Historisch wordt het onderscheid gemaakt op basis van kwalitatieve verschillen in eigenschappen. Materie in vaste toestand heeft een vast volume en een vaste vorm, met deeltjes (atomen, moleculen of ionen) dicht bij elkaar en vast op hun plaats. Materie in vloeibare toestand behoudt een vast volume, maar heeft een variabele vorm die zich aanpast aan de recipiënt. De deeltjes zijn nog steeds dicht bij elkaar, maar bewegen vrij. Materie in de gasvormige toestand heeft zowel een variabel volume als een variabele vorm, en past zich aan zijn houder aan. De deeltjes zijn noch dicht bij elkaar noch vast op hun plaats. Materie in de plasmatoestand heeft een variabel volume en een variabele vorm, maar bevat naast neutrale atomen een aanzienlijk aantal ionen en elektronen, die zich beide vrij kunnen bewegen. Plasma is de meest voorkomende vorm van zichtbare materie in het heelal.
De vier fundamentele toestanden van materie. Met de klok mee vanaf linksboven zijn dat respectievelijk vaste stof, vloeistof, plasma en gas, voorgesteld door een ijssculptuur, een waterdruppel, een vlamboog van een teslaspoel en de lucht rond wolken.
De vier fundamentele toestanden
Vaste stof
In een vaste stof zijn de deeltjes (ionen, atomen of moleculen) dicht opeengepakt. De krachten tussen de deeltjes zijn sterk, zodat de deeltjes niet vrij kunnen bewegen, maar alleen kunnen trillen. Als gevolg daarvan heeft een vaste stof een stabiele, bepaalde vorm en een bepaald volume. Een vaste stof kan alleen van vorm veranderen door kracht, zoals bij breken of snijden.
In kristallijne vaste stoffen zitten de deeltjes (atomen, moleculen, of ionen) opeengepakt in een regelmatig geordend, zich herhalend patroon. Er zijn verschillende kristalstructuren, en dezelfde stof kan meer dan één structuur (of vaste fase) hebben. Zo heeft ijzer bij temperaturen lager dan 912 °C een lichaamsmiddenkubische structuur en tussen 912 en 1394 °C een zijmiddenkubische structuur. IJs heeft vijftien bekende kristalstructuren, of vijftien vaste fasen, die bij verschillende temperaturen en drukken bestaan.
Glazen en andere niet-kristallijne, amorfe vaste stoffen zonder lange-afstands ordening zijn geen thermisch evenwicht grondtoestanden; daarom worden zij hieronder beschreven als niet-klassieke toestanden van de materie.
Zoliden kunnen in vloeistoffen worden omgezet door te smelten en kunnen ook direct in gassen veranderen door het proces van sublimatie.
Vloeistof
Structuur van een klassieke één-atoom vloeistof. Atomen hebben veel naaste buren die met elkaar in contact komen, maar er is geen lange-afstandsorde.
Een vloeistof is een bijna onsamendrukbare vloeistof die zich naar de vorm van haar houder voegt, maar een (bijna) constant volume behoudt, onafhankelijk van de druk. Het volume is definitief als de temperatuur en de druk constant zijn. Wanneer een vaste stof wordt verwarmd tot boven het smeltpunt, wordt deze vloeibaar, mits de druk hoger is dan het tripelpunt van de stof. Intermoleculaire (of interatomaire of interionische) krachten zijn nog steeds belangrijk, maar de moleculen hebben voldoende energie om ten opzichte van elkaar te bewegen en de structuur is beweeglijk. Dit betekent dat de vorm van een vloeistof niet definitief is, maar wordt bepaald door zijn recipiënt. Het volume is gewoonlijk groter dan dat van de overeenkomstige vaste stof; de bekendste uitzondering is water, H2O. De hoogste temperatuur waarbij een bepaalde vloeistof kan bestaan, is de kritische temperatuur.
Gas
De ruimten tussen gasmoleculen zijn zeer groot. Gasmoleculen hebben zeer zwakke of helemaal geen bindingen. De moleculen in “gas” kunnen vrij en snel bewegen.
Een gas is een samendrukbare vloeistof. Een gas past zich niet alleen aan de vorm van zijn houder aan, maar het zet ook uit om de houder te vullen.
In een gas hebben de moleculen voldoende kinetische energie zodat het effect van intermoleculaire krachten klein is (of nul voor een ideaal gas), en de typische afstand tussen naburige moleculen is veel groter dan de molecuulgrootte. Een gas heeft geen bepaalde vorm of volume, maar beslaat het gehele vat waarin het is opgesloten. Een vloeistof kan in een gas worden omgezet door verhitting bij constante druk tot het kookpunt, of anders door verlaging van de druk bij constante temperatuur.
