Estado sólido

¿Qué es el estado sólido?

El estado sólido es una de las formas principales en las que la materia se agrega para crear cuerpos condensados o macizos. Toda la corteza terrestre, exceptuando los mares y océanos, es un conglomerado variopinto de sólidos. Ejemplos de objetos en estado sólido son un libro, una piedra o granos de arena.

Podemos interaccionar con los sólidos gracias a la repulsión de nuestros electrones con los de sus átomos o moléculas. A diferencia de los líquidos y gases, siempre y cuando no sean severamente tóxicos, nuestras manos no pueden atravesarlos, sino desmenuzarlos o absorberlos.

Los sólidos por lo general son mucho más fáciles de manipular o almacenar que un líquido o un gas. A menos que sus partículas estén finamente divididas, una corriente de viento no los transportará a otras direcciones; están fijos en el espacio definido por las interacciones intermoleculares de sus átomos, iones o moléculas.

Características del estado sólido

– Forma y volumen definidos. Los sólidos mantienen su forma y volumen sin necesidad de un recipiente que los contenga. Esto ocurre porque las partículas (átomos, iones o moléculas) están muy próximas y unidas por fuerzas de cohesión fuertes.

– Organización de las partículas. Sus partículas están dispuestas en una estructura ordenada, que puede ser cristalina: con un patrón regular y repetitivo (ej. sal, diamante), o amorfa: sin un orden definido (ej. vidrio, plástico).

– Escasa movilidad de las partículas. Las partículas no se desplazan libremente, solo vibran en posiciones fijas, lo que le da rigidez al sólido.

– Alta densidad y dureza. La mayoría de los sólidos tienen mayor densidad que los líquidos y gases. Pueden ser duros o blandos, dependiendo de la fuerza de unión entre sus partículas.

– Incompresibilidad. Los sólidos son prácticamente incompresibles, ya que sus partículas están muy juntas y no hay espacio vacío entre ellas.

– Propiedades mecánicas. Pueden presentar elasticidad, fragilidad, dureza, ductilidad y maleabilidad, según su naturaleza. Por ejemplo, los metales son maleables y dúctiles, mientras que el vidrio es frágil.

– Punto de fusión definido. En los sólidos cristalinos, existe un punto de fusión fijo, es decir, la temperatura exacta a la cual cambian de sólido a líquido. En los amorfos no hay un punto fijo, sino un rango de temperaturas.

Propiedades de los materiales en estado sólido

• Puntos de fusión. Todos los sólidos, a menos que se descompongan en el proceso, y sin importar que sean o no buenos conductores del calor, pueden pasar al estado líquido a una determinada temperatura: su punto de fusión. Cuando se alcanza esta temperatura, sus partículas finalmente logran fluir y escapar de sus posiciones fijas. Este punto de fusión dependerá de la naturaleza del sólido, sus interacciones, la masa molar y la energía reticular cristalina. Como regla general, los sólidos iónicos y las redes covalentes (como el diamante y dióxido de silicio) suelen tener los puntos de fusión más altos, mientras que los sólidos moleculares, los más bajos. En la siguiente imagen se observa cómo un cubo de hielo (estado sólido) pasa a estado líquido:

