جامد چیست؟ تعریف جامع حالت جامد ماده و انواع آن

در دنیای پیرامون ما، ماده به اشکال گوناگونی ظاهر می‌شود. یکی از این اشکال، حالت جامد است. جامدات به دلیل ساختار منسجم ذرات تشکیل‌دهنده، دارای شکل و حجم نسبتاً ثابتی هستند. در واقع، اتم‌ها و مولکول‌ها در مواد جامد بسیار نزدیک به هم قرار گرفته‌اند، به مراتب نزدیک‌تر از حالت‌های مایع و گاز. این تراکم بالا و اتصالات قوی از طریق پیوندهای شیمیایی، به جامدات استحکام و سختی می‌بخشد.

این پیوندها می‌توانند آرایش منظمی را به وجود آورند، مانند ساختار بلوری یخ، فلزات و کریستال‌ها. از طرف دیگر، ممکن است آرایش بی‌نظمی ایجاد کنند، مانند شیشه یا کربن بی‌شکل. حالت جامد، یکی از چهار حالت اصلی ماده در کنار مایعات، گازها و پلاسما است.

دانش فیزیک حالت جامد و شیمی حالت جامد، شاخه‌هایی از علم هستند که به بررسی خواص و روش‌های ساخت مواد جامد می‌پردازند.

مثال‌هایی از مواد جامد در زندگی روزمره

هر ماده‌ای که شکل و حجم مشخصی داشته باشد، در حالت جامد قرار می‌گیرد. اطراف ما پر از نمونه‌های گوناگون از مواد جامد است. در اینجا چند مثال آشنا را با هم مرور می‌کنیم:

• آجر
• یک سکه
• تکه‌ای چوب
• قطعه‌ای فلز آلومینیوم (یا هر فلز دیگری در دمای اتاق به جز جیوه)
• الماس (و بیشتر کریستال‌ها)

در مقابل، موادی مانند آب مایع، هوا، کریستال‌های مایع، گاز هیدروژن و دود، جامد محسوب نمی‌شوند، زیرا شکل و حجم ثابتی ندارند.

دسته‌بندی انواع جامدات بر اساس پیوندهای شیمیایی و خواص

نوع پیوندهای شیمیایی که ذرات را در مواد جامد به یکدیگر متصل می‌کنند، نیروهای مشخصی را اعمال می‌کنند که می‌توان از آنها برای دسته‌بندی جامدات استفاده کرد. به عنوان مثال، پیوندهای یونی (مانند نمک طعام یا NaCl) پیوندهای قوی هستند که اغلب منجر به ساختارهای بلوری می‌شوند و ممکن است در آب به یون‌ها تجزیه شوند. پیوندهای کووالانسی (مانند شکر یا ساکارز) شامل به اشتراک گذاشتن الکترون‌های ظرفیت است. به نظر می‌رسد الکترون‌ها در فلزات به دلیل پیوند فلزی جریان دارند. ترکیبات آلی اغلب حاوی پیوندهای کووالانسی و برهم‌کنش بین بخش‌های جداگانه مولکول به دلیل نیروهای واندروالسی هستند.

جامدات را می‌توان بر اساس خواص و ساختارشان به دسته‌های اصلی زیر تقسیم کرد:

• مواد معدنی (Minerals): مواد معدنی، جامدات طبیعی هستند که طی فرآیندهای زمین‌شناسی شکل می‌گیرند. یک ماده معدنی دارای ساختار یکنواخت است. نمونه‌هایی از مواد معدنی عبارتند از: الماس، نمک‌ها و میکا.
• فلزات (Metals): فلزات جامد شامل عناصر (مانند نقره) و آلیاژها (مانند فولاد) هستند. فلزات معمولاً سخت، چکش‌خوار، انعطاف‌پذیر و رسانای بسیار خوب گرما و الکتریسیته هستند.
• سرامیک‌ها (Ceramics): سرامیک‌ها، جامداتی هستند که از ترکیبات غیرآلی، معمولاً اکسیدها، تشکیل شده‌اند. سرامیک‌ها معمولاً سخت، شکننده و مقاوم در برابر خوردگی هستند.
• جامدات آلی (Organic Solids): جامدات آلی شامل پلیمرها، موم، پلاستیک‌ها و چوب هستند. بیشتر این جامدات عایق حرارتی و الکتریکی هستند. آنها معمولاً نقطه ذوب و جوش پایین‌تری نسبت به فلزات یا سرامیک‌ها دارند.
• مواد کامپوزیتی (Composite Materials): مواد کامپوزیتی موادی هستند که حاوی دو یا چند فاز هستند. یک مثال می‌تواند پلاستیکی حاوی الیاف کربن باشد. این مواد خواصی را ایجاد می‌کنند که در اجزای تشکیل‌دهنده اصلی دیده نمی‌شود.
• نیمه‌رساناها (Semiconductors): جامدات نیمه‌رسانا خواص الکتریکی بین رساناها و عایق‌ها دارند. این جامدات ممکن است عناصر خالص، ترکیبات یا مواد دوپ‌شده باشند. نمونه‌هایی از نیمه‌رساناها عبارتند از: سیلیکون و گالیم آرسنید.
• نانومواد (Nanomaterials): نانومواد ذرات جامد بسیار کوچکی در ابعاد نانومتر هستند. این جامدات ممکن است خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار متفاوتی نسبت به نسخه‌های بزرگتر مقیاس از همان مواد نشان دهند. به عنوان مثال، نانوذرات طلا قرمز هستند و در دمای پایین‌تری نسبت به فلز طلا ذوب می‌شوند.
• بیومتریال‌ها (Biomaterials): بیومتریال‌ها مواد طبیعی مانند کلاژن و استخوان هستند که اغلب قادر به خودآرایی هستند.