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Estado Sólido


  Bioquímica

O hßbito dos alquimistas medievais de ocultar sua ciÛncia sob o vÚu da linguagem aleg¾rica conferiu a seus textos um sentido poÚtico. Para descrever o processo fÝsico da sublimaþÒo -- conversÒo de uma substÔncia s¾lida em gßs -- usavam a imagem de uma ave que alþa v¶o para o cÚu.
Estado s¾lido Ú um dos trÛs estados bßsicos da matÚria que, Ó diferenþa do estado lÝquido e do gasoso, se caracteriza por uma relativa ordenaþÒo espacial de seus ßtomos numa estrutura de trÛs dimens§es.


CaracterÝsticas gerais. Os corpos s¾lidos apresentam uma sÚrie de propriedades diferenciais com relaþÒo a lÝquidos e gases. ╔ o caso de sua capacidade para suportar tens§es, tanto no sentido paralelo quanto no perpendicular a uma de suas superfÝcies. A resistÛncia oferecida a tais forþas antes de chegar ao ponto de deformaþÒo ou ruptura depende, contudo, da natureza dos ßtomos que conformam a substÔncia, bem como da forma como se ordenam e das forþas de ligaþÒo atuantes entre suas molÚculas.
A evoluþÒo de uma substÔncia para o estado s¾lido a partir de sua forma lÝquida ou gasosa produz-se habitualmente por esfriamento ou aumento da pressÒo externa. A passagem do estado lÝquido ao s¾lido denomina-se solidificaþÒo ou cristalizaþÒo, e a mudanþa inversa de estado recebe o nome de fusÒo. Ambos os processos envolvem uma variaþÒo intrÝnseca e idÛntica de equilÝbrio energÚtico, constante para cada material e conhecida como calor de fusÒo. A evoluþÒo direta de s¾lido a gßs, ou sublimaþÒo, realiza-se a baixas press§es. Em condiþ§es ambientais de pressÒo, a mudanþa de fases Ú normalmente gradual, de gßs para lÝquido e de lÝquido para s¾lido.


ClassificaþÒo dos s¾lidos. Geralmente, os s¾lidos se classificam em dois grandes grupos: cristalinos, se tÛm ordenaþÒo interna uniforme; e nÒo-cristalinos, ou amorfos, quando sua estrutura interior se assemelha mais Ó dos lÝquidos, carente de uma rede de cristalizaþÒo.


