substances naturelles connues. Chimiquement, le diamant et la suie sont identiques. Les différentes structures d'éléments ou de composés sont appelés allotropes.
