Historicky se rozlišují na základě kvalitativních rozdílů ve vlastnostech. Hmota v pevném stavu si zachovává pevný objem a tvar, přičemž složkové částice (atomy, molekuly nebo ionty) jsou těsně u sebe a pevně usazené. Hmota v kapalném stavu si zachovává pevný objem, ale má proměnlivý tvar, který se přizpůsobuje svému obalu. Její částice jsou stále blízko sebe, ale volně se pohybují. Hmota v plynném stavu má proměnlivý objem i tvar a přizpůsobuje se svému obalu. Její částice nejsou ani těsně u sebe, ani pevně na místě. Hmota v plazmatickém stavu má proměnlivý objem i tvar, ale kromě neutrálních atomů obsahuje i značný počet iontů a elektronů, které se mohou volně pohybovat. Plazma je nejběžnější formou viditelné hmoty ve vesmíru.

Čtyři základní stavy

Tvrdá látka

V pevné látce jsou částice (ionty, atomy nebo molekuly) těsně u sebe. Síly mezi částicemi jsou silné, takže částice se nemohou volně pohybovat, ale mohou pouze vibrovat. V důsledku toho má pevná látka stabilní, určitý tvar a určitý objem. Pevná tělesa mohou měnit svůj tvar pouze silou, například při rozbití nebo rozřezání.

V krystalických pevných látkách jsou částice (atomy, molekuly nebo ionty) uspořádány do pravidelně se opakujícího vzoru. Existují různé krystalové struktury a stejná látka může mít více než jednu strukturu (nebo pevnou fázi). Například železo má při teplotách nižších než 912 °C kubickou strukturu se středem v těle a při teplotách mezi 912 °C a 1394 °C kubickou strukturu se středem v čele. Led má patnáct známých krystalových struktur neboli patnáct pevných fází, které existují při různých teplotách a tlacích.

Skleněné a jiné nekrystalické, amorfní pevné látky bez uspořádání na dlouhou vzdálenost nejsou tepelně rovnovážnými základními stavy; proto jsou níže popsány jako neklasické stavy hmoty.

Pevné látky se mohou přeměnit na kapaliny tavením a mohou se také přímo změnit na plyny procesem sublimace.

Kapalina

Kapalina je téměř nestlačitelná tekutina, která se přizpůsobuje tvaru své nádoby, ale zachovává si (téměř) konstantní objem nezávisle na tlaku. Objem je definitivní, pokud jsou teplota a tlak konstantní. Když se pevná látka zahřeje nad svou teplotu tání, stane se kapalinou za předpokladu, že tlak je vyšší než trojný bod látky. Mezimolekulární (nebo meziatomové či interiontové) síly jsou stále důležité, ale molekuly mají dostatek energie, aby se vůči sobě pohybovaly, a struktura je pohyblivá. To znamená, že tvar kapaliny není definitivní, ale je určen její nádobou. Objem je obvykle větší než objem odpovídající pevné látky, nejznámější výjimkou je voda, H2O. Nejvyšší teplota, při které může daná kapalina existovat, je její kritická teplota.

Plyn

Plyn je stlačitelná kapalina. Plyn se nejen přizpůsobí tvaru své nádoby, ale také se rozpíná, aby nádobu vyplnil.

V plynu mají molekuly dostatečnou kinetickou energii, takže účinek mezimolekulárních sil je malý (nebo nulový pro ideální plyn) a typická vzdálenost mezi sousedními molekulami je mnohem větší než velikost molekul. Plyn nemá určitý tvar ani objem, ale zaujímá celou nádobu, ve které je uzavřen. Kapalinu lze přeměnit na plyn zahřátím při konstantním tlaku na bod varu nebo jinak snížením tlaku při konstantní teplotě.

Plyn se při teplotách nižších než jeho kritická teplota nazývá také pára a lze jej zkapalnit pouhým stlačením bez chlazení. Pára může existovat v rovnováze s kapalinou (nebo pevnou látkou), v takovém případě se tlak plynu rovná tlaku par kapaliny (nebo pevné látky).

Superkritická kapalina (SCF) je plyn, jehož teplota a tlak jsou vyšší než kritická teplota, resp. kritický tlak. V tomto stavu mizí rozdíl mezi kapalinou a plynem. Nadkritická kapalina má fyzikální vlastnosti plynu, ale její vysoká hustota jí v některých případech propůjčuje vlastnosti rozpouštědla, což vede k užitečným aplikacím. Například superkritický oxid uhličitý se používá k extrakci kofeinu při výrobě kávy bez kofeinu.

