歴史的には、性質の質的差異に基づいて区別されてきた。 固体状態の物質は、構成粒子（原子、分子、イオン）が互いに接近して固定され、一定の体積と形状を保っています。 液体状態の物質は、体積は一定だが、容器に合わせて形状が変化する。 粒子は互いに接近しているが、自由に動いている。 気体状態の物質は、体積と形状の両方が変化し、容器に適合するように変化する。 その粒子は互いに接近しておらず、固定されてもいない。 プラズマ状態の物質は、体積と形状が変化しますが、中性原子の他に、自由に動き回ることのできるイオンと電子が多く含まれています。
物質の4つの基本的な状態です。 左上から時計回りに、固体、液体、プラズマ、気体で、それぞれ氷の彫刻、水滴、テスラコイルからの電気アーク、雲の周りの空気で表されます。
4つの基本状態
固体
固体では粒子（イオン、原子または分子）は互いに密接しています。 粒子間の力が強いので、粒子は自由に動くことができず、振動することしかできない。 その結果、固体は安定した明確な形と明確な体積を持っている。
結晶性固体では、粒子（原子、分子、またはイオン）は規則的に並んだ反復パターンに詰め込まれている。 結晶構造にはさまざまな種類があり、同じ物質が2つ以上の構造（または固相）を持つこともある。 例えば、鉄は912℃以下では体心立方構造、912～1394℃では面心立方構造である。
ガラスや長距離秩序のない非結晶、非晶質固体は熱平衡基底状態ではないので、以下、非古典物質状態として記述する。
固体は融解によって液体に変化し、昇華の過程で直接気体に変化することもできる。
液体
古典単原子液の構造。 原子は多くの最近接を持つが、長距離秩序は存在しない。
液体はその容器の形状に適合するが、圧力とは無関係に（ほぼ）一定の体積を保持するほぼ非圧縮性の流体である。 温度と圧力が一定であれば、体積は確定している。 固体をその融点以上に加熱すると、圧力が物質の三重点より高ければ液体になる。 分子間力（または原子間力、イオン間力）は依然として重要であるが、分子は互いに相対的に動くのに十分なエネルギーを持っており、構造は可動である。 つまり、液体の形は確定的なものではなく、容器によって決まる。 体積は通常、対応する固体の体積よりも大きく、最もよく知られた例外は水（H2O）である。
Gas
気体分子間の空間は非常に大きいです。 気体分子は結合が非常に弱いか、まったくない。 気体」の分子は自由に速く動くことができます。
気体は圧縮性のある流体である。 気体はその容器の形状に適合するだけでなく、容器を満たすように膨張します。
気体では、分子は分子間力の影響が小さい（または理想気体ではゼロ）ように十分な運動エネルギーを持ち、隣接する分子間の一般的距離は分子サイズよりもはるかに大きくなっています。 気体は明確な形や体積を持たず、閉じ込められている容器全体を占める。
臨界温度以下の温度では、気体は蒸気とも呼ばれ、冷却せずに圧縮だけで液化することができる。 蒸気は液体（または固体）と平衡に存在することができ、その場合、ガス圧は液体（または固体）の蒸気圧に等しい。
超臨界流体（SCF）は、その温度と圧力がそれぞれ臨界温度と臨界圧を超えている気体のことである。 この状態では、液体と気体の区別がなくなる。 超臨界流体は気体の物理的性質を持ちながら、密度が高いために溶媒としての性質を持つものもあり、有用な応用が期待されている。 例えば、超臨界二酸化炭素は、カフェインレスコーヒーの製造においてカフェインの抽出に使用されている。 これにより、電気を通す能力が生まれます。
気体のように、プラズマは明確な形や体積を持っていない。 気体とは異なり、プラズマは電気伝導性があり、磁場や電流を発生し、電磁力に強く反応する。 陽電気を帯びた原子核は、自由に動く解離電子の「海」の中を泳いでいる。これは、導電性の金属に電荷が存在するのと同じである。
プラズマ状態はしばしば誤解されるが、実は地球上ではごくありふれたものであり、大多数の人は気づかないうちに日常的に観察しているのである。
気体は通常、2点間の巨大な電圧差から、または非常に高い温度にさらすことによって、2つの方法のうちの1つでプラズマに変換されます。
相転移
