Historycznie, rozróżnienie jest dokonywane na podstawie jakościowych różnic we właściwościach. Materia w stanie stałym ma stałą objętość i kształt, a cząstki składowe (atomy, molekuły lub jony) są blisko siebie i nieruchome. Materia w stanie ciekłym zachowuje stałą objętość, ale ma zmienny kształt, który dostosowuje się do pojemnika. Jej cząsteczki są nadal blisko siebie, ale poruszają się swobodnie. Materia w stanie gazowym ma zarówno zmienną objętość, jak i kształt, dostosowując się do swojego pojemnika. Jej cząsteczki nie są ani blisko siebie, ani nie są stałe w miejscu. Materia w stanie plazmy ma zmienną objętość i kształt, ale oprócz neutralnych atomów zawiera znaczną liczbę jonów i elektronów, z których oba mogą się swobodnie poruszać. Plazma jest najbardziej rozpowszechnioną formą widzialnej materii we wszechświecie.

Cztery podstawowe stany

Ciało stałe

W ciele stałym cząsteczki (jony, atomy lub cząsteczki) są ściśle upakowane razem. Siły między cząsteczkami są silne, tak że cząsteczki nie mogą się swobodnie poruszać, mogą jedynie drgać. W rezultacie, ciało stałe ma stabilny, określony kształt i określoną objętość. Ciała stałe mogą zmienić swój kształt tylko przez siłę, jak po złamaniu lub cut.

W krystalicznych ciał stałych, cząstki (atomy, cząsteczki lub jony) są pakowane w regularnie uporządkowany, powtarzający się wzór. Istnieją różne różne struktury krystaliczne, a ta sama substancja może mieć więcej niż jedną strukturę (lub fazę stałą). Na przykład żelazo ma strukturę sześcienną w temperaturze poniżej 912 °C i strukturę sześcienną w temperaturze 912-1394 °C. Lód ma piętnaście znanych struktur krystalicznych, lub piętnaście faz stałych, które istnieją w różnych temperaturach i ciśnieniach.

Glazury i inne niekrystaliczne, amorficzne ciała stałe bez uporządkowania dalekiego zasięgu nie są stanami podstawowymi równowagi termicznej; dlatego są one opisane poniżej jako nieklasyczne stany materii.

Ciała stałe mogą być przekształcane w ciecze przez topnienie, a także mogą zmieniać się bezpośrednio w gazy przez proces sublimacji.

Ciecz

Ciecz jest prawie nieściśliwym płynem, który dostosowuje się do kształtu swojego pojemnika, ale zachowuje (prawie) stałą objętość niezależną od ciśnienia. Objętość jest określona, jeśli temperatura i ciśnienie są stałe. Kiedy ciało stałe jest podgrzewane powyżej temperatury topnienia, staje się cieczą, pod warunkiem, że ciśnienie jest wyższe niż temperatura punktu potrójnego substancji. Siły międzycząsteczkowe (lub międzyatomowe lub interjonowe) są nadal ważne, ale cząsteczki mają wystarczająco dużo energii, aby poruszać się względem siebie, a struktura jest ruchoma. Oznacza to, że kształt cieczy nie jest określony, ale zależy od jej zbiornika. Objętość jest zazwyczaj większa niż objętość odpowiadającego jej ciała stałego, najbardziej znanym wyjątkiem jest woda, H2O. Najwyższą temperaturą, w której dana ciecz może istnieć, jest jej temperatura krytyczna.

Gaz

Gaz jest płynem ściśliwym. Gaz nie tylko dostosowuje się do kształtu swojego pojemnika, ale również rozszerza się, aby wypełnić pojemnik.

W gazie cząsteczki mają wystarczającą energię kinetyczną, tak że wpływ sił międzycząsteczkowych jest mały (lub zerowy dla gazu idealnego), a typowa odległość między sąsiednimi cząsteczkami jest znacznie większa niż rozmiar cząsteczki. Gaz nie ma określonego kształtu ani objętości, lecz zajmuje cały pojemnik, w którym jest zamknięty. Ciecz może być przekształcony w gaz przez ogrzewanie pod stałym ciśnieniem do temperatury wrzenia, lub inaczej przez zmniejszenie ciśnienia w stałej temperaturze.

W temperaturach poniżej temperatury krytycznej, gaz jest również nazywany parą, i może być skroplony przez kompresję sam bez chłodzenia. Para może istnieć w równowadze z cieczą (lub ciałem stałym), w którym to przypadku ciśnienie gazu jest równe ciśnieniu pary cieczy (lub ciała stałego).

