A megkülönböztetés történelmileg a tulajdonságok minőségi különbségei alapján történt. A szilárd halmazállapotú anyag rögzített térfogatot és alakot tart fenn, az alkotórészecskék (atomok, molekulák vagy ionok) szorosan egymás mellett helyezkednek el és rögzülnek a helyükön. A folyékony halmazállapotú anyag térfogata állandó, de alakja változó, és alkalmazkodik a tárolóedényéhez. A részecskék még mindig közel vannak egymáshoz, de szabadon mozognak. A gáz halmazállapotú anyag térfogata és alakja egyaránt változó, és mindkettő alkalmazkodik a tartályához. Részecskéi nincsenek sem közel egymáshoz, sem helyhez kötöttek. A plazmaállapotú anyag térfogata és alakja változó, de a semleges atomok mellett jelentős számú iont és elektront is tartalmaz, amelyek mindkettő szabadon mozoghat. A plazma a világegyetemben a látható anyag leggyakoribb formája.
Az anyag négy alapvető állapota. Balról felülről az óramutató járásával megegyező irányban: szilárd, folyékony, plazma és gáz, amelyeket egy jégszobor, egy vízcsepp, egy tesla-tekercsből kiáramló elektromos ív, illetve a felhőket körülvevő levegő ábrázol.
A négy alapvető állapot
Szilárd
A szilárd anyagban a részecskék (ionok, atomok vagy molekulák) szorosan egymás mellett helyezkednek el. A részecskék közötti erők erősek, így a részecskék nem tudnak szabadon mozogni, csak rezegni. Ennek eredményeként a szilárd testnek stabil, meghatározott alakja és térfogata van. A szilárd testek alakjukat csak erő hatására tudják megváltoztatni, például törés vagy vágás esetén.
A kristályos szilárd testekben a részecskék (atomok, molekulák vagy ionok) szabályosan rendezett, ismétlődő mintázatba vannak rendezve. Különböző kristályszerkezetek léteznek, és ugyanannak az anyagnak egynél több szerkezete (vagy szilárd fázisa) is lehet. Például a vas 912 °C alatti hőmérsékleten testközpontú köbös szerkezetű, 912 °C és 1394 °C között pedig arcközpontú köbös szerkezetű. A jégnek tizenöt ismert kristályszerkezete vagy tizenöt szilárd fázisa van, amelyek különböző hőmérsékleten és nyomáson léteznek.
A hosszútávú rendezettség nélküli, nem kristályos, amorf szilárd anyagok nem termikus egyensúlyi alapállapotok, ezért az alábbiakban nem klasszikus anyagállapotokként írjuk le őket.
A szilárd anyagok olvadással folyadékká alakíthatók, és szublimációval közvetlenül gázzá is változhatnak.
Folyadék
Klasszikus egyatomos folyadék szerkezete. Az atomok sok legközelebbi szomszédja érintkezik, de nincs hosszú távú rendezettség.
A folyadék egy közel összenyomhatatlan folyadék, amely alkalmazkodik a tartály alakjához, de a nyomástól függetlenül megtartja (közel) állandó térfogatát. A térfogat akkor határozott, ha a hőmérséklet és a nyomás állandó. Ha egy szilárd anyagot az olvadáspontja fölé melegítünk, akkor folyékonnyá válik, feltéve, hogy a nyomás nagyobb, mint az anyag hármaspontja. Az intermolekuláris (vagy interatomi vagy interionikus) erők még mindig fontosak, de a molekuláknak elegendő energiájuk van ahhoz, hogy egymáshoz képest mozogjanak, és a szerkezet mozgékony. Ez azt jelenti, hogy a folyadék alakja nem végleges, hanem a tartálya határozza meg. A térfogata általában nagyobb, mint a megfelelő szilárd anyagé, a legismertebb kivétel a víz, H2O. A legmagasabb hőmérséklet, amelyen egy adott folyadék létezhet, a kritikus hőmérséklet.
Gáz
A gázmolekulák közötti terek nagyon nagyok. A gázmolekuláknak nagyon gyenge vagy egyáltalán nincs kötésük. A “gázban” lévő molekulák szabadon és gyorsan mozoghatnak.
A gáz egy összenyomható folyadék. A gáz nem csak a tartály alakjához igazodik, hanem ki is tágul, hogy kitöltse a tartályt.
A gázban a molekuláknak elegendő mozgási energiájuk van ahhoz, hogy a molekulák közötti erők hatása kicsi (vagy ideális gáz esetén nulla), és a szomszédos molekulák közötti jellemző távolság sokkal nagyobb, mint a molekulák mérete. A gáznak nincs meghatározott alakja vagy térfogata, hanem az egész tartályt elfoglalja, amelybe be van zárva. A folyadékot gázzá lehet alakítani állandó nyomáson a forráspontig történő melegítéssel, vagy állandó hőmérsékleten a nyomás csökkentésével.
