În mod istoric, distincția se face pe baza diferențelor calitative ale proprietăților. Materia în stare solidă își păstrează un volum și o formă fixă, cu particulele componente (atomi, molecule sau ioni) apropiate și fixate în poziție. Materia în stare lichidă păstrează un volum fix, dar are o formă variabilă care se adaptează pentru a se potrivi recipientului său. Particulele sale sunt în continuare apropiate, dar se mișcă liber. Materia în stare gazoasă are atât volum, cât și formă variabilă, adaptându-se ambele pentru a se potrivi recipientului său. Particulele sale nu sunt nici apropiate unele de altele, nici fixe în loc. Materia în stare plasmatică are un volum și o formă variabile, dar, pe lângă atomii neutri, conține un număr semnificativ de ioni și electroni, care se pot deplasa liber. Plasma este cea mai frecventă formă de materie vizibilă din univers.

Cele patru stări fundamentale

Solidul

Într-un solid, particulele (ioni, atomi sau molecule) sunt strâns împachetate împreună. Forțele dintre particule sunt puternice, astfel încât particulele nu se pot mișca liber, ci pot doar vibra. Ca urmare, un solid are o formă stabilă, definită și un volum definit. Solidele își pot schimba forma doar prin forță, ca atunci când sunt rupte sau tăiate.

În solidele cristaline, particulele (atomi, molecule sau ioni) sunt împachetate într-un model regulat ordonat, care se repetă. Există diverse structuri cristaline diferite, iar aceeași substanță poate avea mai mult de o structură (sau fază solidă). De exemplu, fierul are o structură cubică centrată pe corp la temperaturi sub 912 °C și o structură cubică centrată pe față între 912 și 1394 °C. Gheața are cincisprezece structuri cristaline cunoscute, sau cincisprezece faze solide, care există la diferite temperaturi și presiuni.

Clasurile și alte solide necristaline, amorfe, fără ordine cu rază lungă de acțiune nu sunt stări fundamentale de echilibru termic; prin urmare, ele sunt descrise mai jos ca stări neclasice ale materiei.

Solidele pot fi transformate în lichide prin topire și, de asemenea, se pot transforma direct în gaze prin procesul de sublimare.

Lichid

Un lichid este un fluid aproape incompresibil care se conformează formei recipientului său, dar care își păstrează un volum (aproape) constant, independent de presiune. Volumul este definit dacă temperatura și presiunea sunt constante. Atunci când un solid este încălzit peste punctul său de topire, acesta devine lichid, în condițiile în care presiunea este mai mare decât punctul triplu al substanței. Forțele intermoleculare (sau interatomice sau interionice) sunt încă importante, dar moleculele au suficientă energie pentru a se mișca una în raport cu cealaltă, iar structura este mobilă. Aceasta înseamnă că forma unui lichid nu este definitivă, ci este determinată de recipientul său. Volumul este, de obicei, mai mare decât cel al solidului corespunzător, cea mai cunoscută excepție fiind apa, H2O. Cea mai mare temperatură la care poate exista un anumit lichid este temperatura critică a acestuia.

Gaz

Un gaz este un fluid compresibil. Nu numai că un gaz se va conforma formei recipientului său, dar se va extinde și pentru a umple recipientul.

Într-un gaz, moleculele au suficientă energie cinetică astfel încât efectul forțelor intermoleculare să fie mic (sau zero pentru un gaz ideal), iar distanța tipică dintre moleculele vecine este mult mai mare decât dimensiunea moleculară. Un gaz nu are o formă sau un volum definit, ci ocupă întregul recipient în care este confinat. Un lichid poate fi transformat în gaz prin încălzire la presiune constantă până la punctul de fierbere, sau altfel prin reducerea presiunii la temperatură constantă.

La temperaturi sub temperatura sa critică, un gaz se mai numește și vapori și poate fi lichefiat doar prin compresie, fără răcire. Un vapor poate exista în echilibru cu un lichid (sau un solid, caz în care presiunea gazului este egală cu presiunea de vapori a lichidului (sau a solidului).

