Estado sólido: qué es, características, propiedades, ejemplos

¿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, dejando por fuera a 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 lo transportarán a otras direcciones; están fijos en el espacio definido por las interacciones intermoleculares de sus átomos, iones o moléculas.

Características de los sólidos

-Tienen masa, volumen y formas definidas. Un gas, por ejemplo, no tiene un fin ni un comienzo, debido a que estos dependen del recipiente que lo almacena.

-Son muy densos. Los sólidos tienden a ser más densos que los líquidos y gases; aunque hay algunas cuantas excepciones a la regla, en especial cuando se comparan líquidos y sólidos.

-Las distancias que separan sus partículas son cortas. Esto significa que se hayan muy cohesionados o compactados en su respectivo volumen.

-Sus interacciones intermoleculares son muy fuertes, pues de lo contrario no existirían como tal y se derretirían o sublimarían en las condiciones terrestres.

-La movilidad de los sólidos suele ser bastante limitada, no solo desde el punto de vista material, sino también molecular. Sus partículas se hallan confinadas en una posición fija, donde solo pueden vibrar, más no trasladarse ni rotar (en teoría).

Propiedades de los sólidos

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 por 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 la 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 sólidos

• Cloruro de sodio (NaCl), o sal común. Este 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. Este también es un cristal iónico.
• Sales. Las sales en general son sólidos cristalinos iónicos.
• Silicatos. Estos son los que más abundan en el planeta Tierra, estando compuestos por silicio y oxígeno. Son sólidos cristalinos iónicos.
• Hielo. Este es 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.
• Náilon. 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. (s.f.). Solid State Chemistry Lecture Notes. Recuperado de: unf.edu
3. General Characteristics of Solid State. Recuperado de: askiitians.com