Starea Solidă

1. Aspecte generale

Datorită unor interacţiuni puternice ce există între particulele componente, solidele se caracterizează prin formă şi volum propriu, spre deosebire de lichidele care au numai volum propriu şi de gaze la care nu apar niciuna din aceste caracteristici.

În stare solidă particulele componente sunt strâns unite între ele prin diferite tipuri de legături, care nu le permit deplasarea reciprocă, cu numai executarea unei mişcări de vibraţie şi uneori de rotaţie în jurul unor poziţii de echilibru.

Dacă temperatura corpului solid creşte, amplitudinea vibraţiilor particulelor creşte de asemenea şi la o anumită temperatură, caracteristica fiecărei substanţe solide, agitaţia termică devine atât de mare încat legaturile dintre particule se rup si determină schimbarea stării de agregare, apărând starea lichidă. Dacă în solid gradul de ordonare al particulelor componente este ridicat, schimbarea stării de agregare (topirea) apare brusc, la o temperatură anumită, numită punct de topire. Este cazul substanţelor solide cristaline. În timpul topirii, temperatura rămâne constantă, iar pentru puţină vreme faza solidă coexistă cu faza lichidă. Pentru substanţele pure, punctul de topire este egal cu punctul de solidificare.

Există corpuri solide în care particulele componente se găsesc într-o stare mai puţin ordonată, sau chiar într-o stare de dezordine avansată ; în acest cay apare starea amorfă (fără formă). Din această categorie fac parte sticla, răşinile, smoala, unele mase plastice etc. Substanţele amorfe sunt compuse din macromolecule sau macroioni, particule care nu se pot mişca uşor unele în raport cu altele. Sub influenţa căldurii substanţele amorfe nu se topesc la temperaturi caracteristice ci se înmoaie în prealabil, iar topirea apare pe un interval foarte larg de temperatură.

Deoarece în stare amorfă particulele componente se găsesc într-o stare dezordonată, asemănătoare celei lichide, substanţele amorfe se consideră ca “lichide subrăcite”, când particulele componente nu se mai bucură de mişcarea liberă, caracteristică stării lichide, ci sunt “îngheţate “ în poziţii întâmplătoare, dezordonate.

Marea majoritate a substanţelor solide se găsesc însă în stare cristalină, stare ce se caracterizează printr-o ordonare perfectă a particulelor componente; atomii, ionii sau moleculele componente sunt aranjate într-o formă regulată, în nodurile unei reţele spaţiale care alcătuieşte cristalul.

Cristalele se formează fie din lichide prin răcire sub punctul de topire, adică prin răcirea topiturilor, fie prin răcirea soluţiilor saturate sau prin evaporarea solventului dintr-o soluţie. Uneori se pot forma cristale directe din vapori prin răcire în mediul omogen (este cazul formării zăpezii) sau prin condensarea vaporilor pe suprafeţe reci (este cazul sublimării).

Forma ordonată a cristalelor este determinată de natura particulelor şi de forma de atracţie dintre particule.

Între starea amorfă şi cristalină există şi alte deosebiri : în timp ce prin acţiuni mecanice substanţele amorfe se sparg după suprafeţe neregulate la substanţele cristaline spargerea se produce după suprafeţe plane. De asemenea proprietăţile fizice ale substanţelor amorfe ca densitatea, dilatarea, indicele de refracţie, conductibilitatea termică şi electrică, rezistenţa mecanică, variază uniform (scalar) în toate direcţiile ; sunt medii izotrope. Aceleaşi proprietăţi pentru substanţele cristaline variază uniform (vectorial) cu direcţia ; sunt medii anizotrope. De exemplu, o sferă de sticlă încălzită, se dilată uniform în toate direcţiile, rămânând cu aceeaşi formă sferică ; este un caz de izotropism. Dacă însă se încălzeşte o sferă de cristal de stâncă, după dilatare dobândeşte o formă elipsoidală, deoarece dilatarea nu a fost aceeaşi în toate direcţiile ; este un caz de anizotropism. Substanţele amorfe sunt izotrope, iar substanţele cristaline, cu excepţia celor cristalizate în sistemul cubic, sunt anizotrope.

2. Noţiuni de cristalografie

Cristalografia este ştiinţa care se ocupă cu studiul cristalelor ; ea studiază forma exterioară, structura şi dezvoltarea cristalelor, precum şi proprietăţile fizice ale cristalelor. Un cristal se prezintă sub formă poliedrică, mărginită de feţe plane care se întretaie două câte două în muchii, iar muchiile se întâlnesc în vârfuri sau colţuri.

În mod normal, substanţele solide se găsesc în stare cristalină, adică, prezintă forme de împachetare si ordonare aproape perfectă, tridimensională a atomilor, ionilor sau moleculelor, rezultând corpuri omogene. Funcţie de condiţiile de formare a cristalelor, forma lor adică aşa numitul habitus de cristalizare, poate fi diferită, deoarece unele feţe se pot dezvolta mai mult decât altele. Unghiurile determinate de feţele cristalului (feţe plane) sunt totdeauna aceleaşi (constante) pentru toate cristalele care aparţin aceleaşi specii cristaline. Identitatea dintre două cristale se recunoaşte după unghiurile dintre feţele echivalente, acestea caracterizând un cristal.

Repetarea regulată în spaţiu a feţelor, muchiilor sau colţurilor unui cristal poartă numele de simetria externă a cristalului. Feţele, muchiile şi colţurile alcătuiesc elementele formei poliedrice, iar totalitatea unchiurilor şi distanţelor de la colţuri la feţe se numesc constante cristalografice.

Simetria unui cristal se pune în evidenţă prin operaţii de simetrie. Operaţiile de simetrie constau din mişcarea reală sau închipuită a cristalului în spaţiu, astfel încât în locul unei feţe să apară o altă faţă echivalentă cu prima, în raport cu un sistem de coordonate care trec prin cristal. Operaţia prin care se pune în evidenţă prezenţa exelor de simetrie este rotaţia.

Considerând un cristal hexagonal care se roteşte cu 60° în jurul unei axe ce trece prin două colţuri opuse ale sale, după rotaţie el rămâne identic cu el însuşi. Axa în jurul căreia s-a efectuat rotaţia este o axă de simetrie a cristalului, numită şi giră. Axa de simetrie de ordin n este o direcţie în cristal în jurul căreia rotind cristalul cu 360° revine de n ori într-o poziţie identică cu cea iniţială. Există axe de ordin 2 sau digire (rotirea s-a făcut cu 180°), de ordinul 3 sau trigire (120°), de ordin 4 sau tetragire (90°) şi de ordinul 6 sau hexagire (60°). Axa de simetrie de ordinul cel mai mare se numeşte axă principală de simetrie. Nu există axe de ordinul 5 sau 7.