Твердое состояние вещества характеризуется высокой плотностью и практически отсутствием текучести. Основным признаком твердого состояния является регулярное расположение частиц, создающее определённую кристаллическую решётку. Кристаллы подразделяются на простые и сложные. Простые кристаллы формируются из атомов одного элемента (например, металлы), а сложные — из ионов или молекул различных веществ (например, соли или молекулярные кристаллы).
Кристаллические решётки классифицируются по типам узловых точек: атомные, ионные, молекулярные и металлические. Атомные решётки характерны для веществ с сильными ковалентными связями (например, алмаз), где каждая точка решётки — атом, соединённый с соседними прочными связями. Ионные решётки формируются ионами с противоположным зарядом, создавая электростатически стабильную структуру (например, NaCl). Молекулярные решётки образуются из нейтральных молекул, удерживаемых межмолекулярными взаимодействиями (например, лед, йод), что определяет низкую твердость и более низкие температуры плавления. Металлические решётки строятся из положительных ионов металлов в “облаке” свободных электронов, обеспечивая пластичность и электропроводность.
В отличие от кристаллических, аморфные твердые тела не обладают строгой периодичностью расположения частиц. Примерами аморфных веществ являются стекло, смолы, пластмассы. Они характеризуются неопределённой формой внутренней структуры, но сохраняют твердость. Аморфные материалы часто переходят в вязкопластическое состояние при нагревании, демонстрируя постепенное размягчение без чёткой точки плавления.
Плотность твердых тел обычно выше, чем у жидкостей и газов, что связано с близким расположением частиц. Твердость определяется прочностью межчастичных взаимодействий: ковалентные и ионные кристаллы демонстрируют высокую твердость, металлические — среднюю, молекулярные — низкую. Температура плавления тесно связана с типом связи: сильные ковалентные или ионные взаимодействия требуют высоких температур, тогда как слабые межмолекулярные силы — низких.
Теплопроводность и электропроводность зависят от природы частиц и их подвижности. Металлы обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью за счёт свободных электронов, тогда как молекулярные и ковалентные кристаллы почти не проводят электрический ток.
Твердые вещества демонстрируют разные механические характеристики. Хрупкость присуща ионным и ковалентным кристаллам, где нарушение кристаллической решётки ведет к разрушению. Пластичность характерна для металлов, где слои атомов могут смещаться относительно друг друга без разрушения кристалла. Эластичность зависит от способности частиц возвращаться в исходное положение после деформации, что особенно выражено в упругих ковалентных и металлических кристаллах.
Хотя диффузия в твердых телах происходит значительно медленнее, чем в жидкостях, она имеет важное значение в металлургии и материаловедении. Механизм диффузии включает вакуумные перемещения атомов, межкристаллическое движение и точечные дефекты решетки. Диффузионные процессы активируются при повышении температуры, что позволяет изменять свойства материала, например, закаливать или отпускать металлы.
Кристаллы не являются идеальными; в их структуре присутствуют точечные, линейные и поверхностные дефекты. Точечные дефекты включают вакансии, междоузлия и замещающие атомы. Линейные дефекты — это дислокации, которые определяют пластичность и прочность. Поверхностные дефекты возникают на границах зерен, влияя на механические и оптические свойства материала. Контролируемое введение дефектов позволяет создавать материалы с заданными характеристиками, включая сверхпроводники и специальные сплавы.
Переход из одного твердого состояния в другое при изменении температуры или давления называется полиморфизмом. Примеры включают графит и алмаз, или различные кристаллические формы карбоната кальция (кальцит и арагонит). Полиморфизм определяется особенностями кристаллической решётки и взаимным расположением частиц. Изучение фазовых переходов важно для кристаллографии, материаловедения и фармацевтики, где форма кристалла влияет на растворимость и биодоступность вещества.
Твердые вещества обладают определённой теплоёмкостью, зависящей от массы и природы частиц. Увеличение температуры вызывает колебания атомов в узлах решётки. При дальнейшем нагревании энергия колебаний может превышать силу связи, что приводит к плавлению. Феномен термического расширения также связан с увеличением амплитуды колебаний: большинство кристаллов увеличивается в объёме при нагревании, хотя существуют аномалии, как у льда, где объём уменьшается при повышении температуры до 0 °C.
Электронная структура твердых тел определяет их проводимость и оптические свойства. Металлы имеют свободные электроны в зоне проводимости, полупроводники — узкую запрещённую зону, диэлектрики — широкую запрещённую зону, что делает их практически непроводящими. Оптические свойства, такие как преломление, поглощение и прозрачность, зависят от взаимодействия электронов с электромагнитным излучением и структуры кристаллической решётки.