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原子レベルでは、固体には3つの基本構造があります。ガラスと粘土の分子は非常に不規則で、その配列に繰り返し構造やパターンはありません。これらはアモルファス固体と呼ばれます。金属、合金、および塩は格子として存在し、酸化ケイ素、グラファイトおよびダイヤモンド形の炭素を含むいくつかのタイプの非金属化合物もそうです。格子は繰り返し単位で構成され、その最小単位は単位セルと呼ばれます。ユニットセルには、任意のサイズのラティスマクロ構造を構築するために必要なすべての情報が含まれています。
格子構造特性
すべての格子は、その構成原子またはイオンが一定の間隔で所定の位置に保持され、高度に秩序化されているという特徴があります。金属格子の結合は静電的ですが、酸化ケイ素、グラファイト、ダイヤモンドの結合は共有結合です。すべてのタイプの格子において、構成粒子は最もエネルギー的に好ましい構成で配置されます。
金属格子エネルギー
金属は、海または非局在化した電子の雲の中に陽イオンとして存在します。たとえば、銅は電子の海に銅（II）イオンとして存在し、各銅原子はこの海に2つの電子を提供しています。格子に秩序を与えるのは金属イオンと電子の間の静電エネルギーであり、このエネルギーがなければ固体は蒸気になります。金属格子の強度は、その格子エネルギーによって定義されます。これは、構成原子から1モルの固体格子が形成されるときのエネルギーの変化です。金属結合は非常に強いため、金属は融解温度が高くなる傾向があり、融解は固体格子が壊れるポイントです。
共有無機構造
二酸化ケイ素、またはシリカは、共有格子の例です。シリコンは4価です。つまり、4つの共有結合を形成します。シリカでは、これらの結合はそれぞれ酸素と結合しています。シリコンと酸素の結合は非常に強いため、シリカは非常に安定した構造で、融点が高くなります。優れた電気および熱伝導体を作るのは、金属中の自由電子の海です。シリカやその他の共有格子には自由電子が存在しないため、熱や電気の伝導体としては不十分です。質の悪い導体である物質は、絶縁体と呼ばれます。
異なる共有構造
炭素は、異なる共有構造を持つ物質の例です。すすまたは石炭に見られるアモルファスカーボンには、繰り返し構造がありません。鉛筆の芯や炭素繊維の生産に使用されるグラファイトは、はるかに秩序立っています。グラファイトは、1層厚の六角形炭素原子の層で構成されています。ダイヤモンドはさらに秩序があり、炭素結合で固くて非常に強い四面体格子を形成しています。ダイヤモンドは極端な熱と圧力の下で形成され、ダイヤモンドはすべての既知の天然物質の中で最も硬いです。化学的には、ダイヤモンドとすすは同一です。元素または化合物の異なる構造は同素体と呼ばれます。