Historisk set er sondringen baseret på kvalitative forskelle i egenskaber. Materie i fast tilstand har et fast volumen og en fast form, hvor de enkelte partikler (atomer, molekyler eller ioner) ligger tæt sammen og er fast på plads. Materie i flydende tilstand har et fast volumen, men har en variabel form, der tilpasser sig sin beholder. Dens partikler er stadig tæt sammen, men bevæger sig frit. Materie i gasform har både et variabelt volumen og en variabel form, som tilpasser sig begge dele til sin beholder. Dens partikler er hverken tæt på hinanden eller faste på stedet. Materie i plasmatilstand har et variabelt volumen og en variabel form, men ud over neutrale atomer indeholder den et betydeligt antal ioner og elektroner, som begge kan bevæge sig frit rundt. Plasma er den mest almindelige form for synligt stof i universet.

De fire fundamentale tilstande

Fast stof

I et fast stof er partiklerne (ioner, atomer eller molekyler) tæt pakket sammen. Kræfterne mellem partiklerne er stærke, således at partiklerne ikke kan bevæge sig frit, men kun kan vibrere. Som følge heraf har et fast stof en stabil, bestemt form og et bestemt volumen. Faste stoffer kan kun ændre deres form ved hjælp af kraft, f.eks. når de brydes eller skæres.

I krystallinske faste stoffer er partiklerne (atomer, molekyler eller ioner) pakket i et regelmæssigt ordnet, gentaget mønster. Der findes forskellige forskellige krystalstrukturer, og det samme stof kan have mere end én struktur (eller fast fase). Jern har f.eks. en kubisk struktur ved temperaturer under 912 °C og en kubisk struktur mellem 912 og 1394 °C. Is har femten kendte krystalstrukturer eller femten faste faser, som findes ved forskellige temperaturer og tryk.

Glas og andre ikke-krystallinske, amorfe faste stoffer uden langtrækkende orden er ikke termiske ligevægtsgrundtilstande; derfor beskrives de nedenfor som ikke-klassiske stoftilstande.

Feststoffer kan omdannes til væsker ved smeltning og kan også overgå direkte til gasser gennem sublimeringsprocessen.

Væske

En væske er en næsten inkompressibel væske, der tilpasser sig formen af sin beholder, men bevarer et (næsten) konstant volumen uafhængigt af trykket. Volumenet er bestemt, hvis temperatur og tryk er konstante. Når et fast stof opvarmes over sit smeltepunkt, bliver det flydende, forudsat at trykket er højere end stoffets tripelpunkt. Intermolekylære (eller interatomare eller interioniske) kræfter er stadig vigtige, men molekylerne har nok energi til at bevæge sig i forhold til hinanden, og strukturen er bevægelig. Det betyder, at en væskes form ikke er bestemt, men at den bestemmes af dens beholder. Volumenet er normalt større end det tilsvarende faste stof, med vand, H2O, som den mest kendte undtagelse. Den højeste temperatur, ved hvilken en given væske kan eksistere, er dens kritiske temperatur.

Gas

En gas er en komprimerbar væske. Ikke alene vil en gas tilpasse sig formen af sin beholder, men den vil også udvide sig for at fylde beholderen.

I en gas har molekylerne tilstrækkelig kinetisk energi til, at virkningen af de intermolekylære kræfter er lille (eller nul for en idealgas), og den typiske afstand mellem nabomolekyler er meget større end molekylstørrelsen. En gas har ingen bestemt form eller volumen, men fylder hele den beholder, hvori den er indesluttet. En væske kan omdannes til en gas ved opvarmning ved konstant tryk til kogepunktet eller ved at reducere trykket ved konstant temperatur.

Ved temperaturer under dens kritiske temperatur kaldes en gas også en damp, og den kan gøres flydende alene ved kompression uden afkøling. En damp kan eksistere i ligevægt med en væske (eller et fast stof), i hvilket tilfælde gastrykket er lig med væskens (eller det faste stofs) damptryk.