Un fluid supercritic (SCF) este un gaz a cărui temperatură și presiune sunt peste temperatura și, respectiv, presiunea critică. În această stare, dispare distincția dintre lichid și gaz. Un fluid supercritic are proprietățile fizice ale unui gaz, dar densitatea sa ridicată îi conferă proprietăți de solvent în unele cazuri, ceea ce conduce la aplicații utile. De exemplu, dioxidul de carbon supercritic este utilizat pentru a extrage cafeina în fabricarea cafelei decofeinizate.

Plasma

Ca un gaz, plasma nu are o formă sau un volum definit. Spre deosebire de gaze, plasmele sunt conductoare de electricitate, produc câmpuri magnetice și curenți electrici și răspund puternic la forțele electromagnetice. Nucleii încărcați pozitiv înoată într-o „mare” de electroni disociați care se mișcă liber, similar cu modul în care astfel de sarcini există în metalul conducător. De fapt, această „mare” de electroni este cea care permite materiei în stare de plasmă să conducă electricitatea.

Starea de plasmă este adesea înțeleasă greșit, dar este de fapt destul de comună pe Pământ, iar majoritatea oamenilor o observă în mod regulat fără să își dea seama. Fulgerele, scânteile electrice, luminile fluorescente, luminile de neon, televizoarele cu plasmă, unele tipuri de flăcări și stelele sunt toate exemple de materie iluminată în stare de plasmă.

Un gaz este de obicei transformat în plasmă într-unul din cele două moduri, fie printr-o diferență uriașă de tensiune între două puncte, fie prin expunerea sa la temperaturi extrem de ridicate.

Încălzirea materiei la temperaturi ridicate face ca electronii să părăsească atomii, rezultând astfel prezența electronilor liberi. La temperaturi foarte ridicate, cum ar fi cele prezente în stele, se presupune că, în esență, toți electronii sunt „liberi” și că o plasmă de foarte mare energie este, în esență, nuclee goale care înoată într-o mare de electroni.

Tranziții de fază

Această diagramă ilustrează tranzițiile între cele patru stări fundamentale ale materiei.

O stare a materiei este, de asemenea, caracterizată de tranziții de fază. O tranziție de fază indică o schimbare de structură și poate fi recunoscută printr-o schimbare bruscă a proprietăților. O stare distinctă a materiei poate fi definită ca orice set de stări care se distinge de orice alt set de stări printr-o tranziție de fază. Se poate spune că apa are mai multe stări solide distincte. Apariția supraconductibilității este asociată cu o tranziție de fază, deci există stări supraconductoare. În mod similar, stările feromagnetice sunt delimitate de tranziții de fază și au proprietăți distincte. Atunci când schimbarea de stare are loc în etape, etapele intermediare se numesc mezofaze. Astfel de faze au fost exploatate prin introducerea tehnologiei cristalelor lichide.

Starea sau faza unui anumit ansamblu de materie se poate schimba în funcție de condițiile de presiune și temperatură, trecând la alte faze pe măsură ce aceste condiții se modifică pentru a le favoriza existența; de exemplu, solidul trece la lichid odată cu creșterea temperaturii. În apropierea zero absolut, o substanță există sub formă de solid. Pe măsură ce se adaugă căldură la această substanță, ea se topește într-un lichid la punctul său de topire, fierbe într-un gaz la punctul său de fierbere și, dacă ar fi încălzită suficient de mult, ar intra într-o stare de plasmă în care electronii sunt atât de energizați încât își părăsesc atomii părinți.

Formele de materie care nu sunt compuse din molecule și care sunt organizate prin forțe diferite pot fi, de asemenea, considerate stări diferite ale materiei. Superfluidele (cum ar fi condensatul fermionic) și plasma quark-gluon sunt exemple.

Într-o ecuație chimică, starea de materie a substanțelor chimice poate fi reprezentată prin (s) pentru solid, (l) pentru lichid și (g) pentru gaz. O soluție apoasă se notează (aq). Materia în stare plasmatică este rareori utilizată (dacă este utilizată) în ecuațiile chimice, astfel încât nu există un simbol standard pentru a o indica. În rarele ecuații în care este folosită plasma, plasma este simbolizată ca (p).