この図は、物質の4つの基本状態間の遷移を示しています。 相転移は構造の変化を示し、特性の急激な変化で認識することができる。 物質の明確な状態は、相転移によって他の状態から区別される任意の状態のセットとして定義することができる。 水は、いくつかの異なる固体状態を持っていると言える。 超伝導の出現は相転移と関連しており、超伝導状態が存在する。 同様に、強磁性状態も相転移によって区別され、特徴的な性質を持つ。 状態変化が段階的に起こる場合、その中間段階はメソフェーズと呼ばれる。 液晶技術の導入により、このような相が利用されるようになった。
ある物質の集合の状態または相は、圧力と温度の条件によって変化し、これらの条件がその存在に有利になるように変化すると他の相に転移する。たとえば、固体は温度の上昇に伴って液体に転移する。 絶対零度付近では、ある物質は固体として存在する。 この物質に熱を加えると、融点で溶けて液体になり、沸点で沸騰して気体になり、さらに十分に加熱すると、電子が親原子から離れるほどエネルギーを与えられたプラズマ状態になる。
化学式において、化学物質の状態は、固体を表す（s）、液体を表す（l）、気体を表す（g）として示されることがある。 水溶液は(aq)と表記される。 プラズマ状態の物質は、化学式ではほとんど使われないので、これを表す標準的な記号はない。 プラズマが使われることが稀な方程式ではプラズマは(p)と記号化される。
非古典状態
ガラス
ガラスは非結晶または非晶質の固体材料で、液状に向けて加熱するとガラス転移を起こします。 ガラスは、無機ネットワーク (ケイ酸塩と添加物からなる窓ガラスなど)、金属合金、イオン性溶融物、水溶液、分子液体、ポリマーなど、非常に異なるクラスの材料で作ることができます。 熱力学的には、ガラスは結晶性のものに対して準安定な状態にある。
ある程度の無秩序を持つ結晶
プラスチック結晶は、長距離の位置秩序を持ちながら構成分子が回転の自由を保っている分子性固体であり、配向ガラスではこの自由度はクエンチした無秩序状態で凍結されている。
同様に、スピングラスでは磁気的な乱れが凍結される。
液晶状態
液晶状態は、移動性液体と秩序ある固体の中間的な性質を持っています。 一般に、液体のように流れることができるが、長距離の秩序を示す。 例えば、ネマチック相はパラアゾキシアニソールのような長い棒状の分子からなり、118〜136℃の温度範囲でネマチックとなる。 この状態では分子は液体のように流れるが、分子はすべて（各ドメイン内で）同じ方向を向いており、自由に回転することはできない。
その他の液晶の種類については、これらの状態の主要な記事で説明されている。
Magnetically ordered
Transition metal atoms often have magnetic moments due to the net spin of electrons that remain unpaired and do not form chemical bonds.遷移金属原子はしばしば磁気モーメントを持つ。
強磁性体-たとえば固体鉄-では、各原子の磁気モーメントが同じ方向（磁区内）に並んでいる。 磁区も揃っていれば永久磁石となり、外部磁場がなくても磁気を帯びている。
反強磁性体は、等しくて反対の磁気モーメントをもつ2つのネットワークをもち、それらが互いに打ち消しあって正味の磁化はゼロとなる。 例えば、酸化ニッケル(II)(NiO)では、ニッケル原子の半分は一方向に、半分は反対方向に並んだモーメントを持っている。
フェリ磁性体では、磁気モーメントの二つのネットワークは反対だが不等であり、相殺が不完全であるため、ゼロではない純磁化が存在することになる。
注釈と参考文献
- 2005-06-22, MIT News: MITの物理学者が新しい形の物質Citatを作成。 “… 彼らは新しいタイプの物質、高温超流動性を示す原子の気体を作った最初の人になった。”
- 2003-10-10, Science Daily: ボソンの金属相は新しい物質の状態を示唆する」
- 2004-01-15, ScienceDaily: 新しい、超固体物質の相を発見した可能性がある。 「しかし、その粒子はすべて同一の量子状態にあるので、その構成粒子が絶えず流動していても、固体のままです…」
- 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/コロラド大学の科学者たちが新しい形の物質を作る。 A Fermionic Condensate
- Sussex 大学の J M Murrell 教授による固体、液体、気体の状態を示す短いビデオ
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