En superkritisk væske (SCF) er en gas, hvis temperatur og tryk er over henholdsvis den kritiske temperatur og det kritiske tryk. I denne tilstand forsvinder forskellen mellem væske og gas. En superkritisk væske har de fysiske egenskaber som en gas, men dens høje densitet giver i nogle tilfælde opløsningsmiddelegenskaber, hvilket fører til nyttige anvendelser. F.eks. anvendes superkritisk kuldioxid til at udvinde koffein ved fremstilling af koffeinfri kaffe.

Plasma

Som en gas har plasma ikke en bestemt form eller volumen. I modsætning til gasser er plasmaer elektrisk ledende, producerer magnetfelter og elektriske strømme og reagerer stærkt på elektromagnetiske kræfter. Positivt ladede kerner svømmer i et “hav” af frit bevægelige disassocierede elektroner, svarende til den måde, hvorpå sådanne ladninger findes i ledende metal. Det er faktisk dette elektron-“hav”, der gør det muligt for stof i plasmatilstanden at lede elektricitet.

Plasmatilstanden er ofte misforstået, men den er faktisk ganske almindelig på Jorden, og de fleste mennesker observerer den regelmæssigt uden at være klar over det. Lyn, elektriske gnister, lysstofrør, neonlys, plasma-tv, visse typer flammer og stjernerne er alle eksempler på belyst stof i plasmatilstand.

En gas omdannes normalt til et plasma på en af to måder, enten ved en enorm spændingsforskel mellem to punkter eller ved at udsætte den for ekstremt høje temperaturer.

Varme stof op til høje temperaturer får elektroner til at forlade atomerne, hvilket resulterer i tilstedeværelsen af frie elektroner. Ved meget høje temperaturer, som dem, der findes i stjerner, antages det, at stort set alle elektroner er “frie”, og at et meget højenergiplasma stort set er nøgne kerner, der svømmer i et hav af elektroner.

Faseovergange

Dette diagram illustrerer overgange mellem de fire fundamentale stoftilstande.

En stoftilstand er også karakteriseret ved faseovergange. En faseovergang angiver en ændring i strukturen og kan genkendes ved en pludselig ændring i egenskaberne. En særskilt stoftilstand kan defineres som ethvert sæt af tilstande, der adskiller sig fra ethvert andet sæt af tilstande ved en faseovergang. Man kan sige, at vand har flere forskellige faste tilstande. Fremkomsten af superledning er forbundet med en faseovergang, så der findes superledende tilstande. På samme måde er ferromagnetiske tilstande afgrænset af faseovergange og har særlige egenskaber. Når tilstandsskiftet sker i etaper, kaldes de mellemliggende trin for mesofaser. Sådanne faser er blevet udnyttet ved indførelsen af flydende krystalteknologi.

Tilstanden eller fasen af et givet sæt stof kan ændre sig afhængigt af tryk- og temperaturforhold og overgå til andre faser, efterhånden som disse forhold ændrer sig for at begunstige deres eksistens; f.eks. overgår fast stof til væske med en stigning i temperaturen. I nærheden af det absolutte nulpunkt eksisterer et stof som et fast stof. Når der tilføres varme til dette stof, smelter det til en væske ved smeltepunktet, koger til en gas ved kogepunktet og vil, hvis det opvarmes højt nok, gå ind i en plasmatilstand, hvor elektronerne får så meget energi, at de forlader deres moderatomer.

Materieformer, der ikke er sammensat af molekyler og er organiseret af forskellige kræfter, kan også betragtes som forskellige stoftilstande. Superfluider (som f.eks. fermionisk kondensat) og kvark-gluonplasmaet er eksempler herpå.

I en kemisk ligning kan stoftilstanden for kemikalierne angives som (s) for fast stof, (l) for flydende stof og (g) for gas. En vandig opløsning betegnes (aq). Materie i plasmatilstand anvendes sjældent (hvis overhovedet) i kemiske ligninger, så der findes ikke noget standardsymbol til at betegne den. I de sjældne ligninger, som plasma bruges i, symboliseres plasma med (p).