A kritikus hőmérséklete alatti hőmérsékleten a gázt gőznek is nevezik, és csak sűrítéssel, hűtés nélkül cseppfolyósítható. A gőz létezhet folyadékkal (vagy szilárd anyaggal) egyensúlyban, ilyenkor a gáznyomás megegyezik a folyadék (vagy szilárd anyag) gőznyomásával.
A szuperkritikus folyadék (SCF) olyan gáz, amelynek hőmérséklete és nyomása a kritikus hőmérséklet, illetve a kritikus nyomás felett van. Ebben az állapotban megszűnik a folyadék és a gáz közötti különbségtétel. A szuperkritikus folyadék rendelkezik a gáz fizikai tulajdonságaival, de nagy sűrűsége bizonyos esetekben oldószer tulajdonságokat kölcsönöz, ami hasznos alkalmazásokhoz vezet. Például a szuperkritikus szén-dioxidot koffein kivonására használják a koffeinmentes kávé előállítása során.
Plazma
A plazmában az elektronok elszakadnak az atommagjaiktól, elektron “tengert” alkotva. Ez adja az elektromosság vezetésének képességét.
A plazma a gázokhoz hasonlóan nem rendelkezik meghatározott alakkal vagy térfogattal. A gázokkal ellentétben a plazmák elektromosan vezetőképesek, mágneses tereket és elektromos áramokat hoznak létre, és erősen reagálnak az elektromágneses erőkre. A pozitív töltésű atommagok szabadon mozgó disszociált elektronok “tengerében” úsznak, hasonlóan ahhoz, ahogyan az ilyen töltések a vezető fémekben is léteznek. Valójában ez az elektron “tenger” teszi lehetővé, hogy a plazmaállapotban lévő anyag vezetni tudja az elektromosságot.
A plazmaállapotot gyakran félreértik, de valójában elég gyakori a Földön, és az emberek többsége rendszeresen megfigyeli anélkül, hogy észrevenné. A villámok, az elektromos szikrák, a fénycsövek, a neonfények, a plazmatévék, a lángok bizonyos fajtái és a csillagok mind példák a plazmaállapotban világító anyagra.
A gáz általában kétféleképpen alakul át plazmává: vagy két pont közötti hatalmas feszültségkülönbség hatására, vagy rendkívül magas hőmérsékletnek kitéve.
Az anyag magas hőmérsékletre való felmelegítése következtében az elektronok elhagyják az atomokat, ami szabad elektronok jelenlétét eredményezi. Nagyon magas hőmérsékleten, mint például a csillagokban, feltételezik, hogy lényegében minden elektron “szabad”, és a nagyon nagy energiájú plazma lényegében csupasz atommagok úsznak az elektronok tengerében.
Fázisátmenetek
Ez az ábra az anyag négy alapvető állapota közötti átmeneteket szemlélteti.
Egy anyagállapotot fázisátmenetek is jellemeznek. A fázisátmenet a szerkezet megváltozását jelzi, és a tulajdonságok hirtelen változásáról ismerhető fel. Megkülönböztetett halmazállapotként definiálható bármely olyan halmazállapot, amelyet fázisátmenet különböztet meg bármely más halmazállapottól. A vízről elmondható, hogy több különböző szilárd halmazállapottal rendelkezik. A szupravezetés megjelenése fázisátalakulással jár, tehát léteznek szupravezető állapotok. Hasonlóképpen a ferromágneses állapotokat is fázisátmenetek határolják el, és megkülönböztető tulajdonságokkal rendelkeznek. Ha az állapotváltozás szakaszosan történik, a köztes lépéseket mezofázisoknak nevezzük. Az ilyen fázisokat a folyadékkristályos technológia bevezetésével hasznosították.
Egy adott anyaghalmaz állapota vagy fázisa a nyomás- és hőmérsékleti viszonyoktól függően változhat, és más fázisokba megy át, ha ezek a körülmények úgy változnak, hogy azok létezésének kedveznek; például a szilárd anyag a hőmérséklet növekedésével folyadékká alakul át. Az abszolút nulla közelében egy anyag szilárd anyagként létezik. Ha ehhez az anyaghoz hőt adunk, az olvadáspontjánál folyadékká olvad, forráspontjánál gázzá forr, és ha elég magasra hevítjük, plazmaállapotba kerül, amelyben az elektronok olyan energiát kapnak, hogy elhagyják a kiindulási atomjaikat.
A nem molekulákból álló, különböző erők által szervezett anyagformák szintén különböző anyagállapotoknak tekinthetők. Ilyen például a szuperfolyadékok (mint a fermionikus kondenzátum) és a kvark-gluon plazma.
