Históricas, a distinção é feita com base nas diferenças qualitativas das propriedades. A matéria no estado sólido mantém um volume e uma forma fixos, com partículas componentes (átomos, moléculas ou íons) próximas entre si e fixadas no lugar. A matéria no estado líquido mantém um volume fixo, mas tem uma forma variável que se adapta ao seu recipiente. Suas partículas ainda estão próximas umas das outras, mas se movem livremente. A matéria no estado gasoso tem um volume e uma forma variáveis, adaptando-se a ambos para se adaptar ao seu recipiente. As suas partículas não se fecham nem se fixam no seu lugar. A matéria no estado plasmático tem volume e forma variáveis, mas além de átomos neutros, contém um número significativo de íons e elétrons, ambos podem se mover livremente. O plasma é a forma mais comum de matéria visível no universo.

Os quatro estados fundamentais

Sólido

Num sólido, as partículas (iões, átomos ou moléculas) estão intimamente embaladas juntas. As forças entre as partículas são fortes para que as partículas não se possam mover livremente, mas possam apenas vibrar. Como resultado, um sólido tem uma forma estável, definida, e um volume definido. Os sólidos só podem mudar sua forma pela força, como quando quebrados ou cortados.

Em sólidos cristalinos, as partículas (átomos, moléculas ou íons) são empacotadas em um padrão repetido e regularmente ordenado. Existem várias estruturas cristalinas diferentes, e a mesma substância pode ter mais de uma estrutura (ou fase sólida). Por exemplo, o ferro tem uma estrutura cúbica centrada no corpo a temperaturas abaixo de 912 °C, e uma estrutura cúbica centrada na face entre 912 e 1394 °C. O gelo tem quinze estruturas cristalinas conhecidas, ou quinze fases sólidas, que existem a várias temperaturas e pressões.

Glasses e outros sólidos não cristalinos e amorfos sem ordem de longo alcance não são estados terrestres de equilíbrio térmico; portanto, são descritos abaixo como estados não-clássicos da matéria.

Os sólidos podem ser transformados em líquidos por fusão e também podem se transformar diretamente em gases através do processo de sublimação.

Líquido

Um líquido é um fluido quase incompressível que está em conformidade com a forma do seu recipiente, mas retém um volume (quase) constante, independente da pressão. O volume é definitivo se a temperatura e a pressão forem constantes. Quando um sólido é aquecido acima de seu ponto de fusão, ele se torna líquido, dado que a pressão é maior do que o ponto triplo da substância. As forças intermoleculares (ou interatômicas ou interiônicas) ainda são importantes, mas as moléculas têm energia suficiente para se moverem umas em relação às outras e a estrutura é móvel. Isto significa que a forma de um líquido não é definitiva, mas é determinada pelo seu recipiente. O volume é normalmente maior que o do sólido correspondente, sendo a excepção mais conhecida a água, H2O. A temperatura mais alta na qual um determinado líquido pode existir é a sua temperatura crítica.

Gás

Um gás é um fluido compressível. Não só um gás se conformará com a forma de seu recipiente, mas também se expandirá para enchê-lo.

Em um gás, as moléculas têm energia cinética suficiente para que o efeito das forças intermoleculares seja pequeno (ou zero para um gás ideal), e a distância típica entre as moléculas vizinhas é muito maior do que o tamanho molecular. Um gás não tem forma ou volume definido, mas ocupa todo o recipiente em que está confinado. Um líquido pode ser convertido em um gás através do aquecimento a pressão constante até o ponto de ebulição, ou então reduzindo a pressão a temperatura constante.

A temperaturas abaixo de sua temperatura crítica, um gás também é chamado de vapor, e pode ser liquefeito apenas por compressão sem resfriamento. Um vapor pode existir em equilíbrio com um líquido (ou sólido), em cujo caso a pressão do gás é igual à pressão de vapor do líquido (ou sólido).