Płyn nadkrytyczny (SCF) to gaz, którego temperatura i ciśnienie są wyższe odpowiednio od temperatury krytycznej i ciśnienia krytycznego. W tym stanie znika rozróżnienie między cieczą a gazem. Płyn nadkrytyczny ma właściwości fizyczne gazu, ale jego wysoka gęstość nadaje mu w niektórych przypadkach właściwości rozpuszczalnika, co prowadzi do użytecznych zastosowań. Na przykład dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym jest używany do ekstrakcji kofeiny w produkcji kawy bezkofeinowej.

Plazma

Podobnie jak gaz, plazma nie ma określonego kształtu ani objętości. W przeciwieństwie do gazów, plazma przewodzi prąd elektryczny, wytwarza pola magnetyczne i prądy elektryczne oraz silnie reaguje na siły elektromagnetyczne. Dodatnio naładowane jądra pływają w „morzu” swobodnie poruszających się zdysocjowanych elektronów, podobnie jak to ma miejsce w przewodzącym metalu. W rzeczywistości to właśnie to elektronowe „morze” pozwala materii w stanie plazmy przewodzić prąd elektryczny.

Stan plazmy jest często źle rozumiany, ale w rzeczywistości jest on dość powszechny na Ziemi, a większość ludzi obserwuje go regularnie, nawet nie zdając sobie z tego sprawy. Błyskawice, iskry elektryczne, światła fluorescencyjne, neony, telewizory plazmowe, niektóre rodzaje płomieni i gwiazdy są przykładami oświetlonej materii w stanie plazmy.

Gaz jest zwykle przekształcany w plazmę na jeden z dwóch sposobów, albo przez ogromną różnicę napięć pomiędzy dwoma punktami, albo przez wystawienie go na działanie ekstremalnie wysokich temperatur.

Ogrzewanie materii do wysokich temperatur powoduje, że elektrony opuszczają atomy, co skutkuje obecnością wolnych elektronów. W bardzo wysokich temperaturach, takich jak te występujące w gwiazdach, przyjmuje się, że zasadniczo wszystkie elektrony są „wolne”, i że bardzo wysokoenergetyczna plazma jest zasadniczo nagimi jądrami pływającymi w morzu elektronów.

Przejścia fazowe

Schemat ten ilustruje przejścia pomiędzy czterema podstawowymi stanami materii.

Stan materii charakteryzują również przejścia fazowe. Przejście fazowe wskazuje na zmianę w strukturze i może być rozpoznane przez nagłą zmianę właściwości. Odrębny stan materii można zdefiniować jako dowolny zbiór stanów odróżniający się od dowolnego innego zbioru stanów przejściem fazowym. Można powiedzieć, że woda ma kilka odrębnych stanów skupienia. Pojawienie się nadprzewodnictwa jest związane z przejściem fazowym, a więc istnieją stany nadprzewodzące. Podobnie, stany ferromagnetyczne są rozgraniczone przez przejścia fazowe i mają charakterystyczne właściwości. Gdy zmiana stanu zachodzi etapami, etapy pośrednie nazywane są mezofazami. Takie fazy zostały wykorzystane przez wprowadzenie technologii ciekłych kryształów.

Stan lub faza danego zbioru materii może się zmieniać w zależności od warunków ciśnienia i temperatury, przechodząc do innych faz, gdy warunki te zmieniają się, aby sprzyjać ich istnieniu; na przykład, ciało stałe przechodzi w ciecz ze wzrostem temperatury. W pobliżu zera bezwzględnego substancja istnieje jako ciało stałe. Jak ciepło jest dodawane do tej substancji topi się w ciecz w temperaturze topnienia, wrze w gaz w temperaturze wrzenia, a jeśli ogrzewane wystarczająco wysoko wejdzie w stan plazmy, w którym elektrony są tak energetyzowane, że opuszczają swoje macierzyste atomy.

Formy materii, które nie składają się z cząsteczek i są organizowane przez różne siły mogą być również uważane za różne stany materii. Superpłynne (jak kondensat fermionowy) i plazma kwarkowo-gluonowa są przykładami.

W równaniu chemicznym, stan materii substancji chemicznych może być przedstawiony jako (s) dla ciała stałego, (l) dla cieczy i (g) dla gazu. Roztwór wodny oznaczany jest jako (aq). Materia w stanie plazmy jest rzadko (jeśli w ogóle) używana w równaniach chemicznych, więc nie ma standardowego symbolu do jej oznaczania. W rzadkich równaniach, w których używa się plazmy, jest ona symbolizowana jako (p).

