miniatura|300px|Forma monocristalina de insulina sólida.
Sólido é um estado físico da matéria em que átomos, moléculas ou íons ficam próximos uns dos outros e têm dificuldade de se deslocar entre si. Os sólidos resistem à compressão, à expansão e a forças externas que alterariam sua forma, em grau que depende do material. Em geral, a formação da fase sólida é favorecida pelo resfriamento. Muitas substâncias se solidificam quando são resfriadas sob condições adequadas de temperatura e pressão. Para uma substância pura, a temperatura de equilíbrio entre as fases sólida e líquida numa pressão especificada é o ponto de fusão. Em amostras macroscópicas, ela não depende da quantidade de material, mas varia com a pressão. Muitas substâncias no estado sólido adotam estruturas cristalinas recorrentes.
Os sólidos têm rigidez estrutural e resistem a forças e pressões externas. Em condições ordinárias, conservam forma e volume próprios, sem assumir espontaneamente a forma do recipiente como um líquido ou ocupar todo o volume disponível como um gás. Uma diferença mecânica entre sólidos e fluidos está na resposta à tensão de cisalhamento. No regime elástico, um sólido pode sustentar uma tensão de cisalhamento estática com deformação finita, enquanto líquidos e gases continuam a se deformar quando esse tipo de tensão é mantido.
Os sólidos geralmente se expandem quando aquecidos. Em materiais comuns, essa expansão decorre da forma não harmônica do potencial de ligação entre as partículas, que aumenta sua separação média à medida que a temperatura sobe. Ao cruzar uma linha de equilíbrio adequada num diagrama de fase, um sólido pode fundir-se em líquido ou sublimar diretamente para o estado gasoso. Abaixo da pressão do ponto triplo sólido-líquido-vapor de uma substância pura, a fase líquida não é estável em equilíbrio. Nessas condições, a transição entre sólido e gás ocorre por sublimação ou deposição. Acima dessa pressão, uma região de estabilidade líquida pode existir entre as fases sólida e gasosa. Fusão e ponto de fusão referem-se à transição entre sólido e líquido. As transições inversas são a solidificação, do líquido para o sólido, e a deposição, do gás diretamente para o sólido. Em equações químicas, "(s)" após uma fórmula indica que a substância está no estado sólido, como em H2O(s).
miniatura|Diagrama de fases da água, com as regiões em que as fases sólida, líquida e gasosa são estáveis.
As temperaturas nas linhas de fusão abrangem um intervalo muito amplo. A curva de fusão do hélio-3 sob pressão foi medida experimentalmente até 17 mK. No outro extremo, cálculos para determinadas composições de carbonitreto de háfnio preveem temperaturas de fusão superiores a 4.000 K. Temperaturas superiores a 4.000 K também foram medidas em ensaios de fusão de carbetos de háfnio e tântalo.
A organização microscópica dos sólidos assume formas diferentes. Em muitos sólidos cristalinos, os constituintes ocupam posições que se repetem segundo retículos geométricos periódicos. Nos sólidos amorfos, como muitos vidros e plásticos, não existe ordem cristalina de longo alcance. Há ainda estruturas ordenadas que não são periódicas. Os quase-cristais possuem ordem atômica aperiódica e podem apresentar simetrias incompatíveis com um retículo periódico.
Moléculas e átomos que formam cristais periódicos costumam se organizar em estruturas de empacotamento bem caracterizadas, como a estrutura cúbica de corpo centrado. A estrutura adotada pode mudar com a pressão e a temperatura, como mostram os diagramas de fase do material. Um elemento pode existir em formas estruturais distintas, chamadas alótropos, como diamante e grafite no carbono. A existência de estruturas cristalinas diferentes para uma mesma composição química recebe o nome de polimorfismo. Calcita e aragonita, por exemplo, são polimorfos do carbonato de cálcio.
Sólidos não porosos apresentam compressibilidade pequena em condições ordinárias. Quando os átomos ou íons são aproximados além de suas separações de equilíbrio, a sobreposição das funções de onda eletrônicas produz uma forte repulsão de curto alcance associada ao princípio de exclusão de Pauli, além das interações eletrostáticas pertinentes ao material. Gases, em comparação, são muito mais compressíveis, pois suas moléculas ficam separadas por distâncias maiores. Alguns sólidos, sobretudo ligas metálicas, podem sofrer deformação permanente ou se romper quando submetidos a forças suficientes. Os módulos elásticos, entre eles o módulo de Young, medem a rigidez do material. A resistência à tração caracteriza a tensão que ele suporta antes da ruptura, enquanto a resistência específica é a razão entre uma medida de resistência mecânica e a densidade.
Para a maioria das substâncias, a fase sólida é mais densa que a fase líquida correspondente nas proximidades da fusão, e um pedaço do sólido tende a afundar no próprio líquido. A água é uma exceção. No gelo comum, as ligações de hidrogênio mantêm as moléculas numa estrutura aberta, com maior separação média que na água líquida, o que reduz sua densidade. O gálio também se expande ao solidificar. Perto do ponto de fusão, sua densidade passa de cerca de 6,095 g/cm³ no líquido para 5,904 g/cm³ no sólido. O plutônio possui seis fases sólidas à pressão atmosférica, e suas fases de alta temperatura apresentam comportamento volumétrico incomum. O metal líquido é mais denso que a fase sólida imediatamente anterior à fusão.