Op temperaturen beneden zijn kritische temperatuur wordt een gas ook een damp genoemd, en kan het vloeibaar worden gemaakt door compressie alleen, zonder afkoeling. Een damp kan in evenwicht bestaan met een vloeistof (of vaste stof), in welk geval de gasdruk gelijk is aan de dampdruk van de vloeistof (of vaste stof).
Een superkritische vloeistof (SCF) is een gas waarvan de temperatuur en de druk respectievelijk boven de kritische temperatuur en de kritische druk liggen. In deze toestand verdwijnt het onderscheid tussen vloeistof en gas. Een superkritische vloeistof heeft de fysische eigenschappen van een gas, maar zijn hoge dichtheid verleent in sommige gevallen solventeigenschappen, hetgeen tot nuttige toepassingen leidt. Zo wordt superkritisch kooldioxide gebruikt om cafeïne te extraheren bij de fabricage van cafeïnevrije koffie.
Plasma
In een plasma worden elektronen losgerukt van hun kernen, waardoor een elektronen-“zee” wordt gevormd. Dit geeft het de mogelijkheid om elektriciteit te geleiden.
Zoals een gas heeft een plasma geen bepaalde vorm of volume. In tegenstelling tot gassen, zijn plasma’s elektrisch geleidend, produceren magnetische velden en elektrische stromen, en reageren sterk op elektromagnetische krachten. Positief geladen kernen zwemmen in een “zee” van vrij bewegende losgekoppelde elektronen, vergelijkbaar met de manier waarop dergelijke ladingen bestaan in geleidend metaal. In feite is het deze elektronen-“zee” die materie in de plasmatoestand in staat stelt elektriciteit te geleiden.
De plasmatoestand wordt vaak verkeerd begrepen, maar is in feite heel gewoon op aarde, en de meerderheid van de mensen neemt het regelmatig waar zonder het zelfs maar te beseffen. Bliksem, elektrische vonken, fluorescerende lichten, neonlichten, plasmatelevisies, sommige soorten vlammen en de sterren zijn allemaal voorbeelden van verlichte materie in de plasmatoestand.
Een gas wordt gewoonlijk op een van twee manieren in een plasma omgezet, hetzij door een enorm spanningsverschil tussen twee punten, hetzij door het aan extreem hoge temperaturen bloot te stellen.
Het verhitten van materie tot hoge temperaturen veroorzaakt dat elektronen de atomen verlaten, wat resulteert in de aanwezigheid van vrije elektronen. Bij zeer hoge temperaturen, zoals die in sterren voorkomen, wordt aangenomen dat in wezen alle elektronen “vrij” zijn, en dat een zeer hoogenergetisch plasma in wezen kale kernen zijn die in een zee van elektronen zwemmen.
Faseovergangen
Dit diagram illustreert overgangen tussen de vier fundamentele toestanden van materie.
Een toestand van materie wordt ook gekarakteriseerd door faseovergangen. Een faseovergang duidt op een verandering in structuur en kan worden herkend aan een abrupte verandering in eigenschappen. Een afzonderlijke toestand van materie kan worden gedefinieerd als elke verzameling toestanden die zich van elke andere verzameling toestanden onderscheidt door een faseovergang. Van water kan worden gezegd dat het verscheidene afzonderlijke vaste toestanden heeft. Het optreden van supergeleiding gaat gepaard met een faseovergang, dus zijn er supergeleidende toestanden. Evenzo worden ferromagnetische toestanden afgebakend door faseovergangen en hebben zij onderscheidende eigenschappen. Wanneer de verandering van toestand in fasen plaatsvindt, worden de tussenliggende stappen mesofasen genoemd. Dergelijke fasen zijn geëxploiteerd door de introductie van vloeibare kristal technologie.
De toestand of fase van een bepaalde verzameling materie kan veranderen afhankelijk van de druk- en temperatuuromstandigheden, en overgaan in andere fasen naarmate deze omstandigheden veranderen ten gunste van hun bestaan; zo gaat bijvoorbeeld een vaste stof over in een vloeistof bij stijging van de temperatuur. Dichtbij het absolute nulpunt bestaat een stof als een vaste stof. Als warmte wordt toegevoegd aan deze stof smelt deze in een vloeistof op zijn smeltpunt, kookt in een gas op zijn kookpunt, en als het hoog genoeg wordt verhit zou het in een plasmatoestand terechtkomen waarin de elektronen zo energiek zijn dat zij hun moederatomen verlaten.
Vormen van materie die niet uit moleculen bestaan en door verschillende krachten zijn georganiseerd kunnen ook als verschillende toestanden van materie worden beschouwd. Superfluïden (zoals Fermionisch condensaat) en het quark-gluon plasma zijn voorbeelden.
