«Қатты» ұғымы заттың бізге белгілі төрт агрегаттық күйлерінің: газтәрізді (бу тәрізді), сұйық, қатты және плазмалық күйдің біріне қатысты айтылады. Алғашқы үшеуі үшін заттың пішіні мен көлемінің өзгерістері тән. «Қатты» ұғымына жиі ғылыми емес, тұрмыстық мағына береді. Мысалы, қатқан шайырды қатты денелерге жатқызады, шын мәнінде ол – аса сұйық және құрылымы бойынша қаттыға емес, сұйыққа жақын.
Тұрмыстық жіктеуге сәйкес қатты денелерге моно- және поликристалдармен қатар аморфты және шынытәрізді заттар, сондай-ақ полимерлер жатады (1.2-сурет).
1.2-сурет. Қатты денелердің түрлері. Жақшаның ішінде – байланыс энергиясы.
Аморфты денелерде атомдардың орналасуы толық реттелмеген. Бұл шынытәрізді қатты денелерге де тән. Егер балқытып, баяу суытса, онда кристобаллит кристалдары алынады, егер балқыманы тез суытса, онда силикат шынысы алынады. Әрбір екі кремний атомдарының арасында оттек атомы орналасады. Әрқайсысында алты кремний атомы бар үш сақина төрт кремний атомы бар екі және сегіз кремний атомы бар бір сақинаға айналады. Кристалда қатты дененің берілген фрагментінің құрылымы қатаң екенін көреміз. Мұндай фрагмент қарапайым кристалл ұяшық деп аталады (1.3-сурет).
Полимерлер – ұзындығы және молекулалық массасы әртүрлі көптеген молекулалардан тұратын органикалық қатты заттар. Поликристалдар – жеке, жиі өте ұсақ кристалдардың атомаралық және молекулааралық күштерімен біріккен біртұтас қатты денелер. Жеке кристалдар – дәндер әртүрлі бағытталады. Монокристалдар – ешқандай бөліну шекаралары жоқ жеке кристалдар. Монокристалдарға әртүрлі бағыттарда қасиеттерінің анизотропиясы (бірдей еместігі) тән. Бұл векторлық қасиеттерге: электр- және жылу өткізгіштік, жылулық ұлғаю, механикалық беріктік, еру жылдамдығы және т.б. қатысты. Кейбір скаляр қасиеттер (мысалы, жылу сыйымдылығы, тығыздық) бағытқа тәуелсіз. Поликристалдарда жеке дәндердің әртүрлі бағытталуы әр бағыттағы қасиеттердің орташа мәніне алып келеді, сондықтан поликристалл – изотропты.
1.3-сурет. Кремнезем (а) мен -ден жасалған шынының (б) кристалдық формасы - кристобаллиттің кристалдық құрылымдары
Қатты дене атомдары арасындағы химиялық байланыс типі бойынша да кристалдарды жіктеуге болады (1.4-сурет). Молекулалық кристалдарда атомдар ең әлсіз байланысқан. Мұндай кристалдардағы атомдар арасындағы байланыс Ван-дер-Ваальс күштері деп аталатын әлсіз электростатикалық күштер көмегімен түзіледі. Бұл күштердің пайда болуы көрші атомдардың диполь моментінің электр өрісінің әсерінен атомдарда дипольдік электр моментінің индукциялануымен анықталады. Ал оларда бастапқы момент атомда электрон орнының лезде өзгеруі нәтижесінде пайда болады. Ара қашықтық артқан сайын әсерлесу энергиясының тез азаюы байланыстың әлсіз екендігін көрсетеді. Сондықтан молекулалық кристалдардың балқу және қайнау температуралары төмен, тез сығылады. Мысалы: қатты асыл газдар және т.