Твердые вещества

При обычных условиях в твердом состоянии находятся почти все вещества с металлическими и ионными связями и много веществ с ковалентными связями. Твердые вещества имеют форму и объем, сжимаемость их чрезвычайно мала (при очень высоких давлениях возможны превращения веществ, например: графита в алмаз). Твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом состояниях (некоторые существуют в обоих состояниях, например: природные минералы оксида кремния SiO₂ - кристаллический кварц и аморфный кремень).

Аморфные вещества не имеют строго упорядоченной структуры. При раскалывании таких веществ излом их оказывается гладким, не имеющим признаков кристаллов. Некоторые из них очень медленно текут (при длительном сроке службы оконные стекла становятся внизу толще, чем в верхней части). В аморфном состоянии могут находиться простые вещества (Si, Se, Ag), оксиды (SiO₂, B₂O₃, GeO₂), сульфаты, карбонаты, многие полимеры, смолы. Некоторые вещества могут находиться только в аморфном состоянии, другие получают в этом состоянии под действием высокого давления или сверхбыстрым охлаждением расплавов (например, металлические стекла).

Аморфные вещества изотропны, т.е. имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Не имеют определенной температуры плавления (плавятся в некотором интервале температур).

Кристаллические вещества (их большинство) имеют строго упорядоченную структуру, определенную геометрическую форму. На изломе заметны грани кристаллов. Строение кристалла изображается в виде решетки (каркаса), в узлах которой находятся те или иные частицы. Тип решетки определяется природой частиц и видом связи между ними. Частицы размещаются в решетке так, чтобы энергия системы была минимальной.

Для одиночных монокристаллов характерна анизотропия - зависимость физических свойств (таких, как механическая прочность, тепло- и электропроводность, преломление света) от направления. Реальные вещества, состоящие из множества монокристаллов, (поликристаллические) изотропны. Кристаллические вещества плавятся при определенной температуре (Т плавления).

Некоторые вещества близкой химической природы образуют одинаковые кристаллы. Такие вещества называются изоморфными. В природе часто встречаются смешанные кристаллы. В них частицы могут замещать друг друга, например: Mg²⁺ и Ca²⁺ в карбонатах и силикатах кальция и магния; K⁺ и Rb⁺ , Al³⁺ и Cr³⁺ в квасцах KAl(SO₄)₂ ^. 12 H₂O . При замещении части Al³⁺ в корунде Al₂O₃ на Cr³⁺ прозрачные бесцветные кристаллы становятся красными (рубины), на Ti³⁺ и Fe³⁺ - синими (сапфиры).

Многие соединения могут существовать в нескольких кристаллических структурах (например, SiO₂ в виде кварца, тридимита и кристобалита - кристаллов разной формы). Это явление - полиморфизм. Полиморфные видоизменения у простых веществ называются аллотропными, например: углерод может существовать в виде алмаза, графита, карбина (черный порошок, менее плотный, чем графит), фуллерена (синтетические сферические структуры из 60, 70, 84 и более атомов).

Существуют особые кристаллические вещества - клатраты (соединения включения). Они образованы включением молекул-"гостей" в полости кристаллов-"хозяев", например: в газовых гидратах в полостях кристаллов льда могут находиться молекулы азота N₂, кислорода O₂, углекислого газа CO₂, хлора Cl₂,брома Br₂, аргона Ar, сероводорода H₂S, метана CH₄, этилена C₂H₄ и других газов.

Разновидность клатратов - интеркаляты (слоистые соединения). Например, в кристаллах графита в пространство между его плоскими слоями, образованными атомами углерода, могут внедряться атомы других элементов (фтора, щелочных металлов), ионы или молекулы, в результате чего меняются свойства графита (увеличивается электрическая проводимость).

Строение кристаллов и его связь со свойствами веществ детально изучают науки кристаллография и кристаллохимия.