State neclasice

Glass

Varul este un material solid necristalin sau amorf care prezintă o tranziție vitroasă atunci când este încălzit spre starea lichidă. Geamurile pot fi realizate din clase de materiale destul de diferite: rețele anorganice (cum ar fi sticla de fereastră, realizată din silicat plus aditivi), aliaje metalice, topituri ionice, soluții apoase, lichide moleculare și polimeri. Din punct de vedere termodinamic, o sticlă se află într-o stare metastabilă în raport cu omologul său cristalin. Cu toate acestea, rata de conversie este practic zero.

Cristale cu un anumit grad de dezordine

Un cristal plastic este un solid molecular cu ordine pozițională pe distanțe lungi, dar cu moleculele constitutive care își păstrează libertatea de rotație; într-o sticlă orientațională, acest grad de libertate este înghețat într-o stare dezordonată stinsă.

În mod similar, într-o sticlă de spin dezordinea magnetică este înghețată.

Statele cristalelor lichide

Statele de cristal lichid au proprietăți intermediare între lichidele mobile și solidele ordonate. În general, ele sunt capabile să curgă ca un lichid, dar prezentând o ordine cu rază lungă de acțiune. De exemplu, faza nematică este formată din molecule lungi în formă de tijă, cum ar fi para-azocianisolul, care este nematic în intervalul de temperatură 118-136 °C. În această stare, moleculele curg ca într-un lichid, dar toate se îndreaptă în aceeași direcție (în cadrul fiecărui domeniu) și nu se pot roti liber.

Alte tipuri de cristale lichide sunt descrise în articolul principal despre aceste stări. Mai multe tipuri au importanță tehnologică, de exemplu, în afișajele cu cristale lichide.

Orânduite magnetic

Atomii metalelor de tranziție au adesea momente magnetice datorită spinului net al electronilor care rămân neperecheați și nu formează legături chimice. În unele solide, momentele magnetice de pe diferiți atomi sunt ordonate și pot forma un feromagnet, un antiferomagnet sau un ferimagnet.

Într-un feromagnet – de exemplu, fierul solid – momentul magnetic de pe fiecare atom este aliniat în aceeași direcție (în cadrul unui domeniu magnetic). Dacă domeniile sunt de asemenea aliniate, solidul este un magnet permanent, care este magnetic chiar și în absența unui câmp magnetic extern. Magnetizarea dispare atunci când magnetul este încălzit până la punctul Curie, care pentru fier este de 768 °C.

Un antiferromagnet are două rețele de momente magnetice egale și opuse, care se anulează reciproc, astfel încât magnetizarea netă este zero. De exemplu, în oxidul de nichel(II) (NiO), jumătate din atomii de nichel au momentele aliniate într-o direcție și jumătate în direcția opusă.

Într-un ferimagnet, cele două rețele de momente magnetice sunt opuse, dar inegale, astfel încât anularea este incompletă și există o magnetizare netă diferită de zero. Un exemplu este magnetita (Fe3O4), care conține ioni Fe2+ și Fe3+ cu momente magnetice diferite.

Note și referințe

• 2005-06-22, MIT News: Fizicienii de la MIT creează o nouă formă de materie Citat: „… Ei au devenit primii care au creat un nou tip de materie, un gaz de atomi care prezintă superfluiditate la temperaturi înalte.”
• 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Descoperirea probabilă a unei noi faze, supersolide, a materiei Citat: „…Se pare că am observat, pentru prima dată, un material solid cu caracteristicile unui superfluid…dar pentru că toate particulele sale sunt în aceeași stare cuantică identică, acesta rămâne un solid chiar dacă particulele sale componente sunt în continuă curgere…”
• 2004-01-29, ScienceDaily: Oamenii de știință de la NIST/Universitatea din Colorado creează o nouă formă de materie: A Fermionic Condensate
• Curte videoclipuri care demonstrează stările materiei, solide, lichide și gaze de către Prof. J M Murrell, University of Sussex

.