固体

固体是物质三种状态中能量最低的一种。在固体内部，原子连接在一起，从而具有了固定的形状。

固体无处不在。地面是坚实的，建筑物是坚实的，鞋子是坚实的，这本书也是坚实的。根据动力学理论，固体中的原子一直在运动。然而，固体中的原子又是“固定的”，这就是它们会形成固定形状的原因——固体分子不像液体或气体分子那样四处移动，而是围绕一个中心位置来回振动。

固体的性质与其粒子排列方式有关。由于固体中的粒子紧紧地结合在一起，因此固体有一定的体积和形状。与液体或气体不同的是，固体的体积和形状不会因温度或压力的变化而发生很大的变化。

最常见的固体类型为晶态固体，它们被简单地称为“晶体”。晶体由高度有序、重复排列的原子组成。这种重复排列的结构被称为“晶格”。

食盐、糖、浴盐和雪都是日常生活中常见的晶体。几乎所有的宝石都是晶体。

每个晶体都有特定的晶格。晶体的许多属性，如它的硬度，是由晶格的排列方式决定的。组成晶体的最小的重复结构单元被称为“单位晶胞”，简称“晶胞”。晶格是由许多以固定模式连接在一起的晶胞构成的。

科学词汇

无定形： 缺乏确定的结构或形状。

晶体： 由有规则的原子重复排列组成的固体。

溶液： 将各种物质混合均匀的混合物。

过冷液体： 一种非常黏稠的液体，流动非常缓慢，可以保持固体的形状。

晶格在三维平面上有七大晶系，分别为三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、立方晶系、三方晶系和六方晶系。

天然的固体

晶体在自然界很常见。大多数固体是晶体。人们最熟悉的晶体也许就是岩石中的矿物质。在自然界，晶体是从熔化的岩石或饱和的水溶液中生长出来的。有些晶体可以长得非常大。人们已经发现了一种单晶体，它有房子那么大，重达数吨。晶体生长时，通常会长成与晶胞相同的形状。

例如，黄铁矿也被称为“愚人金”，它是一种闪亮的金色晶体，它的晶胞是立方体形状的，黄铁矿晶体也是立方体形状的；翡翠晶体的晶胞是六边形的，翡翠通常也是六边形的。

当晶体破裂时，它们往往沿着晶胞之间的连接破裂。所以，晶体往往会分裂成特定的形状。许多矿物质看起来很相似。地质学家鉴别矿物的方法之一是观察其晶体的破碎方式。

无定形固体

“amorphous”这个词的意思是“没有形状的”，指没有确定的形状，但可以有多种形状的物体。有些固体是无定形固体，它们没有排列有序的晶格。常见的无定形固体是塑料和橡胶。

由于没有晶格结构，无定形固体的性质与晶体不同。例如，大多数晶体是坚硬的，被击中时很容易破碎。破碎的晶体碎片也具有同样的形状。但无定形固体往往具有弹性，破碎时碎片的形状和大小都不一样。

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盐的晶体

构成晶体的最基本的几何单元被称为“晶胞”。这些晶胞结合在一起形成一个更大的重复排列的空间结构，被称为“晶格”。晶体可以被分解成更小的部分，但是每个部分都有重复的单元结构。

1　在深色的表面撒一些食盐。用放大镜观察它们。它们是什么形状的？

2　在深色的表面撒一些岩盐。用放大镜观察它们，比较岩盐晶体和食盐晶体的形状。

3　用锤子敲碎一个岩盐晶体。用放大镜观察它们。它们现在看起来怎么样？你应该看到所有的盐都呈相同的立方体形状。

在晶格中的3 种晶胞

六边形晶胞（1）由14 个原子排列成八面体，其中两个面是六边形。立方体晶胞（2）有6 个正方形面，可以包含8、9 或14 个原子（如图所示）。菱形晶胞（3）有8 个原子，组成6个面，每个面都是菱形。有些无定形固体，如玻璃，实际上是过冷液体——它们不是固体，而是非常黏稠的液体。这些液体非常黏稠，无法流动，可以像固体一样保持形状，但也可以像其他液体那样形成任何形状。

