Historiallisesti erottelu on tehty ominaisuuksien laadullisten erojen perusteella. Kiinteässä olomuodossa oleva aine säilyttää kiinteän tilavuuden ja muodon, ja sen osatekijät (atomit, molekyylit tai ionit) ovat lähellä toisiaan ja paikallaan. Nestemäisessä tilassa olevalla aineella on kiinteä tilavuus, mutta sen muoto on muuttuva ja se mukautuu säiliöönsä. Sen hiukkaset ovat edelleen lähellä toisiaan, mutta liikkuvat vapaasti. Kaasumaisessa olomuodossa olevalla aineella on sekä muuttuva tilavuus että muuttuva muoto, ja se mukautuu säiliöönsä. Sen hiukkaset eivät ole lähekkäin eivätkä paikallaan. Plasmatilassa olevan aineen tilavuus ja muoto vaihtelevat, mutta neutraalien atomien lisäksi se sisältää huomattavan määrän ioneja ja elektroneja, jotka molemmat voivat liikkua vapaasti. Plasma on maailmankaikkeuden yleisin näkyvän aineen muoto.
Aineen neljä perustilaa. Ylhäältä vasemmalta myötäpäivään ne ovat kiinteä, neste, plasma ja kaasu, joita edustavat vastaavasti jääveistos, vesipisara, tesla-kelan sähkökaari ja pilviä ympäröivä ilma.
Neljä perustilaa
Kiinteä
Kiinteässä aineessa hiukkaset (ionit, atomit tai molekyylit) ovat tiiviisti yhdessä. Hiukkasten väliset voimat ovat voimakkaita, joten hiukkaset eivät voi liikkua vapaasti vaan ainoastaan värähtelevät. Tämän seurauksena kiinteällä aineella on vakaa, tietty muoto ja tietty tilavuus. Kiinteät aineet voivat muuttaa muotoaan vain voimalla, kuten rikkoutuessaan tai leikatessaan.
Kiteisissä kiinteissä aineissa hiukkaset (atomit, molekyylit tai ionit) ovat pakkautuneet säännöllisesti järjestettyyn, toistuvaan kuvioon. Kiderakenteita on erilaisia, ja samalla aineella voi olla useampi kuin yksi rakenne (tai kiinteä faasi). Esimerkiksi raudalla on alle 912 °C:n lämpötiloissa kappalekeskeinen kuutiorakenne ja 912-1394 °C:n lämpötiloissa kasvokeskeinen kuutiorakenne. Jäällä on viisitoista tunnettua kiderakennetta eli viisitoista kiinteää faasia, jotka ovat olemassa eri lämpötiloissa ja paineissa.
Lasit ja muut ei-kiteiset, amorfiset kiinteät aineet, joilla ei ole pitkien etäisyyksien järjestystä, eivät ole termisessä tasapainossa olevia perustiloja; siksi niitä kuvataan jäljempänä ei-klassisina aineen tiloina.
Kiinteät aineet voivat muuttua nesteiksi sulattamalla ja ne voivat myös muuttua suoraan kaasuiksi sublimoitumalla.
Neste
Klassisen yhden atomin nesteen rakenne. Atomeilla on paljon lähimpiä naapureita kosketuksissa, mutta pitkän kantaman järjestystä ei ole.
Neste on lähes kokoonpuristumaton neste, joka mukautuu säiliönsä muotoon mutta säilyttää (lähes) vakiotilavuuden paineesta riippumatta. Tilavuus on määrätty, jos lämpötila ja paine ovat vakioita. Kun kiinteä aine kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolelle, siitä tulee neste, kunhan paine on suurempi kuin aineen kolmoispiste. Molekyylien väliset (tai atomien väliset tai ionien väliset) voimat ovat edelleen tärkeitä, mutta molekyyleillä on riittävästi energiaa liikkua toisiinsa nähden ja rakenne on liikkuva. Tämä tarkoittaa, että nesteen muoto ei ole lopullinen, vaan se määräytyy sen säiliön mukaan. Nesteen tilavuus on yleensä suurempi kuin vastaavan kiinteän aineen, tunnetuin poikkeus on vesi, H2O. Korkein lämpötila, jossa tietty neste voi olla olemassa, on sen kriittinen lämpötila.
kaasu
Kaasumolekyylien väliset tilat ovat hyvin suuria. Kaasumolekyyleillä on hyvin heikkoja sidoksia tai niitä ei ole lainkaan. ”Kaasun” molekyylit voivat liikkua vapaasti ja nopeasti.
Kaasu on kokoonpuristuva neste. Sen lisäksi, että kaasu mukautuu astiansa muotoon, se myös laajenee täyttääkseen astian.
Gaasissa molekyyleillä on riittävästi liike-energiaa, joten molekyylien välisten voimien vaikutus on pieni (tai nolla ideaalikaasussa), ja tyypillinen etäisyys vierekkäisten molekyylien välillä on paljon suurempi kuin molekyylin koko. Kaasulla ei ole tiettyä muotoa tai tilavuutta, vaan se täyttää koko säiliön, johon se on suljettu. Neste voidaan muuttaa kaasuksi kuumentamalla se vakiopaineessa kiehumispisteeseen tai muuten alentamalla painetta vakiolämpötilassa.
