Kristalne supstance imaju uređenu unutrašnju strukturu u formi kristalne rešetke.
Čvrsto stanje se uglavnom javlja u dva moguća oblika – kristalnom i amorfnom. Kristalno stanje poseduje uređenu unutrašnju strukturu, koja se odražava na relativno pravilan spoljašnji oblik kristala. Amorfne supstance nemaju uređenu unutrašnju strukturu. Unutar kristala molekuli su poređani po nekom geometrijskom pravilu. Ukoliko se ovo pravilo kontinualno prostire kroz ceo kristal radi se o mono kristalu, a ukoliko se pravilo prekida i potom nastavlja, u pitanju je polikristal.
Pravilan raspored molekula rezultuje jednakim molekulskim silama u svim delovima zapremine kristala. Tipični predstavnici kristalnih supstanci su led, dijamant, so, kvarc i svi metali. Molekuli amorfnih supstanci su poređani manje – više nasumično, te su međumolekulske sile različitih intenziteta.
Osim što se razlikuju po pravilnosti oblika, kristali se od amorfnih supstanci razlikuju i po načinu topljenja. Pri zagrevanju čvrstih supstanci molekuli sve jače vibriraju. Pošto su međumolekulske veze kod kristala iste jačine, sve pucaju pri istoj temperaturi – kristali imaju tačku topljenja (za led je to 0 stepeni Celzijusa). Prilikom zagrevanja kristala (primer na slici je led) povećava se i njegova temperatura, sve do tačke topljenja. Na tački topljenja, dovedena toplota se troši na rad kidanja međumolekulskih veza.Temperatura kristala se tom prilikom ne menja (A – B).Toplota koja se utroši da se 1 kg kristala otopi, a da pri tom ostane na istoj temperaturi, naziva se latentna toplota topljenja.
Prilikom hlađenja vode dolazi do pojave “pothlađenja”, odnosno hlađenja vode ispod temperature mržnjenja, a da ne dolazi do procesa mržnjenja. Kristalizacija (mržnjenje vode) je proces koji zahteva formiranje “klice”, odnosno prvog kristala, na kojem započinje proces kristalizacije. U prirodi je to najčešće neka nečistoća ili predmet. Ukoliko ne postoji takva “klica”, voda se može ohladiti i na temperaturu nižu od tačke mržnjenja, odnosno ispod 00 C. Primer pothlađene vode je pojava ledene kiše, gde se kiša, pothlađena ispod tačke mržnjenja, ledi u dodiru sa tlom.
Međumolekulske sile kod amorfnih supstanci su različite i pucaju na različitim temperaturama. Amorfne supstance se tope omekšavanjem, bez jasno izražene tačke topljenja. Staklo je amorfna supstanca i činjenica da se topi omekšavanjem je otvorila mogućnost oblikovanja omekšalog stakla duvanjem.
Zašto je led klizav?
Većina čvrstih supstanci prelaskom u tečno stanje povećava svoju zapreminu. Otuda povećan pritisak na takve supstance otežava mogućnost povećanja zapremine (otežava prelazak u tečnu fazu), zbog čega raste tačka topljenja. Ali ovo ne važi za led. Led ima veću zapreminu od vode. Pritisak na led potencira smanjenje zapremine leda, čime se olakšava prelazak leda u vodu (koja ima manju zapreminu nego led), odnosno snižava se tačka toplenja leda. Kada čovek stane na ledenu površinu, vrši pritisak na nju zbog čega se snižava tačka topljenja, te će površina leda iako je temperature ispod 00C, preći u tečno stanje – vodu. Tanak sloj vode između obuće i ledene podloge je uzrok klizavosti leda.
Kako nastaju ledenice?
Težina snega na krovovima stvara dodatni pritisak na sneg koji se nalazi tik uz krov. Ovom sloju snega se stoga snižava tačka topljenja i on se topi, bez obzira što je temperatura niža od 00C. Kada tako nastala voda, krećući se niz strminu krova, izađe van naslaga snega pritisak nestaje, te se temperatura topljenja vraća na 00C, zbog čega se ova voda ponovo ledi i formira ledenice koje vise sa ivice krova. Po istom ovom principu se kreću i glečeri.
Liveno i kovano gvožđe
Fizičke osobine supstanci u kristalnom i amorfnom stanju se razlikuju. To se najlakše da uočiti ako se posmatra jedna te ista supstanca u različitim stanjima – kristalnom i amorfnom. Liveno gvožđe je kristalna supstanca. Kada se rastopljeno gvožđe izlije u keramičke kalupe i ostavi da se polako hladi, molekuli (atomi) se polako raspoređuju u pravilnim razmacima, formirajući tipičnu kristalnu rešetku gvožđa. Ovako dobijeno gvožđe ima odličnu toplotnu provodljivost, odlično amortizuje vibracije i postojano zadržava isti oblik. Ovakve osobine su liveno gvožđe kvalifikovale da bude jedan od glavnih materijala za izradu teških mašina i motora. Sa druge strane, njegova kristalna struktura ga čini veoma krtim, te liveno gvožđe relativno lako puca. Da bi se ojačalo gvožđe se podvrgava procesu kovanja. Prilikom kovanja, udarci čekića po usijanom gvožđu narušavaju njegovu kristalnu strukturu, a naglo hlađenje u ledenoj vodi obezbeđuje da se tako “amorfizovana” struktura održi. Kovano gvožđe ima veću elastičnost i otpornost na mehaničke deformacije od livenog gvožđa, te se koristi za izradu alata i oruđa, koja prilikom upotrebe trpe veliki mehanički stres (čekić, sekira, ekseri, šrafovi …).