当无定形固体受热时，它们是过冷液体的性质就会表现出来。晶体有固定的熔点，当达到熔点时，整个晶体很快就会变成液体。当无定形固体受热时，它们会变软，在最终熔化之前可能会流动成不同的形状。

结合成固体

气体和液体的物理性质可以用分子间力来解释。固体的物理性质也可以用分子间力来解释。这些性质包括硬度、导电能力和熔点，每一个性质都取决于将固体黏合在一起的分子间力的强弱。

金属固体

金属固体很常见。元素周期表中约3/4的元素是金属元素。金属元素的原子中能成键的价电子通常很少。价电子是那些位于原子最外电子壳层上的电子。这些是化学键中的电子。当金属原子形成晶格时，价电子就会脱离原子，在固体中自由移动。自由电子就像胶水一样把金属原子“粘”在一起。电子可以沿着一个方向流动，形成电流。金属是优良的导体，不仅能导电，还能导热。

分子的模式

晶体中的分子以有序的方式排列在一起。无定形固体的分子以随机的方式排列。

金属还有另外两个特性：展性和延性。具有展性的材料可以被击打成薄板，具有延性的材料可被拉成线。这两种特性都与自由电子将金属原子“粘”在一起有关。

合金

金属的用途很广。它们很坚固，可以被塑造成各种形状。金属可以制造各种各样的物体，包括汽车、工具、电线和珠宝等。一种纯金属可能不具备某一方面的特性，如可能太软或展性不强。使金属用途更广泛的一种方法是把它和其他金属混合，制成合金。黄铜是铜和锌的合金。有些合金中也含有非金属，如钢是铁和其他几种金属的合金，但其中也含有少量的碳。

分子固体

许多固体是由分子构成的。大多数分子固体是化合物。分子固体是由分子间力黏合而成的。一般来说，分子固体是软的，熔点较低。这是因为它们的分子间力较弱。大多数分子固体的导电性或导热性不好。

离子固体

有些化合物是由离子形成的。离子是在化学反应中失去或获得电子的原子。失去电子的离子带正电荷，得到电子的离子带负电荷。异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥。固体中的离子被另一个带相反电荷的离子吸引。正是这种吸引力将离子结合在一起形成离子固体。然而，这些离子也排斥带有相同电荷的离子。

离子固体都是晶体。离子排列在晶格中。在晶格内部，带相反电荷的离子尽可能地靠在一起，带相同电荷的离子之间的距离越远越好。离子固体很坚硬，这与它们的晶格有关。由于离子键很强，因此离子固体有很高的熔点，通常比分子固体的熔点高得多。离子固体是不良导体，因为离子不能移动。

最简单的离子固体由两个离子组成，一个带正电荷，另一个带负电荷。例如，食盐（氯化钠）有一个带正电荷的钠离子和一个带负电荷的氯离子。

坚硬的固体

有些固体的原子以共价键紧密相连。原子共用它们的价电子时，就会形成共价键。

许多固体是通过共价键结合的，其中有一些是晶体。共价键把所有的原子连接起来形成晶格。晶格是一种非常坚固的结构，很难被破坏。这种类型的固体被称为“共价晶格固体”。钻石就是一种共价晶格固体。共价晶格固体的熔点很高。

类金属

类金属元素是具有金属的某些性质和非金属的某些性质的一组元素。硅和砷就是类金属元素。类金属的一个特性是可以导电，但它们只有在特定的条件下才能导电。因此，这些材料被称为“半导体”。从20 世纪60 年代开始，半导体就变得很重要。晶体管等电子设备中用半导体来控制电路中的电流。随着电子学的发展，小型计算机、移动电话和类似的机器被制造了出来。

