ESTAT SÒLID: CARACTERÍSTIQUES, PROPIETATS, TIPUS, EXEMPLES - CIÈNCIA - 2025

L' estat sòlid és una de les formes principals en què la matèria s'agrega per crear cossos condensats o massissos. Tota l'escorça terrestre, deixant per fora als mars i oceans, és un conglomerat variat de sòlids. Exemples d'objectes en estat sòlid són un llibre, una pedra o grans de sorra.

Podem interaccionar amb els sòlids gràcies a la repulsió dels nostres electrons amb els dels seus àtoms o molècules. A diferència dels líquids i gasos, sempre que no siguin severament tòxics, les nostres mans no poden travessar-los, sinó esmicolar o absorbir-los.

L'estàtua de fusta d'aquest cavall està formada de polímers naturals fortament cohesionats. Font: Pxhere.

Els sòlids en general són molt més fàcils de manipular o emmagatzemar que un líquid o un gas. Llevat que les seves partícules estiguin finament dividides, un corrent de vent no ho transportaran a altres direccions; estan fixos en l'espai definit per les interaccions intermoleculars dels seus àtoms, ions o molècules.

Concepte de sòlid

El sòlid és un estat de la matèria en el qual es ha un volum i forma rígids; les partícules que formen els materials o objectes en estat sòlid estan fixes en un lloc, no són fàcilment comprimibles.

Aquest estat de la matèria és el més variat i ric pel que fa a la química i física. Tenim sòlids iònics, metàl·lics, atòmics, moleculars i covalents, cadascun amb la seva pròpia unitat estructural; és a dir, amb els seus propis vidres. Quan la seva manera d'agregació no els permet establir estructures internes ordenades, es tornen amorfs i intricats.

L'estudi de l'estat sòlid convergeix en el disseny i síntesi de nous materials. Per exemple, la fusta, un sòlid natural, s'ha utilitzat també com a material ornamental i per a la construcció d'habitatges.

Altres materials sòlids permeten la fabricació d'automòbils, avions, vaixells, naus espacials, reactors nuclears, articles esportius, bateries, catalitzadors i molts altres objectes o productes.

Característiques generals dels sòlids

Ressort i fusta, components d'una pinça, exemple de sòlid

Les característiques principals dels sòlids són:

-Tenen massa, volum i formes definides. Un gas, per exemple, no té una finalitat ni un començament, a causa que aquests depenen de l'recipient que el emmagatzema.

-Són molt densos. Els sòlids tendeixen a ser més densos que els líquids i gasos; encara que hi ha algunes quantes excepcions a la regla, especialment quan es comparen líquids i sòlids.

-Les distàncies que separen les seves partícules són curtes. Això vol dir que s'hagin molt cohesionats o compactats en el seu respectiu volum.

-Els seus interaccions intermoleculars són molt forts, ja que altrament no existirien com a tal i es fondrien o sublimarían en les condicions terrestres.

Diferències entre les partícules d'un sòlid, un líquid i un gas

-La mobilitat dels sòlids sol ser força limitada, no només des del punt de vista material, sinó també molecular. Les seves partícules es troben confinades en una posició fixa, on només poden vibrar, més no traslladar ni rotar (en teoria).

propietats

Punts de fusió

Tots els sòlids, llevat que es descomponguin en el procés, i sense importar que siguin o no bons conductors de la calor, poden passar a l'estat líquid a una determinada temperatura: el seu punt de fusió. Quan s'arriba a aquesta temperatura, les seves partícules finalment aconsegueixen fluir i escapar de les seves posicions fixes.

Aquest punt de fusió dependrà de la naturalesa de l'sòlid, les seves interaccions, la massa molar i l'energia reticular cristal·lina. Com a regla general, els sòlids iònics i les xarxes covalents (com el diamant i diòxid de silici) solen tenir els punts de fusió més alts; mentre que els sòlids moleculars, els més baixos.

A la següent imatge s'observa com una galleda de gel (estat sòlid) passa a estat líquid:

estequiometria

Gran part dels sòlids són moleculars, ja que es tracten de compostos les interaccions intermoleculars els permet cohesionar de tal manera. No obstant això, molts altres són iònics o parcialment iònics, de manera que les seves unitats no són molècules, sinó cel·les: un conjunt d'àtoms o ions disposats ordenadament.

