O estado sólido é um dos três estados físicos da matéria que, à diferença do estado líquido e do gasoso, se caracteriza por uma relativa ordenação espacial dos seus átomos numa estrutura a três dimensões (tridimensional).
Os corpos sólidos apresentam uma série de propriedades distintas dos líquidos e dos gases. É o caso de sua capacidade para suportar tensões, tanto no sentido paralelo como no perpendicular a uma das suas superfícies. A resistência oferecida a tais forças antes de chegar ao ponto de deformação ou ruptura depende, contudo, da natureza dos átomos que constituem a substância, bem como da forma como se ordenam e das forças de ligação que atuam no seu interior.
A passagem de uma substância para o estado sólido a partir do estado líquido ou gasoso acontece geralmente devido a um arrefecimento (diminuição da sua temperatura) ou devido a um aumento da pressão externa. A passagem do estado líquido ao sólido denomina-se solidificação ou cristalização, e a mudança inversa de estado recebe o nome de fusão. Ambos os processos envolvem uma variação intrínseca e idêntica de equilíbrio energético, constante para cada material e conhecida como calor de fusão. A passagem direta de sólido a gás, ou sublimação, realiza-se a baixas pressões.
Os sólidos podem ser divididos em duas categorias: Sólidos cristalinos e sólidos amorfos.
Num sólido cristalino, o arranjo dos átomos, moléculas ou iões é tal, que a soma das forças atrativas globais tem um valor máximo. Estes sólidos apresentam uma organização interna uniforme (Ver figura apresentada acima). Nestes sólidos, as unidades estruturais constituintes da matéria (átomos, moléculas ou iões) podem ligar-se através de ligações químicas.
No processo de solidificação dos sólidos cristalinos, os átomos ou moléculas fundamentais que os compõem se dispõem espacialmente numa forma geométrica ordenada. Os microcristais básicos, células componentes das redes cristalinas do sólido, assumem formas cúbicas, rômbicas, tetragonais, hexagonais ou prismáticas irregulares. O retículo espacial, ou rede, unidade do sistema de cristalização do sólido, repete-se indefinidamente nas três direções do espaço até alcançar as suas bordas exteriores. Dessa forma, ao fraturar-se um sólido de cristalização perfeita, deve reproduzir em cada um dos seus fragmentos a geometria do corpo no mesmo sistema cristalino.
Os átomos ou moléculas do cristal situam-se ou no vértice de cada retículo, ou no centro do retículo, ou ainda no centro de cada uma de suas faces. Essa disposição interna foi determinada mediante observação a partir da difração dos raios X, ou seja, do desvio sofrido pelos feixes dessa natureza que se fazem incidir sobre os sólidos.
A partir de uma perspetiva geral, distinguem-se quatro tipos de sólidos cristalinos:
(1) metais e ligas metálicas;
(2) cristais iónicos;
(3) cristais covalentes;
(4) cristais moleculares.
Os metais e ligas metálicas caracterizam-se principalmente por apresentarem elevada condutividade da eletricidade e do calor. Essas características explicam-se pela relativa liberdade de movimentos dos elétrões (partículas elementares de carga negativa) que ficam livres na rede ao se configurarem as ligações entre os átomos do metal.
Os cristais iónicos são agregados de iões: átomos ou moléculas que, durante transformações químicas, perderam ou capturaram eletrões e ficaram eletricamente carregados. Os iões positivos e negativos distribuem-se de forma intercalada, razão pela qual as ligações resultantes se fundamentam nas forças compensadas de atração eletrostática existente entre eles. A rede dos cristais iónicos constitui um sal cuja condutividade elétrica e calorífica normalmente aumenta de forma proporcional à temperatura.
Os cristais covalentes, como o diamante, o silício e o germânio, apresentam alta dureza e, frequentemente, brilho. Ao contrário dos cristais iónicos ou salinos, comportam-se em geral como isolantes elétricos devido à ausência parcial ou total de cargas elétricas na sua estrutura.
Os cristais moleculares são substâncias que procedem de fases gasosas de acentuada estabilidade (como o dióxido de carbono, por exemplo). Exemplos deste tipo de cristais são o hélio seco e o dióxido de carbono solidificado, as formas sólidas dos gases nobres e numerosos compostos orgânicos constituídos basicamente por átomos de carbono e hidrogénio.
Alguns cristais moleculares e covalentes, assim como certas ligas metálicas e sais iónicos, são substâncias isolantes, não-condutoras de corrente elétrica a baixas temperaturas. Ao aumentar-se a temperatura acima de certo valor, contudo, a sua condutividade aumenta sensivelmente. Esses materiais, que constituem intrinsecamente conectores e interruptores elétricos, em função da temperatura a que são submetidos, recebem o nome de semicondutores. Desde a segunda metade do século XX, estes materiais alcançaram importância transcendental na tecnologia eletrónica e cibernética.
Sólidos cristalinos
Uma explicação e alguns exemplos para melhor compreender o que são os sólidos covalentes, sólidos moleculares, sólidos iónicos e metais. Clica na imagem para ver a apresentação. Autores não identificados na apresentação. Apresentação adaptada para Explicatorium
A ausência de um padrão de cristalização caracteriza os chamados sólidos não-cristalinos ou amorfos. Entre eles destacam-se os plásticos, os vidros, os sabões, as parafinas e muitos outros compostos orgânicos e inorgânicos. A disposição interna dos componentes materiais dos sólidos amorfos é em grande parte aleatória, semelhante à dos líquidos, que mantêm fixas, contudo, as distâncias de suas ligações moleculares.
A propriedade mais destacada dos sólidos amorfos é a falta de um ponto fixo de fusão, de modo que sua passagem para o estado líquido se verifica ao longo de um intervalo de temperaturas durante o qual adoptam o chamado estado plástico. Algumas das aplicações dos vidros e dos materiais plásticos derivam de sua qualidade de serem facilmente moldáveis quando submetidos a aumentos de temperatura.