黄金

黄金和其他贵金属的纯度是以克拉为单位衡量的。黄金是24 克拉的。珠宝很少用纯金做，因为黄金非常柔软，很容易凹陷或弯曲。为了提高硬度，大多数珠宝是由黄金、铜和其他金属的合金制成的。通常以18 克拉、12 克拉等克拉数来表示珠宝中的含金量。24 克拉表示珠宝含有100%的黄金。18 克拉表示珠宝含有75%的黄金，而12 克拉的珠宝只含有50%的黄金。这两个百分比分别由下式得出：

（18÷24）×100%=75%

（12÷24）×100%=50%

食盐

食盐是很常见的固体，由钠离子和氯离子的立方晶格结构组成。

半导体形成共价晶格固体。原子排列成晶格。在纯半导体中，所有的原子之间形成共价键的电子数量刚好合适。然而，电子只是被松散地固定在这些共价键中，有一些电子能够摆脱共价键的束缚，并能在固体中移动。逃脱的电子留下的空穴也可以移动。这些空穴就像可移动的正电荷。

科学词汇

化合物： 在化学反应中由两种或两种以上元素的原子结合形成的纯净物。

离子： 失去或获得电子的原子。离子带正电荷或负电荷。

分子： 由两个或两个以上原子结合而成的一组粒子，是保持物质特有化学性质的最小微粒。

我们也可以通过添加其他元素的原子来控制半导体的导电方式。这个过程被称为“掺杂”。掺杂是指用一种其他元素的原子来填充类金属原子晶格中的间隙。例如，纯硅的导电率很低，但如果将磷掺杂到硅中，磷原子的5 个电子中的4 个就会与硅原子结合，而第5 个电子是自由的，没有与硅原子结合。这个自由电子能够在固体中移动并传导电流。

膨胀

从液体到固体的变化过程叫作“凝固”，从固体到液体的变化过程叫作“熔化”。固体在熔化之前，会受热膨胀。当固体变得更热时，里面的原子振动得更厉害，原子之间的距离也会增加，从而导致整个固体膨胀。晶体和分子固体受热后，只会轻微膨胀。一般来说，金属受热膨胀得最厉害。

固体升华为气体

有些固体受热后并不熔化。相反，它们直接从固体变成气体，这个过程被称为“升华”。蒸发是液体变成气体的过程。在这个过程中，原子或分子彼此分离，并独立移动。在某些情况下，固体中的分子有足够的能量以同样的方式变成气体。分子固体最有可能升华。由于它们的分子间力较弱，因此单个分子更容易挣脱并形成气体。碘是一种闪亮的灰色分子固体，受热时会升华为深紫色气体。

冰有时也能升华。如果你把一块冰放在冰箱里很长时间，它就会升华。冰箱的空气中只有很少的水蒸气，这使得水分子更容易从固态的冰中脱离，形成水蒸气。如果空气中已经充满了水蒸气，冰就不那么容易升华了。

计算离子的电荷

在写离子化合物的化学式时，离子的电荷是很重要的。金属离子带正电荷，非金属离子带负电荷。阳离子与原子有相同的名称，例如，钠元素为sodium，钠离子为sodium ion；但阴离子通常有不同的名称，例如，氯元素为chlorine，氯离子为chloride ion。

写化学式时，化合物的电荷必须等于零。例如，氯化钾是由钾离子和氯离子组成的。钾离子的电荷为+1，氯离子的电荷为-1。因此，1 个钾离子和1 个氯离子结合成分子，化学式为KCl。

氯化铝是由铝离子和氯离子组成的。铝离子的电荷为+3，而氯离子的电荷为-1，因此，每个铝离子与3 个氯离子结合，氯化铝的化学式是AlCl ₃ 。数字3 表示1 个氯化铝分子含有3 个氯离子。3 个氯离子的总电荷是-3，与铝离子的电荷+3 相平衡。 2vKT4k6/ce4STG0EFSXKLmR4yR3Ecyqq0zBofWUz6fwqfpRxDkN1nCVp1jW7e0Pi