Kémiai egyenletben a vegyületek halmazállapotát a szilárd (s), a folyékony (l) és a gáz (g) jelöli. A vizes oldatot (aq) jelöléssel jelöljük. A plazmaállapotban lévő anyagot ritkán (vagy egyáltalán nem) használják kémiai egyenletekben, ezért nincs szabványos szimbólum ennek jelölésére. Azokban a ritka egyenletekben, amelyekben plazmát használnak, a plazmát (p) jelöli.
nem klasszikus állapotok
üveg
Az üveg nem kristályos vagy amorf szilárd anyag, amely a folyékony állapot felé melegítve üvegesedést mutat. Az üvegek egészen különböző anyagosztályokból készülhetnek: szervetlen hálózatokból (például szilikátból és adalékanyagokból álló ablaküveg), fémötvözetekből, ionos olvadékokból, vizes oldatokból, molekuláris folyadékokból és polimerekből. Termodinamikailag az üveg metastabil állapotban van kristályos megfelelőjéhez képest. Az átalakulás mértéke azonban gyakorlatilag nulla.
Kristályok bizonyos fokú rendezetlenséggel
A plasztikus kristály olyan molekuláris szilárdtest, amelynek hosszú távú helyzeti rendezettsége van, de az alkotó molekulák megtartják a forgási szabadságot; egy orientációs üvegben ez a szabadságfok egy elfojtott rendezetlen állapotban van befagyasztva.
Hasonlóképpen, a spinüvegben a mágneses rendezetlenség befagyasztva van.
Folyadékkristályos állapotok
A folyadékkristályos állapotok tulajdonságai a mozgékony folyadékok és a rendezett szilárd testek között helyezkednek el. Általában képesek folyékonyan áramlani, mint egy folyadék, de nagy hatótávolságú rendezettséget mutatnak. Például a nematikus fázis hosszú rúdszerű molekulákból áll, mint például a para-azoxianizol, amely 118-136 °C hőmérséklet-tartományban nematikus. Ebben az állapotban a molekulák úgy áramlanak, mint egy folyadékban, de mind ugyanabba az irányba mutatnak (az egyes tartományokon belül), és nem tudnak szabadon forogni.
A folyadékkristályok egyéb típusait az ezen állapotokról szóló fő cikk írja le. Több típusnak technológiai jelentősége van, például a folyadékkristályos kijelzőkben.
Mágnesesen rendezett
A tranziens fématomok gyakran rendelkeznek mágneses momentummal, ami a párosítatlanul maradó és kémiai kötést nem alkotó elektronok nettó spinjének köszönhető. Egyes szilárd anyagokban a különböző atomok mágneses momentumai rendezettek, és ferromágnest, antiferromágnest vagy ferrimágnest alkothatnak.
A ferromágnesben – például a szilárd vasban – minden atom mágneses momentuma azonos irányba igazodik (egy mágneses tartományon belül). Ha a tartományok is egymáshoz igazodnak, akkor a szilárd test állandó mágnes, amely külső mágneses tér hiányában is mágneses. A mágnesezettség eltűnik, ha a mágnest a Curie-pontig melegítjük, ami a vas esetében 768 °C.
Az antiferromágnes két egyenlő és ellentétes mágneses nyomatékú hálózattal rendelkezik, amelyek kioltják egymást, így a nettó mágnesezettség nulla. Például a nikkel(II)-oxidban (NiO) a nikkelatomok fele az egyik irányba, fele pedig az ellenkező irányba igazított mágneses momentumokkal rendelkezik.
A ferrimágnesben a mágneses momentumok két hálózata ellentétes, de egyenlőtlen, így a kioltás nem teljes, és nem nulla a nettó mágnesezettség. Erre példa a magnetit (Fe3O4), amely különböző mágneses momentumú Fe2+ és Fe3+ ionokat tartalmaz.
Jegyzetek és hivatkozások
- 2005-06-22, MIT News: MIT fizikusok új anyagformát hoznak létre Citat: “… Elsőként hoztak létre egy újfajta anyagot, egy olyan atomgázt, amely magas hőmérsékletű szuperfolyékonyságot mutat.”
- 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
- 2004-01-15, ScienceDaily: Citat: Egy új, szuperszilárd anyagfázis valószínű felfedezése:
- 2004-01-29, ScienceDaily: “…Úgy tűnik, először figyeltünk meg egy szilárd anyagot, amely a szuperfolyékony anyag jellemzőivel rendelkezik…de mivel minden részecskéje azonos kvantumállapotban van, szilárd marad, még akkor is, ha az alkotórészecskék folyamatosan áramlanak…”
- 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: J. M. Murrell professzor, Sussexi Egyetem
- Rövid videók az anyagállapotok, a szilárd, folyékony és gáz halmazállapotok bemutatásáról
.