Kriittistä lämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa kaasua kutsutaan myös höyryksi, ja se voidaan nesteyttää pelkällä puristuksella ilman jäähdytystä. Höyry voi olla tasapainossa nesteen (tai kiinteän aineen) kanssa, jolloin kaasun paine on yhtä suuri kuin nesteen (tai kiinteän aineen) höyrynpaine.
Ylikriittinen neste (supercritical fluid, SCF) on kaasu, jonka lämpötila on yli kriittisen lämpötilan ja paine yli kriittisen paineen. Tässä tilassa nesteen ja kaasun välinen ero katoaa. Ylikriittisellä nesteellä on kaasun fysikaaliset ominaisuudet, mutta sen suuri tiheys antaa joissakin tapauksissa liuotinominaisuuksia, mikä johtaa hyödyllisiin sovelluksiin. Esimerkiksi ylikriittistä hiilidioksidia käytetään kofeiinin uuttamiseen kofeiinittoman kahvin valmistuksessa.
Plasma
Plasmassa elektronit repeytyvät irti ytimestään muodostaen elektronien ”meren”. Tämä antaa sille kyvyn johtaa sähköä.
Kuten kaasulla, plasmalla ei ole tiettyä muotoa tai tilavuutta. Toisin kuin kaasut, plasmat ovat sähköä johtavia, tuottavat magneettikenttiä ja sähkövirtoja ja reagoivat voimakkaasti sähkömagneettisiin voimiin. Positiivisesti varatut ytimet uivat vapaasti liikkuvien disassosioituneiden elektronien ”meressä” samaan tapaan kuin tällaiset varaukset ovat olemassa johtavassa metallissa. Itse asiassa juuri tämä elektronien ”meri” antaa plasmatilassa olevalle aineelle mahdollisuuden johtaa sähköä.
Plasmatila ymmärretään usein väärin, mutta se on itse asiassa varsin yleinen maapallolla, ja suurin osa ihmisistä havainnoi sitä säännöllisesti edes huomaamattaan. Salamat, sähkökipinät, loisteputket, neonvalot, plasmatelevisiot, tietyntyyppiset liekit ja tähdet ovat kaikki esimerkkejä plasmatilassa valaistusta aineesta.
Kaasu muuttuu yleensä plasmaksi jollakin kahdesta tavasta, joko kahden pisteen välisestä valtavasta jännite-erosta tai altistamalla se erittäin korkeille lämpötiloille.
Aineen lämmittäminen korkeisiin lämpötiloihin saa aikaan sen, että elektronit lähtevät pois atomeista, minkä seurauksena atomeissa on vapaita elektroneja. Hyvin korkeissa lämpötiloissa, kuten tähdissä, oletetaan, että olennaisesti kaikki elektronit ovat ”vapaita”, ja että hyvin korkeaenerginen plasma on olennaisesti paljaita ytimiä, jotka uivat elektronien meressä.
Faasisiirtymät
Tämä kaavio havainnollistaa aineen neljän perustilan välisiä siirtymiä.
Ainetilaa luonnehtivat myös faasitason muutokset. Faasimuutos osoittaa rakenteen muutosta, ja sen voi tunnistaa ominaisuuksien äkillisestä muutoksesta. Erillinen aineen olomuoto voidaan määritellä minkä tahansa olomuodon joukoksi, joka eroaa mistä tahansa toisesta olomuodon joukosta faasimuutoksen avulla. Vedellä voidaan sanoa olevan useita erillisiä kiinteitä tiloja. Suprajohtavuuden ilmenemiseen liittyy faasimuutos, joten on olemassa suprajohtavia tiloja. Samoin ferromagneettiset tilat eroavat toisistaan faasisiirtymien avulla, ja niillä on erityisiä ominaisuuksia. Kun olomuodonmuutos tapahtuu vaiheittain, välivaiheita kutsutaan mesofaaseiksi. Tällaisia faaseja on hyödynnetty nestekidetekniikan käyttöönotossa.
Jonkin ainekokonaisuuden tila tai faasi voi muuttua paine- ja lämpötilaolosuhteista riippuen ja siirtyä toisiin faaseihin, kun nämä olosuhteet muuttuvat niiden olemassaoloa suosiviksi; esimerkiksi kiinteä aine siirtyy nesteeksi lämpötilan noustessa. Lähellä absoluuttista nollaa aine on olemassa kiinteänä aineena. Kun tähän aineeseen lisätään lämpöä, se sulaa nesteeksi sulamispisteessään, kiehuu kaasuksi kiehumispisteessään, ja jos sitä kuumennetaan tarpeeksi korkealle, se siirtyy plasmatilaan, jossa elektronit saavat niin paljon energiaa, että ne lähtevät emoatomeistaan.
Aineen muotoja, jotka eivät koostu molekyyleistä ja jotka ovat järjestäytyneet erilaisten voimien vaikutuksesta, voidaan myös pitää erilaisina aineen tiloina. Superfluidit (kuten fermionikondensaatti) ja kvark-gluoniplasma ovat esimerkkejä.