És aquí on les fórmules de tals sòlids han de respectar la neutralitat de les càrregues, indicant la seva composició i relacions estequiomètriques. Per exemple, el sòlid la fórmula hipotètica és A ₂ B ₄ O ₂ assenyala que té la mateixa quantitat d'àtoms A que d'O (2: 2), mentre que posseeix el doble de nombre d'àtoms de B (2: 4).

Cal notar que els subíndexs de la fórmula A ₂ B ₄ O ₂ són sencers, la qual cosa demostra que es tracta d'un sòlid estequiomètric. La composició de molts sòlids ve descrita mitjançant aquestes fórmules. Les càrregues d'A, B i O han de sumar igual a zero, perquè en cas contrari hi hauria una càrrega positiva o negativa.

Per als sòlids és especialment útil saber interpretar les seves fórmules ja que, generalment, les composicions dels líquids i gasos són més simples.

defectes

Les estructures dels sòlids no són perfectes; presenten imperfeccions o defectes, per molt cristal·lines que puguin ser. Això no succeeix així amb els líquids ni tampoc amb els gasos. No hi ha regions de l'aigua líquida que per endavant pugui afirmar-se que estiguin "dislocades" respecte als seus voltants.

Tals defectes són responsables que els sòlids siguin durs i trencadissos, manifestin propietats com la piroelectricitat i piezoelectricitat, o deixin de tenir composicions definides; és a dir, que siguin sòlids no estequiomètrics (per exemple, A _0,4 B _1,3 O _0,5).

reactivitat

Els sòlids solen ser menys reactius que els líquids i gasos; però no per causes químiques, sinó a el fet que les seves estructures impedeixen que els reactius ataquin les partícules del seu interior, reaccionant primer amb les de la seva superfície. Per tant, les reaccions que involucren els sòlids solen ser més lentes; llevat que estiguin polvoritzats.

Quan un sòlid es troba en forma de pols, les seves partícules més petites disposen de major àrea o superfície per reaccionar. És per això que els sòlids fins solen etiquetar-se com reactius potencialment perillosos, ja que poden inflamar ràpidament, o reaccionar vigorosament en contacte amb altres substàncies o compostos.

Moltes vegades, els sòlids es dissolen en un mitjà de reacció per homogeneïtzar el sistema i portar a terme una síntesi amb major rendiment.

Físiques

A excepció de el punt de fusió i els defectes, el que s'ha dit fins ara correspon més a les propietats químiques dels sòlids que a les seves propietats físiques. La física dels materials està profundament centrada en com la llum, el so, els electrons i la calor interaccionen amb els sòlids, ja siguin cristal·lins, amorfs, moleculars, etc.

És aquí on entra el que es coneix per sòlids plàstics, elàstics, rígids, opacs, transparents, superconductors, fotoelèctrics, microporosos, ferromagnètics, aïllants o semiconductors.

En química, per exemple, interessen materials que no absorbeixin radiació ultraviolada ni la llum visible, ja que amb ells s'elaboren cel·les de mesura per als espectrofotòmetres UV-Vis. De la mateixa manera succeeix amb la radiació infraroja, quan es vol caracteritzar un compost mitjançant l'obtenció del seu espectre IR, o estudiar l'avanç d'una reacció.

L'estudi i manipulació de totes les propietats físiques dels sòlids requereix d'enorme dedicació, així com la seva síntesi i disseny escollint "peces" de construcció inorgàniques, biològiques, orgàniques o organometálicas, per a nous materials.

Tipus i exemples

A causa de que químicament hi ha diversos tipus de sòlids, es farà esment per separat d'exemples representatius per a cada un.

sòlids cristal·lins

D'una banda, es troben els sòlids cristal·lins. Aquests elements es caracteritzen perquè les molècules que els conformen estan configurades d'una mateixa forma, que es repeteix com un patró en tota l'extensió de l'vidre. Cada patró s'anomena cel·la unitària.