Stany nieklasyczne

Szkło

Schematyczne przedstawienie losowo-sieciowej formy szklistej (po lewej) i uporządkowanej sieci krystalicznej (po prawej) o identycznym składzie chemicznym.

Szkło jest niekrystalicznym lub amorficznym materiałem stałym, który wykazuje przejście szkliste po ogrzaniu w kierunku stanu ciekłego. Szkła mogą być wykonane z różnych klas materiałów: sieci nieorganicznych (takich jak szkło okienne, wykonane z krzemianów z dodatkami), stopów metalicznych, stopów jonowych, roztworów wodnych, cieczy molekularnych i polimerów. Termodynamicznie, szkło jest w stanie metastabilnym w stosunku do swojego krystalicznego odpowiednika. Szybkość przemiany jest jednak praktycznie zerowa.

Kryształy z pewnym stopniem nieuporządkowania

Kryształ plastyczny jest ciałem stałym molekularnym o dalekim zasięgu porządku pozycyjnego, ale z cząsteczkami składowymi zachowującymi swobodę obrotową; w szkle orientacyjnym ten stopień swobody jest zamrożony w wygaszonym stanie nieuporządkowanym.

Podobnie, w szkle spinowym magnetyczny nieporządek jest zamrożony.

Stany ciekłych kryształów

Stany ciekłych kryształów mają właściwości pośrednie między ruchomymi cieczami a uporządkowanymi ciałami stałymi. Ogólnie rzecz biorąc, są one w stanie płynąć jak ciecz, ale wykazujące porządek dalekiego zasięgu. Na przykład, faza nematyczna składa się z długich prętów-jak cząsteczki, takie jak para-azoksyanizol, który jest nematyczny w zakresie temperatur 118-136 ° C. W tym stanie cząsteczki płyną jak w cieczy, ale wszystkie wskazują w tym samym kierunku (w obrębie każdej domeny) i nie mogą się swobodnie obracać.

Inne rodzaje ciekłych kryształów są opisane w głównym artykule na temat tych stanów. Kilka typów ma znaczenie technologiczne, na przykład w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych.

Porządek magnetyczny

Transition atomy metali często mają momenty magnetyczne ze względu na spin netto elektronów, które pozostają niesparowane i nie tworzą wiązań chemicznych. W niektórych ciałach stałych momenty magnetyczne na różnych atomach są uporządkowane i mogą tworzyć ferromagnetyk, antyferromagnetyk lub ferrimagnet.

W ferromagnetyku – na przykład, stałe żelazo – moment magnetyczny na każdym atomie jest ustawiony w tym samym kierunku (w domenie magnetycznej). Jeśli domeny są również wyrównane, ciało stałe jest magnesem stałym, który jest magnetyczny nawet w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego. Magnetyzacja znika, gdy magnes jest ogrzewany do punktu Curie, który dla żelaza wynosi 768 °C.

Antyferromagnes ma dwie sieci równych i przeciwnych momentów magnetycznych, które znoszą się wzajemnie, tak że magnetyzacja netto wynosi zero. Na przykład w tlenku niklu(II) (NiO), połowa atomów niklu ma momenty skierowane w jednym kierunku, a połowa w kierunku przeciwnym.

W ferrimagnesie, dwie sieci momentów magnetycznych są przeciwne, ale nierówne, tak że anulowanie jest niekompletne i istnieje niezerowa magnetyzacja netto. Przykładem jest magnetyt (Fe3O4), który zawiera jony Fe2+ i Fe3+ o różnych momentach magnetycznych.

Notatki i odnośniki

• 2005-06-22, MIT News: Fizycy MIT tworzą nową formę materii Citat: „… Stali się pierwszymi, którzy stworzyli nowy rodzaj materii, gaz atomów, który wykazuje wysokotemperaturową nadciekłość.”
• 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: „…Najwyraźniej po raz pierwszy zaobserwowaliśmy stały materiał o cechach superpłynnej materii…ale ponieważ wszystkie jego cząstki znajdują się w identycznym stanie kwantowym, pozostaje on ciałem stałym, mimo że jego cząstki składowe nieustannie przepływają…”
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
• Krótkie filmy demonstrujące stany materii, ciała stałe, ciecze i gazy autorstwa Prof. J M Murrell, University of Sussex

.