Um fluido supercrítico (SCF) é um gás cuja temperatura e pressão estão acima da temperatura crítica e da pressão crítica, respectivamente. Neste estado, a distinção entre líquido e gás desaparece. Um fluido supercrítico tem as propriedades físicas de um gás, mas sua alta densidade confere propriedades de solvente em alguns casos, o que leva a aplicações úteis. Por exemplo, o dióxido de carbono supercrítico é utilizado para extrair cafeína na fabricação de café descafeinado.

Plasma

Como um gás, o plasma não tem forma ou volume definido. Ao contrário dos gases, os plasmas são eletricamente condutores, produzem campos magnéticos e correntes elétricas, e respondem fortemente a forças eletromagnéticas. Núcleos com carga positiva nadam num “mar” de elétrons dissociados e de livre movimentação, semelhante à forma como tais cargas existem no metal condutor. Na verdade é este “mar” de elétrons que permite que a matéria no estado de plasma conduza eletricidade.

O estado de plasma é muitas vezes mal compreendido, mas na verdade é bastante comum na Terra, e a maioria das pessoas o observa regularmente sem sequer se dar conta. Relâmpagos, faíscas elétricas, luzes fluorescentes, luzes de néon, televisores de plasma, alguns tipos de chama e as estrelas são exemplos de matéria iluminada no estado de plasma.

Um gás é normalmente convertido em plasma de uma das duas formas, seja por uma enorme diferença de voltagem entre dois pontos, seja pela exposição a temperaturas extremamente altas.

O aquecimento da matéria a altas temperaturas faz com que os elétrons deixem os átomos, resultando na presença de elétrons livres. A temperaturas muito altas, como as presentes nas estrelas, assume-se que essencialmente todos os elétrons são “livres”, e que um plasma de muito alta energia é essencialmente núcleos nus nadando num mar de elétrons.

Transições de fase

Este diagrama ilustra as transições entre os quatro estados fundamentais da matéria.

Um estado da matéria também é caracterizado por transições de fase. Uma transição de fase indica uma mudança na estrutura e pode ser reconhecida por uma mudança abrupta nas propriedades. Um estado distinto da matéria pode ser definido como qualquer conjunto de estados distinguido de qualquer outro conjunto de estados por uma transição de fase. Pode dizer-se que a água tem vários estados sólidos distintos. A aparência da supercondutividade está associada a uma transição de fase, portanto existem estados supercondutores. Da mesma forma, os estados ferromagnéticos são demarcados por transições de fase e têm propriedades distintas. Quando a mudança de estado ocorre em fases, as etapas intermediárias são chamadas mesofásicas. Tais fases têm sido exploradas pela introdução da tecnologia de cristais líquidos.

O estado ou fase de um determinado conjunto de matéria pode mudar dependendo das condições de pressão e temperatura, transitando para outras fases conforme estas condições mudam para favorecer a sua existência; por exemplo, transições sólidas para líquido com um aumento de temperatura. Perto de zero absoluto, uma substância existe como um sólido. À medida que o calor é adicionado a esta substância, ela se funde em um líquido em seu ponto de fusão, ferve em um gás em seu ponto de ebulição e, se aquecida o suficiente, entraria em um estado de plasma no qual os elétrons são tão energizados que deixam seus átomos pais.

Formas de matéria que não são compostas de moléculas e são organizadas por forças diferentes também podem ser consideradas estados diferentes de matéria. Superfluidos (como o condensado Fermiônico) e o plasma quark-gluon são exemplos.

Em uma equação química, o estado da matéria dos produtos químicos pode ser mostrado como (s) para sólido, (l) para líquido, e (g) para gás. Uma solução aquosa é denotada (aq). A matéria no estado de plasma é raramente usada (se for o caso) em equações químicas, portanto não há um símbolo padrão para denotar isso. Nas raras equações que o plasma é usado no plasma é simbolizado como (p).

