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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。
大多数天然固体是晶体。在晶体内部，分子以固定的重复模式排列，这使得每个晶体的形状都很有序。
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。
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。
“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。
（1）六边形晶胞
（2）立方体晶胞
（3）菱形晶胞
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。
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。
晶体
无定形固体
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。
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。
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。
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。
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%
这是埃及国王图坦卡蒙的面具，他死于3300 多年前。这个面具是由24 克拉黄金制成的。
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。
从干冰（二氧化碳固体）升华而来的二氧化碳气体。二氧化碳是无色的，但在这种情况下，二氧化碳气体的温度太低，使得空气中的水蒸气形成了由微小水滴组成的白雾。因为它的密度较大，所以它会下沉到地板上。
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。
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。
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。
大多数物质有相对稳定的状态，要么是固体，要么是液体，要么是气体。它们可以通过增加或减少能量（通常是以热的形式产生的动能）来改变状态。
一种物质可以从一种相态转变为另一种相态，例如从固体变成液体。当固体、液体或气体中的粒子结合或分开时，物质的相态就会发生改变。这些相态的改变总是涉及能量的变化。
当物质从固体变为液体或从液体变为气体时，粒子必须克服初始状态下的分子间力。用来克服分子间力的能量就是动能。动能的来源是热量。当物质被加热时，这些粒子吸收能量，增加了自身的动能。温度是平均动能的量度。因此，当能量增加时，温度会升高。
当物质从气体变成液体或从液体变成固体时，能量也很重要。粒子必须失去动能。随着相态的变化，粒子的运动速度变得更慢。把一种物质从液体变成气体比把这一物质从固体变成液体需要更多的能量。
科学词汇
吸热反应： 一种吸收热量而使周围温度下降的化学反应。
放热反应： 一种放出热量而使周围温度上升的化学反应。
熔化热： 把固体变成液体所需要的能量。
汽化热： 把液体变成气体所需要的能量。
在物质的三种状态中，气体的能量最高。物质必须获得足够的动能，才能使粒子完全克服分子间力。物质的分子间力越大，其沸点越高，因为粒子变成气体需要更多的能量。
把固体变成液体所需要的能量叫作“熔化热”。把液体变成气体所需要的能量叫作“汽化热”。
熔化热是打破固体分子间的化学键使其变成液体所需要的能量。从固体到液体的相变不涉及温度的变化。当物质熔化时，温度保持不变，粒子的动能实际上并不改变。
这张蜘蛛网上挂着露珠。当潮湿的空气冷却或碰到寒冷的表面并凝结变成液体时，露水就形成了。这种从湿空气到水的转换就是相态的变化，也被称为“相变”。
在相变完成之前，动能都不会发生变化。
熔化热也等于物质从液体变为固体时所放出的热量。对大多数物质来说，固体状态下的粒子比液体状态下的粒子紧密得多。这意味着在一定体积内，固体中的分子比液体中的分子多。因此，同一物质固体状态下的密度比液体状态下的密度高。这就解释了为什么大多数物质的固体会下沉到它的液体形态中。