Plazma

Podobně jako plyn nemá plazma určitý tvar ani objem. Na rozdíl od plynů je plazma elektricky vodivé, vytváří magnetické pole a elektrické proudy a silně reaguje na elektromagnetické síly. Kladně nabitá jádra plavou v „moři“ volně se pohybujících disociovaných elektronů, podobně jako tyto náboje existují ve vodivém kovu. Ve skutečnosti je to právě toto elektronové „moře“, které umožňuje hmotě v plazmovém stavu vést elektřinu.

Plazmový stav je často špatně chápán, ale ve skutečnosti je na Zemi zcela běžný a většina lidí jej běžně pozoruje, aniž by si to uvědomovala. Blesky, elektrické jiskry, zářivky, neony, plazmové televize, některé druhy plamene a hvězdy jsou příklady osvětlené hmoty v plazmovém stavu.

Plyn se obvykle mění na plazmu jedním ze dvou způsobů, a to buď obrovským rozdílem napětí mezi dvěma body, nebo vystavením extrémně vysokým teplotám.

Zahřívání hmoty na vysoké teploty způsobuje, že elektrony opouštějí atomy, což vede k přítomnosti volných elektronů. Při velmi vysokých teplotách, jaké jsou například ve hvězdách, se předpokládá, že v podstatě všechny elektrony jsou „volné“ a že velmi vysokoenergetické plazma jsou v podstatě holá jádra plovoucí v moři elektronů.

Fázové přechody

Tento diagram znázorňuje přechody mezi čtyřmi základními stavy hmoty.

Stav hmoty je také charakterizován fázovými přechody. Fázový přechod označuje změnu struktury a lze jej rozpoznat podle náhlé změny vlastností. Odlišný stav hmoty lze definovat jako jakýkoli soubor stavů, který se odlišuje od jiného souboru stavů fázovým přechodem. Lze říci, že voda má několik odlišných pevných stavů. Vznik supravodivosti je spojen s fázovým přechodem, takže existují supravodivé stavy. Podobně jsou fázovými přechody vymezeny feromagnetické stavy, které mají charakteristické vlastnosti. Pokud změna stavu probíhá postupně, mezistupně se nazývají mezofáze. Takové fáze byly využity zavedením technologie kapalných krystalů.

Stav nebo fáze daného souboru látek se může měnit v závislosti na tlakových a teplotních podmínkách a přecházet do jiných fází, jakmile se tyto podmínky změní ve prospěch jejich existence; například pevná látka přechází do kapaliny se zvýšením teploty. V blízkosti absolutní nuly existuje látka jako pevná látka. Když se k této látce přidává teplo, taví se na kapalinu při teplotě tání, vaří se na plyn při teplotě varu a při dostatečně vysokém zahřátí by přešla do stavu plazmatu, ve kterém jsou elektrony natolik nabité energií, že opouštějí své mateřské atomy.

Formy hmoty, které nejsou složeny z molekul a jsou uspořádány různými silami, lze také považovat za různé stavy hmoty. Příkladem jsou supratekuté látky (jako je fermionový kondenzát) a kvark-gluonové plazma.

V chemické rovnici lze látkový stav chemických látek znázornit jako (s) pro pevnou látku, (l) pro kapalinu a (g) pro plyn. Vodný roztok se označuje (aq). Hmota v plazmatickém stavu se v chemických rovnicích používá zřídka (pokud vůbec), takže pro její označení neexistuje žádný standardní symbol. Ve vzácných rovnicích, které se v plazmatu používají, je plazma symbolizována jako (p).

Neklasické stavy

Sklo

Schematické znázornění sklovité formy s náhodnou sítí (vlevo) a uspořádané krystalické mřížky (vpravo) stejného chemického složení.

Sklo je nekrystalický nebo amorfní pevný materiál, který při zahřátí směrem ke kapalnému stavu vykazuje skelný přechod. Skla mohou být vyrobena ze zcela odlišných tříd materiálů: anorganické sítě (například okenní sklo, vyrobené z křemičitanů plus přísady), kovové slitiny, iontové taveniny, vodné roztoky, molekulární kapaliny a polymery. Z termodynamického hlediska je sklo ve vztahu ke svému krystalickému protějšku v metastabilním stavu. Rychlost přeměny je však prakticky nulová.

Krystaly s určitým stupněm neuspořádanosti

Plastický krystal je molekulární pevná látka s dálkovým polohovým uspořádáním, ale s molekulami složek, které si zachovávají rotační volnost; v orientačním skle je tento stupeň volnosti zmrazen ve zhášeném neuspořádaném stavu.

Podobně je ve spinovém skle zmrazena magnetická neuspořádanost.

Stavy kapalných krystalů