S¾lidos cristalinos. No processo de solidificaþÒo dos s¾lidos cristalinos, os ßtomos ou molÚculas fundamentais que os comp§em se disp§em espacialmente numa forma geomÚtrica ordenada. Os microcristais bßsicos, cÚlulas componentes das redes cristalinas do s¾lido, assumem formas c·bicas, r¶mbicas, tetragonais, hexagonais ou prismßticas irregulares. O retÝculo espacial, ou rede, unidade do sistema de cristalizaþÒo do s¾lido, repete-se indefinidamente nas trÛs direþ§es do espaþo atÚ alcanþar suas bordas exteriores. Dessa forma, ao fraturar-se um s¾lido de cristalizaþÒo perfeita, deve reproduzir-se em cada um de seus fragmentos a geometria do corpo no mesmo sistema cristalino.
Os ßtomos ou molÚculas do cristal situam-se ou no vÚrtice de cada retÝculo, ou no centro do retÝculo, ou ainda no centro de cada uma de suas faces. Essa disposiþÒo interna foi determinada mediante observaþÒo a partir da difraþÒo dos raios X, ou seja, do desvio sofrido pelos feixes dessa natureza que se fazem incidir sobre os s¾lidos.
A partir de uma perspectiva geral, distinguem-se quatro tipos de s¾lidos cristalinos: (1) metais e ligas metßlicas; (2) cristais i¶nicos; (3) cristais covalentes; e (4) cristais moleculares. Os metais e ligas metßlicas se caracterizam principalmente por apresentarem elevada condutividade da eletricidade e do calor. Essas caracterÝsticas se explicam pela relativa liberdade de movimentos dos elÚtrons (partÝculas elementares de carga negativa) que ficam livres na rede ao se configurarem as ligaþ§es entre os ßtomos do metal.
Os cristais i¶nicos sÒo agregados de Ýons, ßtomos ou molÚculas que, durante transformaþ§es quÝmicas, perderam ou capturaram elÚtrons e ficaram eletricamente carregados. Os Ýons positivos e negativos se distribuem de forma intercalada, razÒo pela qual as ligaþ§es resultantes se fundamentam nas forþas compensadas de atraþÒo eletrostßtica existente entre eles. A rede dos cristais i¶nicos constitui um sal cuja condutividade elÚtrica e calorÝfica normalmente aumenta em relaþÒo direta com a temperatura.
Os cristais covalentes, como o diamante, o silÝcio e o germÔnio, apresentam alta dureza e, freq³entemente, brilho. Ao contrßrio dos cristais i¶nicos ou salinos, comportam-se em geral como isolantes elÚtricos devido Ó ausÛncia parcial ou      total de cargas elÚtricas em sua estrutura.
Os cristais moleculares sÒo substÔncias que procedem de fases gasosas de acentuada estabilidade (como o di¾xido de carbono, por exemplo). Exemplos sÒo o hÚlio seco e o di¾xido de carbono solidificado, as formas s¾lidas dos gases nobres (arg¶nio, cript¶nio e xen¶nio) e numerosos compostos orgÔnicos constituÝdos basicamente de ßtomos de carbono e hidrogÛnio.
Alguns cristais moleculares e covalentes, assim como certas ligas metßlicas e sais i¶nicos, sÒo substÔncias isolantes, nÒo-condutoras de corrente elÚtrica a baixas temperaturas. Ao aumentar-se a temperatura acima de certo valor, contudo, sua condutividade aumenta sensivelmente. Esses materiais, que constituem intrinsecamente conectores e interruptores elÚtricos, em funþÒo da temperatura a que sÒo submetidos, recebem o nome de semicondutores. Desde a segunda metade do sÚculo XX, esses materiais alcanþaram importÔncia transcendental na tecnologia eletr¶nica e cibernÚtica.


S¾lidos amorfos. A ausÛncia de um padrÒo de cristalizaþÒo caracteriza os chamados s¾lidos nÒo-cristalinos ou amorfos. Entre eles destacam-se os plßsticos, os vidros, os sab§es, as parafinas e muitos outros compostos orgÔnicos e inorgÔnicos. A disposiþÒo interna dos componentes materiais dos s¾lidos amorfos Ú em grande parte aleat¾ria, semelhante Ó dos lÝquidos, que mantÛm fixas, contudo, as distÔncias de suas ligaþ§es moleculares.
A propriedade mais destacada dos s¾lidos amorfos Ú a falta de um ponto fixo de fusÒo, de modo que sua passagem para o estado lÝquido se verifica ao longo de um intervalo de temperaturas durante o qual adotam o chamado estado plßstico. Algumas das aplicaþ§es dos vidros e dos materiais plßsticos derivam de sua qualidade de serem facilmente moldßveis quando submetidos a aumentos de temperatura.


Campos de estudo. A fÝsica do estado s¾lido se refere ao estudo dos materiais s¾lidos cristalinos, que apresentam maior facilidade de estudo, tanto te¾rico quanto experimental, pela presenþa de ordem no arranjo de seus ßtomos, Ýons ou molÚculas. Tem como objetivo explicar e prever as diversas propriedades macrosc¾picas dos materiais cristalinos -- tÚrmicas, elÚtricas, magnÚticas, ¾pticas etc. -- , a partir da aplicaþÒo das leis da fÝsica a seus constituintes microsc¾picos. Os materiais densos nÒo-cristalinos nÒo se incluem nesse estudo, pois sÒo considerados mais semelhantes aos lÝquidos. O estudo global dos materiais s¾lidos cristalinos e amorfos Ú Ós vezes chamado de fÝsica da matÚria condensada. Essa ßrea de estudo parte, em geral, dos mÚtodos e modelos desenvolvidos na fÝsica do estado s¾lido, modificando-os e adaptando-os de modo adequado.


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