Kemiallisessa yhtälössä kemikaalien olomuodot voidaan esittää seuraavasti: (s) tarkoittaa kiinteää, (l) nestettä ja (g) kaasua. Vesiliuosta merkitään (aq). Plasmatilassa olevaa ainetta käytetään harvoin (jos lainkaan) kemiallisissa yhtälöissä, joten sen merkitsemiseen ei ole vakiosymbolia. Niissä harvoissa yhtälöissä, joissa plasmaa käytetään, plasmaa symbolisoidaan (p).
Ei-klassiset tilat
Lasi
Lasi on ei-kiteistä tai amorfista kiinteää ainetta, joka kuumentuessaan nestemäistä olotilaa kohti lasittuu. Lasit voivat koostua varsin erilaisista materiaaliluokista: epäorgaanisista verkoista (kuten ikkunalasi, joka on valmistettu silikaatista ja lisäaineista), metalliseoksista, ionisuloista, vesiliuoksista, molekyylinesteistä ja polymeereistä. Termodynaamisesti lasi on kiteiseen vastineeseensa nähden metastabiilissa tilassa. Muuntumisnopeus on kuitenkin käytännössä nolla.
Kiteet, joilla on jonkinasteinen epäjärjestys
Plastinen kide on molekyylinen kiinteä aine, jolla on pitkän kantaman sijaintijärjestys, mutta jonka muodostavilla molekyyleillä säilyy rotaatiovapaus; orientaatiolaseissa tämä vapaus on jäätynyt sammutettuun epäjärjestystilaan.
Vaavasti spin-lasissa magneettinen epäjärjestys on jäädytetty.
Nestekidetilat
Nestekidetilat ovat ominaisuuksiltaan liikkuvien nesteiden ja järjestettyjen kiinteiden aineiden välimaastossa. Yleensä ne kykenevät virtaamaan nesteen tavoin, mutta niillä on pitkän kantaman järjestys. Esimerkiksi nemaattinen faasi koostuu pitkistä sauvamaisista molekyyleistä, kuten para-atsoksyanisolista, joka on nemaattinen lämpötila-alueella 118-136 °C. Tässä tilassa molekyylit virtaavat kuten nesteessä, mutta ne kaikki osoittavat samaan suuntaan (kunkin domainin sisällä) eivätkä voi pyöriä vapaasti.
Muut nestekiteiden tyypit on kuvattu näitä tiloja käsittelevässä pääartikkelissa. Useilla tyypeillä on teknologista merkitystä esimerkiksi nestekidenäytöissä.
Magneettisesti järjestäytyneet
Transitiometalliatomeilla on usein magneettisia momentteja, jotka johtuvat parittomiksi jäävien ja kemiallisia sidoksia muodostamattomien elektronien nettospinistä. Joissakin kiinteissä aineissa eri atomien magneettiset momentit ovat järjestäytyneet ja voivat muodostaa ferromagneetin, antiferromagneetin tai ferrimagneetin.
Ferromagneetissa – esimerkiksi kiinteässä raudassa – jokaisen atomin magneettinen momentti on kohdistettu samaan suuntaan (magneettisen alueen sisällä). Jos myös domeenit ovat samassa linjassa, kiinteä kappale on kestomagneetti, joka on magneettinen myös ilman ulkoista magneettikenttää. Magnetoituminen häviää, kun magneetti kuumennetaan Curie-pisteeseen, joka raudalle on 768 °C.
Antiferromagneetissa on kaksi verkostoa, joilla on yhtä suuret ja vastakkaiset magneettiset momentit, jotka kumoavat toisensa niin, että nettomagnetoituminen on nolla. Esimerkiksi nikkeli(II)oksidissa (NiO) puolet nikkeliatomien momenteista on suuntautunut yhteen suuntaan ja puolet vastakkaiseen suuntaan.
Ferrimagneetissa kaksi magneettisten momenttien verkostoa ovat vastakkaisia, mutta epätasa-arvoisia, joten kumoutuminen on epätäydellistä ja nettomagnetoituminen on ei-nolla. Esimerkki on magnetiitti (Fe3O4), joka sisältää Fe2+- ja Fe3+-ioneja, joilla on erilaiset magneettiset momentit.
Huomautukset ja viitteet
- 2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: ”… He ovat ensimmäisinä luoneet uudenlaista ainetta, atomikaasua, joka osoittaa korkean lämpötilan supernesteisyyttä.”
- 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
- 2004-01-15, ScienceDaily: Citat: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter: ”…Olemme ilmeisesti ensimmäistä kertaa havainneet kiinteän aineen, jolla on supernesteen ominaisuudet…mutta koska kaikki sen hiukkaset ovat identtisessä kvanttitilassa, se pysyy kiinteänä, vaikka sen komponenttihiukkaset ovat jatkuvassa liikkeessä…”
- 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
- Lyhyet videot, jotka demonstroivat aineen olomuodot, kiinteät aineet, nesteet ja kaasut professori J. M. Murrellilta, Sussexin yliopistosta
.