• Estequiometría. Gran parte de los sólidos son moleculares, pues se tratan de compuestos cuyas interacciones intermoleculares les permite cohesionar de tal modo. Sin embargo, otros muchos son iónicos o parcialmente iónicos, por lo que sus unidades no son moléculas, sino celdas: un conjunto de átomos o iones dispuestos ordenadamente. Es aquí donde las fórmulas de tales sólidos deben respetar la neutralidad de las cargas, indicando su composición y relaciones estequiométricas. Por ejemplo, el sólido cuya fórmula hipotética es A₂B₄O₂ señala que tiene la misma cantidad de átomos A que de O (2:2), mientras que posee el doble de número de átomos de B (2:4). Nótese que los subíndices de la fórmula A₂B₄O₂ son enteros, lo cual demuestra que se trata de un sólido estequiométrico. La composición de muchos sólidos viene descrita mediante estas fórmulas. Las cargas de A, B y O deben sumar igual a cero, porque de lo contrario habría una carga positiva o negativa. Para los sólidos es especialmente útil saber interpretar sus fórmulas, ya que, generalmente, las composiciones de los líquidos y gases son más simples.
• Defectos. Las estructuras de los sólidos no son perfectas; presentan imperfecciones o defectos, por muy cristalinas que puedan ser. Esto no sucede así con los líquidos ni tampoco con los gases. No hay regiones del agua líquida que de antemano pueda afirmarse que estén “dislocadas” respecto a sus alrededores. Tales defectos son responsables de que los sólidos sean duros y quebradizos, manifiesten propiedades como la piroelectricidad y piezoelectricidad, o dejen de tener composiciones definidas; es decir, que sean sólidos no estequiométricos (por ejemplo, A_0,4B_1,3O_0,5).
• Reactividad. Los sólidos suelen ser menos reactivos que los líquidos y gases; pero no debido a causas químicas, sino al hecho de que sus estructuras impiden que los reactivos ataquen las partículas de su interior, reaccionando primero con las de su superficie. Por lo tanto, las reacciones que involucran los sólidos suelen ser más lentas, a menos que estén pulverizados. Cuando un sólido se halla en forma de polvo, sus partículas más pequeñas disponen de mayor área o superficie para reaccionar. Es por eso que los sólidos finos suelen etiquetarse como reactivos potencialmente peligrosos, ya que pueden inflamarse rápidamente, o reaccionar vigorosamente en contacto con otras sustancias o compuestos. Muchas veces, los sólidos se disuelven en un medio de reacción para homogeneizar el sistema y llevar a cabo una síntesis con mayor rendimiento.
• Físicas. A excepción del punto de fusión y los defectos, lo dicho hasta ahora corresponde más a las propiedades químicas de los sólidos que a sus propiedades físicas. La física de los materiales está profundamente centrada en cómo la luz, el sonido, los electrones y el calor interaccionan con los sólidos, ya sean cristalinos, amorfos, moleculares, etc. Es aquí donde entra lo que se conoce como sólidos plásticos, elásticos, rígidos, opacos, transparentes, superconductores, fotoeléctricos, microporosos, ferromagnéticos, aislantes o semiconductores. En química, por ejemplo, interesan materiales que no absorban radiación ultravioleta ni luz visible, pues con ellos se elaboran celdas de medición para los espectrofotómetros UV-Vis. De igual modo sucede con la radiación infrarroja, cuando se quiere caracterizar un compuesto mediante la obtención de su espectro IR, o estudiar el avance de una reacción. El estudio y manipulación de todas las propiedades físicas de los sólidos requiere de enorme dedicación, así como su síntesis y diseño, escogiendo “piezas” de construcción inorgánicas, biológicas, orgánicas u organometálicas, para nuevos materiales.

Ejemplos de materiales en estado sólido

• Cloruro de sodio (NaCl), o sal común. Es un sólido cristalino de tipo iónico, lo que quiere decir que tiene un ion con carga negativa y uno con carga positiva.
• Óxido alumínico (Al2O3), es un material cerámico que se emplea en esmaltes y arcillas. Es un sólido cristalino iónico.
• Cloruro de bario (BaCl2), es una sal tóxica, soluble en el agua. También es un cristal iónico.
• Sales. Las sales en general son sólidos cristalinos iónicos.
• Silicatos. Estos son los que más abundan en el planeta, estando compuestos por silicio y oxígeno. Son sólidos cristalinos iónicos.
• Hielo. Un ejemplo de sólido cristalino de tipo molecular.
• Azúcar (C12H22011). Al igual que el hielo, se trata de un sólido cristalino y molecular, el cual se puede disolver en el agua.
• Ácido benzoico. Sólido cristalino molecular.
• Diamante. Esta piedra preciosa es un ejemplo de sólido cristalino de red covalente.
• Amatista. Al igual que el diamante, la amatista es un cristal covalente.
• Esmeralda. Sólido cristalino de red covalente.
• Zafiro. Sólido cristalino de red covalente.
• Rubí. Es un cristal covalente.
• Grafito. Sólido cristalino covalente.
• Cuarzo. Sólido cristalino covalente.
• Litio (Li). Sólido cristalino metálico.
• Calcio (Ca). Sólido cristalino metálico.
• Sodio (Na). Sólido cristalino metálico.
• Polipropileno. Sólido de tipo amorfo.
• Nailon. Sólido amorfo.
• Vidrio. Sólido amorfo.
• Caucho. Sólido amorfo.
• Gel. Sólido de tipo amorfo.
• Plástico. Sólido amorfo.
• Cera. Sólido amorfo.
• Polietileno. Sólido amorfo.
• Silicona. Sólido amorfo.
• Alquitrán. Sólido amorfo. 
• Algodón de azúcar. Sólido amorfo.

Referencias

1. Solid-state chemistry. Recuperado de en.wikipedia.org.
2. Dr. Michael Lufaso. Solid State Chemistry Lecture Notes. Recuperado de unf.edu.
3. General Characteristics of Solid State. Recuperado de askiitians.com.