Katı
Maddenin üç temel hali vardır: Katı, sıvı ve gaz. Bütün maddeler bu üç halden birinde bulunur ve herhangi bir madde olağan koşullarda yalnızca o haliyle bilinir. Katı maddelerin, toz biçimine getirilmediği sürece, belirli bir biçimi ve hacmi vardır. Maddenin öbür iki hali olan sıvı ve gazın kendi başına belirli bir biçimi yoktur; sıvılar bulunduğu kabın biçimini alır, gazlar ise kabın içinde yayılarak her tarafını doldurur. Herhangi bir katı madde ile bir başka katı, sıvı ya da gaz arasındaki sınır çok belirgindir, ama sıvılar ve gazlar için durum böyle değildir.
Bütün maddeler moleküllerden, moleküller de bir ya da daha çok atomdan oluşur. Bir maddenin katı, sıvı ya da gaz halinde bulunması, moleküllerinin birbirine ne kadar yakın ya da uzak olduğuna bağlıdır. Katilarda atomlar, kimyasal bağ denen çekim kuvvetlerinin etkisiyle, sıkışık biçimde bir arada tutulur. Atomların oluşturduğu moleküller ise, bağlanma kuvvetinin (kohezyon) etkisiyle bulundukları konumu korurlar.
Hemen hemen tüm katışıksız maddeler katı haldeyken kristal yapıdadır; yani bunların, molekülleri ve atomları düzenli bir biçimde yerleşmiştir. Çok değişik türde kristal yapılı madde vardır. Atom ve molekül yapıları düzenli bir yerleşim göstermeyen katı maddelere ise, amorf ya da kristal yapılı olmayan katilar denir. Ama amorf gibi gözüken katiların pek çoğu aslında çok küçük kristallerden oluşmuştur; kurum, cam, plastik ve reçine gibi maddeler ise gerçekten amorf katı maddelerdir. Pek çok madde (bileşikler), katı haldeyken birden çok biçimde bulunabilir; bu özelliğe polimorfizm ya da çokbiçimlilik denir. Örneğin, beyaz renkli bir katı madde olan kalsiyum karbonat, doğada iki ayrı kristal yapıda bulunabilir; bunlar kalsit ve aragonittir. Bazı kimyasal elementler de, katı haldeyken değişik biçimlerde bulunabilir. Aynı elementin değişik biçimlerine alotrop ya da ayrı biçim denir. Elmas ve grafit, katışıksız karbonun değişik alotroplarıdır.
Bir katının molekülleri, olağan sıcaklıklarda tamamen hareketsiz değildir; bu moleküller, bulundukları noktalarda sürekli titreşirler, ama bu titreşimleri komşu moleküllerin çekiminden kurtulacak ya da konumlarını değiştirecek kadar güçlü değildir. Bu nedenle de katı, kendi biçimini korur. Bir katı madde ısıtıldığı zaman, molekülleri daha büyük bir enerjiyle titreşir ve birbirlerinden daha çok uzaklaşırlar. Katiların ısıtıldıkları zaman genleşmelerinin nedeni budur. Eğer, ısıtma sürerse, titreşimler artar ve sonunda, katı yapıyı bir arada tutan çekim kuvvetlerini yenecek bir büyüklüğe ulaşır. O zaman moleküller, çevrelerinde dolaşabilecek duruma gelirler ve katı eriyerek sıvı hale geçer. Her katışıksız maddenin kendine özgü bir erime noktası vardır. Örneğin buz 0°C’de erir ve suya dönüşür. Katışıksız olmayan, yani katışık maddeler ise birkaç derecelik bir sıcaklık aralığında erir; ama bunların erime noktası her zaman, maddenin katışıksız halinin erime sıcaklığından daha düşüktür. Bu nedenle erime noktası, herhangi bir maddenin ne kadar katışıksız olduğunu gösteren iyi bir göstergedir. Bazı katılar ısıtıldıklarında, sıvılaşmadan doğrudan gaz haline geçer. Bu özelliğe süblimleşme ya da uçunum denir. Örneğin katı karbon dioksit (kuru buz), iyot, güvelere karşı kullanılan naftalin ve katı parfümler sıvılaşmadan süblimleşir.
Eğer bir katı madde bir sıvıya atıldığında erirse, yani sıvı (çözücü) içinde çözünürse, bir çözelti oluşturur. Değişik katilar, değişik çözücülerde değişik biçimlerde çözünür; bu, o katiların kendilerine özgü bir özelliğidir. Katiların öteki özellikleri de, molekül yapılarına ve katiyı bir arada tutan bağların tipine bağlı olarak belirlenir. Bu nedenle katiların, sertlik, gevreklik (kırılganlık), dövülebilirlik (katının biçimlendirilebilme kolaylığı), süneklik (katının silindirlerin arasından çekilerek ya da dövülerek inceltilebilme kolaylığı), basınca karşı direnç gibi pek çok özelliği birbirinden farklıdır.
Maddenin katı hali önceleri fazlaca incelenmemişti ve bilim adamları daha çok gazları araştırmışlardı. 20. yüzyılın başlarında ise, bilimsel araştırmalar sıvılar üzerinde yoğunlaştırıldı. Ama bugün katı hal sanayi açısından büyük önem taşımaktadır ve günümüzde bu alanda binlerce bilim adamı araştırma yapmaktadır. Katı hal ya da katılar fiziği, fiziğin yeni ama çok önemli bir dalı durumuna gelmiştir.