Els sòlids cristal·lins també es caracteritzen per tenir un punt de fusió definit; això significa que, donada la uniformitat de la disposició de les seves molècules, hi ha la mateixa distància entre cada cel·la unitària, la qual cosa permet que tota l'estructura es transformi de forma constant sota una mateixa temperatura.

Exemples de sòlids cristal·lins poden ser la sal i el sucre.

sòlids amorfs

Els sòlids amorfs es caracteritzen perquè la conformació de les seves molècules no respon a un patró, sinó que varia en tota la superfície.

Atès que no existeix aquest patró, el punt de fusió dels sòlids amorfs no és definit, a diferència d'en els cristal·lins, el que significa que es fon de forma gradual i sota diferents temperatures.

Exemples de sòlids amorfs poden ser vidre i la majoria dels plàstics.

iònics

Els sòlids iònics es caracteritzen per tenir cations i anions, els quals interaccionen entre si per atracció electrostàtica (enllaç iònic). Quan els ions són petits, les estructures resultants solen ser sempre cristal·lines (tenint en compte els seus defectes). Entre alguns sòlids iònics tenim:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^-), clorur de sodi

-MgO (Mg ²⁺ O ^2-), òxid de magnesi

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2-), carbonat de calci

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2-), sulfat de coure

-KF (K ⁺ F ^-), fluorur de potassi

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^-), clorur d'amoni

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2-), sulfur de zinc

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃, benzoat de ferro

Metálicos

Com el seu nom indica, es tracten de sòlids que posseeixen àtoms metàl·lics interaccionant mitjançant l'enllaç metàl·lic:

-Plata

-or

-Plomo

-Latón

-Bronze

-or blanc

-Peltre

-Aceros

-Duraluminio

Cal notar que els aliatges també compten com sòlids metàl·lics, evidentment.

atòmics

Els sòlids metàl·lics també són atòmics, ja que en teoria no hi ha enllaços covalents entre els àtoms metàl·lics (MM). No obstant això, els gasos nobles sí que compten en essència com a espècies atòmiques, ja que entre elles només predominen les forces dispersives de London.

Per tant, encara que no siguin sòlids d'altes aplicacions (i difícils d'obtenir), els gasos nobles cristal·litzats són exemples de sòlids atòmics; és a dir: heli, neó, argó, criptó, etc., sòlids.

Moleculars i polimèrics

Les molècules poden interaccionar mitjançant forces de Van der Walls, on juga un paper important les seves masses moleculars, moments dipolars, ponts d'hidrogen, estructures i geometries. Com més forts siguin tals interaccions, més probable serà que es presentin en forma de sòlid.

D'altra banda, el mateix raonament s'aplica per als polímers, que per les seves elevades masses moleculars mitjana gairebé sempre es tracten de sòlids, i diversos d'ells són amorfs; ja que, a les seves unitats polimèriques els resulta difícil disposar ordenadament per a crear vidres.

Així doncs, tenim entre alguns sòlids moleculars i polimèrics els següents:

-Hielo sec

-Sucre

-Yodo

-Àcid benzoic

-Acetamida

-Azufre ròmbic

-Àcid palmític

-Fullerenos

-Fósforo

-Cafeína

-Naftaleno

-Fusta i paper

-Seda

-Teflón

-Polietileno

-Kevlar

-Baquelita

-Cloruro de polivinil

-Poliestireno

-Polipropileno

-proteïnes

-Xocolata en barra

xarxes covalents

Finalment, tenim les xarxes covalents entre els sòlids més durs i de major punt de fusió. Alguns exemples són:

-Grafito

-Diamante

-Cuarzo

-Carburo de silici

-Nitruro de bor

-Fosfuro d'alumini

-Arseniuro de gal·li

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
3. Wikipedia. (2019). Solid-state chemistry. Recuperat de: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Solid-State Chemistry. ScienceDirect. Recuperat de: sciencedirect.com
5. Dr Michael Lufaso. (Sf). Solid State Chemistry Lecture Notes. Recuperat de: unf.edu
6. askIITians. (2019). General Characteristics of Solid State. Recuperat de: askiitians.com
7. David Wood. (2019). How Atoms & Molecules Form Solids: Patterns & Crystals. Study. Recuperat de: study.com