Estados não clássicos

Vidro

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Representação esquemática de uma forma vítrea de rede aleatória (esquerda) e ordenada malha cristalina (direita) de composição química idêntica.

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A Vidro é um material sólido não cristalino ou amorfo que exibe uma transição vítrea quando aquecido em direção ao estado líquido. Os vidros podem ser feitos de classes bastante diferentes de materiais: redes inorgânicas (tais como vidro de janela, feito de silicato mais aditivos), ligas metálicas, fundições iônicas, soluções aquosas, líquidos moleculares, e polímeros. Termodinamicamente, um vidro está em estado metastável em relação à sua contraparte cristalina. A taxa de conversão, entretanto, é praticamente zero.

Cristais com algum grau de desordem

Um cristal plástico é um sólido molecular com ordem posicional de longo alcance, mas com moléculas constituintes retendo a liberdade rotacional; em um vidro de orientação este grau de liberdade é congelado em um estado de desordem extinta.

Similiarmente, em um distúrbio magnético de spin glass é congelado.

Estados de cristal líquido

Estados de cristal líquido têm propriedades intermediárias entre líquidos móveis e sólidos ordenados. Geralmente, eles são capazes de fluir como um líquido, mas exibindo ordem de longo alcance. Por exemplo, a fase nemática consiste em moléculas semelhantes a varas longas como o para-azoxianisol, que é nemático na faixa de temperatura de 118-136 °C. Neste estado as moléculas fluem como num líquido, mas todas elas apontam na mesma direcção (dentro de cada domínio) e não podem rodar livremente.

Outros tipos de cristais líquidos são descritos no artigo principal sobre estes estados. Vários tipos têm importância tecnológica, por exemplo, em displays de cristais líquidos.

Magneticamente ordenados

Os átomos metálicos de transição têm frequentemente momentos magnéticos devido ao giro líquido dos elétrons que permanecem não reparados e não formam ligações químicas. Em alguns sólidos os momentos magnéticos em diferentes átomos são ordenados e podem formar um ferromagnético, um antiferromagnético ou um ferrimagnético.

Em um ferromagnético – por exemplo, ferro sólido – o momento magnético em cada átomo é alinhado na mesma direção (dentro de um domínio magnético). Se os domínios também estiverem alinhados, o sólido é um íman permanente, que é magnético mesmo na ausência de um campo magnético externo. A magnetização desaparece quando o íman é aquecido até ao ponto Curie, que para o ferro é de 768 °C.

Um íman antiferromagnético tem duas redes de momentos magnéticos iguais e opostos, que se anulam mutuamente para que a magnetização líquida seja zero. Por exemplo, no óxido de níquel(II) (NiO), metade dos átomos de níquel têm momentos alinhados em uma direção e metade na direção oposta.

Em um ferrimagnet, as duas redes de momentos magnéticos são opostas, mas desiguais, de modo que o cancelamento é incompleto e há uma magnetização líquida não nula. Um exemplo é a magnetite (Fe3O4), que contém íons Fe2+ e Fe3+ com momentos magnéticos diferentes.

Notas e referências

• 2005-06-22, MIT News: Os físicos do MIT criam novas formas de matéria Citat: “… Eles se tornaram os primeiros a criar um novo tipo de matéria, um gás de átomos que mostra superfluidade a altas temperaturas”
• 2003-10-10, Science Daily: Fase Metálica Para Bósons Implica Novo Estado da Matéria
• 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: “…aparentemente observamos, pela primeira vez, um material sólido com as características de um superfluido…mas como todas as suas partículas estão no mesmo estado quântico, ele permanece um sólido mesmo que suas partículas componentes estejam fluindo continuamente…”
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/Universidade dos Cientistas do Colorado criam uma nova forma de matéria: A Fermionic Condensate
• Short videos demonstrating of States of Matter, solids, liquids and gas by Prof. J Murrell, University of Sussex