Non-klassiske tilstande

Glas

Skematisk fremstilling af en glasagtig form med tilfældigt net (venstre) og et ordnet krystallinsk gitter (højre) med identisk kemisk sammensætning.

Glas er et ikke-krystallinsk eller amorf fast materiale, der udviser en glasovergang ved opvarmning mod den flydende tilstand. Glas kan være fremstillet af ganske forskellige klasser af materialer: uorganiske netværk (som f.eks. vinduesglas, der er fremstillet af silikat plus additiver), metalliske legeringer, ioniske smelter, vandige opløsninger, molekylære væsker og polymerer. Termodynamisk set befinder et glas sig i en metastabil tilstand i forhold til sit krystallinske modstykke. Omdannelseshastigheden er dog praktisk talt nul.

Krystaller med en vis grad af uorden

Et plastisk krystal er et molekylært fast stof med positionel orden på lang afstand, men hvor de konstituerende molekyler bevarer rotationsfrihed; i et orienteringsglas er denne frihedsgrad frosset i en afblændet uordnet tilstand.

Sådan er den magnetiske uorden i et spin-glas frosset ned.

Flydende krystaltilstande

Flydende krystaltilstande har egenskaber, der ligger mellem mobile væsker og ordnede faste stoffer. Generelt er de i stand til at flyde som en væske, men udviser langtrækkende orden. For eksempel består den nematiske fase af lange stavlignende molekyler såsom para-azoxyanisol, som er nematisk i temperaturområdet 118-136 °C. I denne tilstand flyder molekylerne som i en væske, men de peger alle i samme retning (inden for hvert domæne) og kan ikke rotere frit.

Andre typer af flydende krystaller er beskrevet i hovedartiklen om disse tilstande. Flere typer har teknologisk betydning, f.eks. i flydende krystalskærme.

Magnetisk ordnet

Overgangsmetalatomer har ofte magnetiske momenter på grund af nettospinet af elektroner, der forbliver upåparede og ikke danner kemiske bindinger. I nogle faste stoffer er de magnetiske momenter på forskellige atomer ordnet og kan danne en ferromagnet, en antiferromagnet eller en ferrimagnet.

I en ferromagnet – for eksempel fast jern – er det magnetiske moment på hvert atom rettet i samme retning (inden for et magnetisk domæne). Hvis domænerne også er rettet ud, er det faste stof en permanent magnet, som er magnetisk, selv i fravær af et ydre magnetfelt. Magnetiseringen forsvinder, når magneten opvarmes til Curiepunktet, som for jern er 768 °C.

En antiferromagnet har to netværk af lige store og modsatrettede magnetiske momenter, som ophæver hinanden, så nettomagnetiseringen er nul. For eksempel i nikkel(II)oxid (NiO) har halvdelen af nikkelatomerne momenter, der er rettet i den ene retning og halvdelen i den modsatte retning.

I et ferrimagnet er de to netværk af magnetiske momenter modsatrettede, men ulige, således at ophævelsen er ufuldstændig, og der er en nettomagnetisering, der ikke er nul. Et eksempel er magnetit (Fe3O4), som indeholder Fe2+- og Fe3+-ioner med forskellige magnetiske momenter.

Noter og referencer

• 2005-06-22, MIT News: MIT-fysikere skaber ny form for stof Citat: “… De er blevet de første til at skabe en ny type stof, en gas af atomer, der viser superfluiditet ved høj temperatur.”
• 2003-10-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Sandsynlig opdagelse af en ny, superfast fase af stof Citat: Vi har tilsyneladende for første gang observeret et fast materiale med karakteristika som en superfluid… men fordi alle dets partikler er i den samme kvantetilstand, forbliver det et fast stof, selv om dets bestanddelpartikler hele tiden flyder…”
• 2004-01-29, ScienceDaily: ScienceDaily: “En ny fase af fast stof i superfedtstoffet er åbenbart opdaget: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: En fermionisk kondensat
• Korte videoer med demonstration af stoftilstande, faste stoffer, væsker og gasser af professor J M M Murrell, University of Sussex