水是一个例外。当水结冰时，水分子比它们在液相时分开得更远。这是因为氢键在水中产生了强大的分子间力。这就解释了为什么冰可以漂浮在水面上。冰的密度实际上比水的密度小9%。因为水结冰时会膨胀，所以在结冰前，在装水的容器中需要留出一定的空间。如果将容器装满水后密封，水结冰后会膨胀，容器就会破裂。
试试这个
膨胀的冰
1 把一块黏土压在碗底。
2 将一根吸管插入黏土中，使吸管直立。
3 向水中加入几滴食用色素。用滴管将水灌到吸管中，直到吸管里充满大约一半有颜色的水。
4 用记号笔在吸管上标记水的高度。
5 将碗放入冰箱冷冻室至少4个小时或更久。
6 把碗从冰箱里拿出来，观察水结冰时吸管的水位是如何变化的。水结冰时会膨胀，这应该会导致吸管里的水位上升。
用记号笔在吸管上标记水的高度。
水结冰时会膨胀，从而导致吸管中的水位上升。其他的物质在结冰时几乎都会收缩。
当固体被加热并达到熔点时，温度随相变而保持不变。对于熔点不是很高的物质，科学家可以很容易地测量出这个温度。
冰点也是一样的，当液体冷却到冰点时，温度会保持不变，直到发生相变。物质的熔点或冰点可以用来确定物质的确切性质。每种物质都有自己的熔点或冰点。
和熔化一样，汽化时温度保持不变，直到相变完成。当液体达到沸点时，粒子不会获得动能。相反，液体中的粒子利用能量来克服分子间力。一旦所有的液体都变成了气体，温度就会继续升高。
科学词汇
冷凝： 从气体变为液体的状态变化。
蒸发： 当液体的温度低于沸点时，从液体到气体的状态变化。
分子间力： 物质分子间的微弱吸引力。
压力： 施加在某一区域上的推力。
蒸气： 物质的气体形式，存在于该物质的临界温度以下，但仍可液化。
当液体的蒸气压等于气压时，它就会沸腾。例如，在海平面时，水在100℃沸腾。随着海拔的升高，气压会降低。气压的降低意味着水沸腾的温度也降低了。在高海拔的地区烹饪时，水沸腾的温度会降低很多。许多食谱增加了在高海拔地区烹饪食物的说明。如果气压增加，水的沸点也会提高。厨师会使用高压锅来增加压力，从而提高水沸腾的温度。因为温度升高，食物会熟得更快。
沸腾和蒸发
当液体沸腾（a）时，分子获得动能并从表面离去，在液体中形成气泡。在蒸发过程（b）中，在不加热的情况下，分子便可从液体中逃逸出去。液体失去能量，温度降低（c）。
（a）沸腾：分子被驱赶出去
（b）蒸发：分子逃逸出去
（c）蒸发：温度降低
把液体变成气体需要能量。这是一个吸热过程。这个过程对人们来说非常重要。当你努力工作或锻炼时，你的身体会产生热量。你的身体必须把多余的热量排出去。身体排热的方式是出汗。当你的身体发热时，汗水会附着在皮肤表面。身体的热量使汗液变热，从而使汗液开始蒸发。蒸发是一个吸热的过程，汗液分子吸收热量，从而使身体的温度下降。
蒸发冷却是身体排出多余热量的好方法。然而，蒸发冷却并不是一直有效的。湿度是影响蒸发冷却的一个因素。湿度是衡量空气中水蒸气数量的指标。当湿度很高时，空气中存在的水蒸气可以接近饱和。在这种情况下，空气无法容纳更多的水蒸气，汗水也不能蒸发。蒸发冷却的最理想条件是空气中只有很少的水蒸气。
与所有物质一样，水以三种不同的状态——固态、液态和气态存在。固态的水叫冰，液态的水叫水，气态的水叫水蒸气。当水在不同状态之间变化时，每种变化都有一个名称。当水从固体变成液体时，它就融化了。当水从液体变成固体时，它就结冰了。当水从液体变成气体时，它就沸腾了。当水从气体变成液体时，它就凝结了。
如果你从-5℃的冰柜里拿出一块冰，那么冰块的温度也是-5℃。如果把冰块放在平底锅里，在炉子上加热，冰块就会吸收能量，温度稳步上升。当冰块达到熔点（0℃）时，温度不再继续上升，能量被用来把固体变成液体，直到所有的冰融化。
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放松一下
蒸发冷却是一种有效的降温方式。
1 在棉球上倒一点外用酒精。
2 挤出多余的酒精，用棉球轻轻包在温度计上。
3 吹一下棉球，看看温度计上的温度会发生什么变化。酒精蒸发吸收能量，从而导致温度计上的温度下降。
一旦冰全部融化，温度便会继续上升。水的温度继续上升，直到达到沸点。一旦水开始沸腾，温度就又保持不变，直到所有的水变成水蒸气。当所有的水变成水蒸气后，水蒸气的温度便会随着能量的增加而升高。当能量从水蒸气中被移走时，相反的情况就会发生。水蒸气的温度下降，直到它开始凝结（由气体变为液体）。此后，温度一直保持不变，直到所有的水蒸气凝结成液态水。之后，温度继续下降，直到水达到冰点。当水从液体变为固体时，温度保持不变，可一旦所有的水都变成了冰，温度就会继续下降。