物質の種類は数えきれないほどありますが、すべて、極めて小さい原子が集合、結合したりして存在しております。固体物質とは、これら集合物の構成原子の相対的位置が固定されたものを意味します。液体、砂などは、原子間の相対的位置が固定されないものを意味します。このホームページでは固体物質を取り扱います。
物質の性質は、物質内の電子構造(電子がどのように分布して存在しているか、エネルギー的にみて動きやすいものであるかどうかなど)によって決まります。この電子構造は、物質構成原子およびその構造に深く依存しております。
構成元素から見た場合物質は下のように分類されます。
単体とは一種類の元素から構成されているもので、化合物とは2種類以上の元素から構成されているものをいいます。化合物構成元素組成が化学式で単純に示されるものを化学量論化合物といい、単純には示されないものを非化学量論化合物といいます。混合物とは2種類以上の純物質の混じりあったものを意味します。これら化合物組成は化学結合によって作られます。単体と化合物を総称して純物質といいます。純物質ではその固体物質構造は一意に決まります。しかし、合金およびアモルファスなどは固体物質構造は一意に決まりません。このような物質を純物質の混合物といいます。
物質の構成成分から見た固体物質
構造からみた場合物質は下のように分類されます。
原子間の相対的位置の固定は物質が形をもつことを意味します。多くの固体物質は規則正しい原子配列をもった結晶をつくり、それぞれ特有な結晶構造をもちます。ガラスなどは、規則正しい結晶構造というより不規則な原子配列を持ちます。このような物質を非晶質といいます。原子配列から見た固体純物質は結晶と非晶質に分類されます。多くの純物質は結晶をつくります。しかし、私たちが眼にふれる多くの物質は必ずしも規則正しい完全結晶とはなっておらず、欠陥転移、不純物の混入などがあります。
原子は現在分かっているだけで100種類以上あります。これら原子の組み合わせから考えられる固体物質の種類は膨大です。まして、混合物までも含めると、その数は無限と言えます。固体の性質を明らかにするための最小サイズは結晶および分子を基準にとります。これは単位結晶が物性の実現するための基本的条件が揃っているからです。非結晶の場合は最小サイズは明確に決まっておりません。多分、類似結晶の集積したものを基準として取り扱います。
ここでは、
物質の電子構造は構成原子の電子構造及び原子同士の結合で生じる化学結合の電子構造(伝導電子構造を含む)によってきまります。
という立場からのべます。物質構成元素と物質を形つくる化学結合がわかれば、物質のもつ幾何学的構造と電子構造との対応が理解できるからです。