In een chemische vergelijking kan de toestand van de chemicaliën worden weergegeven als (s) voor vaste stof, (l) voor vloeistof, en (g) voor gas. Een waterige oplossing wordt aangeduid met (aq). Materie in de plasmatoestand wordt zelden (of helemaal niet) gebruikt in chemische vergelijkingen, zodat er geen standaardsymbool is om deze aan te duiden. In de zeldzame vergelijkingen waarin plasma wordt gebruikt, wordt plasma gesymboliseerd als (p).
Niet-klassieke toestanden
Glas
Glas is een niet-kristallijne of amorfe vaste stof die bij verhitting naar de vloeibare toestand een glasovergang vertoont. Glas kan worden gemaakt van zeer uiteenlopende materiaalklassen: anorganische netwerken (zoals vensterglas, gemaakt van silicaat plus additieven), metaallegeringen, ionische smeltingen, waterige oplossingen, moleculaire vloeistoffen, en polymeren. Thermodynamisch gezien bevindt een glas zich in een metastabiele toestand ten opzichte van zijn kristallijne tegenhanger. De omzettingssnelheid is echter praktisch nul.
Kristallen met een zekere mate van wanorde
Een plastisch kristal is een moleculaire vaste stof met een lange-afstandspositionele orde, maar met samenstellende moleculen die rotatievrijheid behouden; in een oriënterend glas is deze mate van vrijheid bevroren in een gedoofde wanordelijke toestand.
Zo ook is in een spin glas de magnetische wanorde bevroren.
Liquid crystal states
Liquid crystal toestanden hebben eigenschappen die het midden houden tussen beweeglijke vloeistoffen en geordende vaste stoffen. In het algemeen kunnen zij vloeien als een vloeistof, maar vertonen zij een lange-afstands ordening. Bijvoorbeeld, de nematische fase bestaat uit lange staafvormige moleculen zoals para-azoxyanisole, dat nematisch is in het temperatuurgebied 118-136 °C. In deze toestand stromen de moleculen als in een vloeistof, maar zij wijzen alle in dezelfde richting (binnen elk domein) en kunnen niet vrij roteren.
Andere typen vloeibare kristallen worden beschreven in het hoofdartikel over deze toestanden. Verscheidene typen hebben technologisch belang, bijvoorbeeld in vloeibaar-kristalschermen.
Magnetisch geordend
Overgangsmetaalatomen hebben vaak magnetische momenten als gevolg van de netto spin van elektronen die ongepaard blijven en geen chemische bindingen vormen. In sommige vaste stoffen zijn de magnetische momenten op verschillende atomen geordend en kunnen een ferromagneet, een antiferromagneet of een ferrimagneet vormen.
In een ferromagneet – bijvoorbeeld vast ijzer – is het magnetisch moment op elk atoom in dezelfde richting uitgelijnd (binnen een magnetisch domein). Als de domeinen ook zijn uitgelijnd, is de vaste stof een permanente magneet, die magnetisch is, zelfs bij afwezigheid van een extern magneetveld. De magnetisatie verdwijnt als de magneet wordt verhit tot het Curie-punt, dat voor ijzer 768 °C bedraagt.
Een antiferromagneet heeft twee netwerken van gelijke en tegengestelde magnetische momenten, die elkaar opheffen zodat de netto magnetisatie nul is. Bijvoorbeeld, in nikkel(II) oxide (NiO), heeft de helft van de nikkelatomen momenten in één richting en de andere helft in de tegenovergestelde richting.
In een ferrimagneet zijn de twee netwerken van magnetische momenten tegengesteld maar ongelijk, zodat de opheffing onvolledig is en er een netto magnetisatie is die niet nul is. Een voorbeeld is magnetiet (Fe3O4), dat Fe2+ en Fe3+ ionen met verschillende magnetische momenten bevat.
Noten en referenties
- 2005-06-22, MIT News: MIT natuurkundigen creëren nieuwe vorm van materie Citat: “… Zij zijn de eersten die een nieuwe vorm van materie hebben gemaakt, een gas van atomen dat bij hoge temperatuur superfluïditeit vertoont.”
- 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
- 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: “…We hebben blijkbaar voor het eerst een vast materiaal waargenomen met de kenmerken van een superfluïde…maar omdat al zijn deeltjes zich in dezelfde quantumtoestand bevinden, blijft het een vaste stof, ook al stromen de samenstellende deeltjes voortdurend…”
- 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/Universiteit van Colorado Wetenschappers creëren nieuwe vorm van materie: A Fermionic Condensate
- Korte video’s over de toestanden van de materie, vaste stoffen, vloeistoffen en gassen door Prof. J M Murrell, University of Sussex