L’état solide, caractérisé par une forme et un volume propres, est un état ordonné.
Un solide est un assemblage régulier et compact d’atomes, d’ions ou de molécules. Cet assemblage est appelé cristal; on dit que les solides ont une structure cristalline.
Le cristal est la répétition d’un motif élémentaire appelé maille cristalline.
La forme de la maille, ainsi que la position des particules constituant le cristal varient d’un corps pur à l’autre.

1. Les solides ioniques
Les particules constituant le cristal sont des ions positifs et des ions négatifs.

Exemple d’un solide ionique : Le chlorure de sodium
Le chlorure de sodium, (ou < le sel de cuisine >) est l’un des corps les plus répandus. Nous avons vu que le chlorure de sodium est constitué d’ions chlorure Cl^– et d’ions
sodium Na⁺. La maille de chlorure de sodium est cubique à faces centrées : les centres des ions chlorure sont situés aux sommets du cube et au centre de chaque face. (voir figure ci-dessous).

Remarque.
Remarquons sur la figure 16.2. Que seuls les ions porteurs de charges opposées sont en contact. Les forces électrostatiques s’exerçant entre les différents ions assurent la cohésion du cristal. L’arête de la maille mesure a=560 pm

Remarque.
Ne confondons pas maille du cristal et un grain de sel. Un gros grain de sel renferme environ 1020 mailles!!!

La formule d’un solide ionique
Très nombreux, les solides ioniques sont formés d’ions positifs et d’ions négatifs. La matière étant électriquement neutre, le cristal contient autant de charges positives que de charges négatives.

Exemples.

Cas du chlorure de sodium : L’ion chlorure (Cl^–) ayant une charge (-e) et l’ion sodium (Na⁺) une charge (+e), le nombre d’ions chlorure est égal au nombre d’ions sodium.

Cas du nitrate de magnésium : Ce solide ionique est formé d’ions magnésium (Mg²⁺) et d’ions nitrate  ; la neutralité électrique impose d’associer 1 ion Mg²⁺ et 2 ions   . C’est ainsi qu’on attribue aux composés ioniques une formule statistique, qui représente un ensemble électriquement neutre et indique la proportion de chacun des ions.

Dans la formule statistique, la charge de l’ion n’apparaît pas. Notons aussi que l’ion positif s’écrit toujours avant l’ion négatif.
Ainsi, la formule du chlorure de sodium est NaCl et celle du nitrate de magnésium est Mg(NO₃)₂.

Exercice d’application
L’ion phosphate a pour formule  . Et l’ion magnésium a pour formule Mg²⁺. Écrire la formule statistique du phosphate de magnésium.
 

Solution 
Cette formule s’écrira : Mg_x(PO₄)_y où x et y sont des entiers naturels à déterminer.
La neutralité électrique impose que : 2x = 3y⇒  x =    3/2 y
La plus petite valeur de y pour laquelle x est entier naturel est y = 2. On en déduit alors x= 3. La formule cherchée est donc : Mg₃(PO₄)₂
.
2. Les solides atomiques
Un solide atomique est un assemblage d’atomes.

Exemples de solides atomiques

Variété allotropiques du carbone
On rencontre le carbone pur sous deux formes cristallisées; le diamant et le graphite. Ces deux variétés ont des propriétés chimiques identiques (car il s’agit dans les deux cas de carbone pur) mais des propriétés physiques différentes, dues à la différence de structure. On dit que le diamant et le graphite sont deux variétés allotropiques du carbone.

Le diamant

Chaque atome de carbone se trouve au centre d’un tétraèdre et il est lié par liaison covalente à 4 autres atomes occupant les sommets du tétraèdre (voir figure 16.3). On
dit que les atomes de carbone du diamant sont tétragonaux.

 La longueur des liaisons C-C vaut 154 pm.

Cette structure du diamant lui donne des propriétés particulières :

• sa dureté : le diamant est le corps le plus dur; il raye tous les autres corps; c’est pourquoi on l’utilise pour couper le verre et dans la fabrication des instruments de forage et de polissage;
• ses propriétés optiques : lorsque le diamant est convenablement taillé, il renvoie la lumière dans toutes les directions (il est alors particulièrement brillant); cette propriété alliée à sa dureté en fait une pierre précieuse en joaillerie;
• ses propriétés isolantes : le diamant ne conduit pas le courant électrique; cette propriété résulte de ce que tous les électrons de la couche externe des atomes sont engagés dans les liaisons; il n’y a donc pas d’électrons libres.

Le graphite

Le graphite est un solide noir, utilisé comme électrode dans les piles et pour fabriquer les mines de crayon. Le graphite a une structure feuilletée : les atomes de
carbone sont situés au sommet d’hexagones réguliers disposés en couches planes ou feuillets. Chaque atome de carbone est lié à 3 autres atomes.
On dit que les atomes de carbone du graphite sont trigonaux. La longueur de la liaison C — C est 142 pm, et la distance entre deux feuillets est de 335 pm.

La structure du graphite lui confère des propriétés particulières :

• Sa friabilité : elle est due à sa structure en feuillets qui peuvent glisser les uns par rapport aux autres;
•  Ses propriétés lubrifiantes : elles sont dues aussi à sa structure en feuillets;
• Ses propriétés conductrices : elles sont liées à la présence d’électrons non engagés dans les liaisons et donc libres de se déplacer.

Les métaux
A l’exception du mercure, tous les métaux sont solides à la température ordinaire.
Étudions la structure cristalline des métaux à partir de l’exemple du cuivre.
L’atome de cuivre (Z = 29) a pour formule électronique K ² L⁸ M ¹⁸ N ¹.

Il a donc 1 électron de valence, peu lié au noyau. Le métal cuivre peut être considéré comme constitué d’ions Cu⁺, baignés par une < mer > d’électrons libres.
Les ions Cu⁺ assimilés à des sphères, s’entassent de manière à occuper le moins de volume. Les liaisons électriques (électrons libres — ions positifs Cu⁺) assurent une grande cohésion au cristal métallique.

 Les autres métaux ont, comme le cuivre, une structure cristalline, variable selon le métal. Ils ont tous des électrons libres, responsables des propriétés conductrices des métaux.

Notation
Les solides atomiques sont représentés par le symbole de l’élément qui les constitue : C, Cu, Fe, Al,...

3. Les solides moléculaires
Un solide moléculaire est un assemblage de molécules.

Exemples de solides moléculaires
 

Exemples.

1. La glace : Elle est formée par un assemblage de molécules H₂O régulièrement réparties dans l’espace. Mais cet assemblage n’est pas très compact. Il existe des espaces vides entre les molécules, ce qui explique que le volume de la glace est supérieur à celui de l’eau liquide qu’elle donne par fusion.
2. L’iode
3. La neige carbonique : ou dioxyde de carbone solide, utilisé comme réfrigérant

Notation
Un solide moléculaire est représenté par la formule des molécules qui le constituent : H₂O, I₂, CO₂.