Nem todos os elementos apresentam uma transição sólido-líquido à pressão atmosférica padrão, de 101,325 kPa. Hélio e carbono não possuem ponto de fusão nessa pressão. O hélio permanece líquido mesmo no limite de temperatura zero à pressão atmosférica, pois seu movimento quântico de ponto zero impede a solidificação nessas condições. É necessário aplicar pressão para obter hélio sólido. O arsênio sublima a cerca de 887 K à pressão atmosférica padrão. O valor de aproximadamente 1.090 K às vezes citado como seu ponto de fusão corresponde ao ponto triplo, sob pressão de cerca de 3,75 MPa. Para o grafite, foram obtidas estimativas de temperatura de sublimação entre aproximadamente 3.895 e 4.020 K à pressão atmosférica.
Quando uma tensão aplicada permanece dentro da região elástica do material e depois é retirada, o sólido tende a recuperar sua forma e suas dimensões e libera a energia elástica armazenada. Pressões elevadas também podem se desenvolver quando a água congela dentro de um recipiente rígido. Sob pressão atmosférica, a formação de gelo aumenta o volume ocupado pela água, pois o gelo é menos denso que o líquido. Se o recipiente impede a expansão, a formação de gelo eleva a pressão interna e modifica o equilíbrio entre as fases. O volume total permanece praticamente constante enquanto o recipiente não se deforma ou rompe. A pressão pode se tornar suficiente para romper o recipiente.
As propriedades macroscópicas também dependem de o sólido formar um corpo contíguo ou um agregado de partículas. Corpos sólidos contíguos têm rigidez estrutural e resistem a forças aplicadas. O corpo rígido é uma idealização em que essas deformações são desprezadas. Em agregados como cascalho, areia e poeira da superfície lunar, as partículas sólidas podem deslizar umas sobre as outras, embora a deformação das partículas individuais, como os grãos de quartzo da areia, continue dificultada. O conjunto pode, por isso, parecer macio e compressível. A areia costeira e o regolito lunar são exemplos.
O ramo da física dedicado aos sólidos é chamado física do estado sólido e integra a física da matéria condensada, que também abrange os líquidos. A ciência dos materiais estuda as relações entre composição, estrutura, processamento e propriedades dos materiais sólidos.
Descrição microscópica
miniatura|Modelo de átomos compactados em um sólido cristalino
Os átomos, moléculas ou íons que formam os sólidos podem se organizar em padrões periódicos, apresentar ordem aperiódica ou não ter ordem cristalina de longo alcance. Materiais cujos constituintes formam uma estrutura cristalina são chamados cristais. Em alguns casos, a ordenação permanece sem interrupção por toda a amostra. Um diamante individual pode, por exemplo, constituir um monocristal. Muitos objetos sólidos macroscópicos contêm cristais individuais, chamados cristalitos, cujo tamanho pode variar de poucos nanômetros a dimensões macroscópicas. Esses materiais são policristalinos. Quase todos os metais comuns e muitas cerâmicas são policristalinos.
Nos sólidos amorfos não há ordem cristalina de longo alcance nas posições dos átomos. Entre os exemplos estão o poliestireno e o vidro. Vidros e polímeros termoplásticos amorfos amolecem numa faixa de temperaturas, em vez de apresentar a fusão abrupta de um cristal puro em equilíbrio.
Os quase-cristais formam outra classe de estruturas sólidas. Seus constituintes apresentam ordem, mas o padrão não se repete periodicamente por translação. A descoberta experimental dessas estruturas por Dan Shechtman levou à revisão da definição cristalográfica de cristal. Shechtman recebeu o Nobel de Química de 2011 pela descoberta dos quase-cristais.
A formação de um sólido cristalino ou amorfo depende do material e das condições em que ele se forma. Sólidos produzidos por resfriamento lento tendem a ter mais tempo para cristalizar, enquanto o resfriamento rápido pode impedir a organização de longo alcance e favorecer estruturas amorfas. A estrutura cristalina adotada por uma fase cristalina também depende da composição, da pressão, da temperatura e das condições de formação.
Embora muitos objetos comuns, como um cubo de gelo ou uma moeda, tenham composição aproximadamente uniforme em escala macroscópica, outros reúnem substâncias diferentes. Uma rocha, por exemplo, pode ser um agregado de minerais e mineraloides e não precisa ter uma fórmula química única. A madeira é um material orgânico natural constituído principalmente por celulose, hemiceluloses e lignina. Na ciência dos materiais, compósitos formados por mais de um material podem ser projetados para adquirir propriedades escolhidas.
Classes de sólidos
Uma classificação dos sólidos cristalinos considera as partículas que os compõem e a interação predominante que mantém a estrutura. Nessa classificação, distinguem-se sólidos iônicos, metálicos, moleculares e de rede covalente. As categorias não exigem que todas as interações de um material pertençam a um único tipo.
As forças entre os constituintes de um sólido assumem formas diferentes. Um cristal de cloreto de sódio, o sal de cozinha, é constituído por íons de sódio e íons cloreto, mantidos juntos por ligações iônicas. No diamante, e no silício, os átomos compartilham elétrons e formam redes de ligações covalentes. Nos metais, a coesão envolve ligação metálica. Sólidos moleculares são formados por moléculas neutras mantidas juntas por forças intermoleculares. O gelo é um sólido molecular no qual as ligações de hidrogênio mantêm a estrutura. Outros sólidos moleculares podem ser mantidos principalmente por forças de Van der Waals. As diferenças entre essas interações produzem diferenças nas propriedades dos sólidos.
Metais
miniatura|direita|O pináculo do Chrysler Building, em Nova Iorque, é revestido de aço inoxidável.
Os metais costumam ser resistentes, densos e bons condutores de eletricidade e calor. A maior parte dos elementos da tabela periódica, à esquerda de uma linha diagonal traçada aproximadamente do boro ao polônio, é formada por metais. Misturas de dois ou mais elementos em que o componente principal é metálico são chamadas ligas.