б. Сутектік байланыстармен байланысқан кристалдардың байланыс энергиясының мәндері жоғарырақ. Бір ғана электрон бар сутек атомы бір ғана химиялық байланыс түзуге қабілетті. Бірақ бұл кезде түзілетін оң зарядты қасындағы электртерістілігі жоғары атом өзіне тартып екінші байланыс түзуі мүмкін. Мұндай электртеріс атом оттек, фтор болуы мүмкін. Мысалы, (мұз). Мұз кристалдарында сутек атомы бір оттек атомына өз электроның беріп жұп электронды байланыс түзеді, бірақ жұбының құрамында тұрып, ол басқа оттек атомымен электростатикалық күшпен әсерлеседі. Сутектік байланыс қосылыстары полимерленгенде маңызды роль атқарады. Байланыс энергиясы жоғары келесі кристалдар – металдар. Металл моделі – бүкіл қатты денені толтырып тұрған электронды газға ендірілген ретті орналасқан металл иондары. Бұл жағдайда химиялық байланыс металл атомдарының иондық қалдықтары мен бос электрондар арасындағы электростатикалық әсерлесумен анықталады. Бұл модель Друде теориясының негізін құрайды. Бұл теория бойынша валентті электрондар немесе олардың бір бөлігі делокализацияланған, яғни металл атомдарымен абсолютті байланыспаған. Егер осындай қатты денеге сырттан электр өрісімен әсер етсе, онда делокализацияланған электрондар кристалда еркін қозғала бастайды да, электр тогын туғызады. Мұндай электрондар өткізгіштік электрондары деп аталады. Друде теориясы осылайша металдардың жоғары электр- және жылу өткізгіштігін түсіндіреді. Көптеген бейметалл қатты денелерге ковалентті немесе гомеополюсты байланыс тән. Мұнда электрондар жұбы екі атомға да жатады. Нәтижесінде кеңістікте осы екі атомдар арасында электр зарядының тығыздығы жоғары болады. Мысалы, сутек молекуласы. Ковалентті байланысқан қатты денелерге көптеген органикалық қосылыстар, галоген, азот, сутек және өттек атомдар жұбы арасында байланыс бар заттар, топ атомдарынан тұратын заттар (алмаз, германий, кремний), топ (пішінсізденген ), топ ( ) және т.б. Жақын көршілер саны координациялық сан деп аталады. Коваленттіден басқа бейметалл кристалдар ионды химиялық байланысқан. Мұндай байланыс қарама-қарсы зарядталған иондар әсерлескенде түзіледі. Мысалы, кристалы. Электрон -дан -ға ауысады. Нәтіжесінде және пайда болады. Идеал ионды заттарға сілтілік металдардың галогенидтері жатады, оларда да иондық дәрежесі 70-90%.
1.4-сурет. Химиялық байланыс түрлерінде атомдардың әрекеттесу сызбанұсқалары мен әртипті байланыстары бар заттарға мысалдар:
а – иондық байланыс; б – металдық байланыс; в – молекулалық байланыс;
г – ковалентті байланыс.
Демек, көптеген бейметалл кристалдар аралас химиялық байланыс тән. Бұл байланыс – зарядтардың иондық және ковалентті конфигурациялары арасындағы резонанс нәтижесі. Кристалл қатты денелерде ең типті байланыс түрі – аралас.
Қабатты кристалдарда атомдар қабатпен орналасады. Мысалы, графит. Оларда химиялық байланысты валентті электрондар жүзеге асырады, бірақ қабат ішінде және қабаттар арасында әртүрлі: қабаттар арасында байланыс әлсіз – ван-дер-ваальс, қабат ішінде – жай ковалентті байланыс. Қабаттар арасындағы байланыстың «әлсіздігі» төмен беріктікті және құрылымның «қабыршақтығын» анықтайды. Қабатты қатты денелерге және т.б. жатады (1.5-сурет).
Сонымен, химиялық байланыстың кез келген түрі атомдар арасындағы тартылу және тебілу күштерінің ара қатынасын көрсетеді. Әрекеттесуші атомдардың толық потенциалды энергиясы: , мұндағы бірінші қосынды – тартылу энергиясы, екінші – тебілу энергиясы, - атомдар ара қашықтығы, - коэффициенттер, - тән мәндер (1.6-сурет).
1.5-сурет. Графиттің қабатты құрылымы
1.6-сурет. Энергияның атомаралық қашықтыққа тәуелділігі