Trzy stany skupienia i ich właściwości. Budowa ciał stałych, cieczy i gazów.

Stan skupienia materii podstawowa forma, w jakiej występuje substancja określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.

Tradycyjny podział stanów skupienia

Tradycyjny, pochodzący z XVII w. podział stanów skupienia wyróżnia trzy takie:
- stały (ciało stałe)
- ciekły (ciecz)
- lotny (gaz)

Podział ten wynika z podstawowych własności substancji w danym stanie:
- stały - trudno zmienić objętość i kształt,
- ciekły - trudno zmienić objętość, a kształt łatwo,
- lotny - łatwo zmienić objętość i kształt, ciało zajmuje całą dostępną mu przestrzeń.

Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zależy od panujących w niej warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze poniżej 0°C jest ciałem stałym, w temperaturach od 0 do 100°C jest cieczą, a powyżej 100°C staje się gazem.Niektóre substancje w identycznych warunkach mogą występować w różnych stanach skupienia w zależności od wcześniejszych warunków, jakie w nich panowały, lecz zazwyczaj jeden ze stanów jest uprzywilejowany i substancja może samorzutnie przejść do tego stanu.

Ciało stałe

Większość to kryształy o płaskich powierzchniach i prostych powierzchniach i prostych krawędziach. Typowymi przykładami kryształów są sól i cukier. Badania mikroskopowe wykazały, że inne ciała stałe, takie na przykład jak stal czy miedź, są również zbudowane z małych kryształków. Z pomiarów za pomocą promieni rentgenowskich wynika, że każdy kryształ jest uporządkowanym układem atomów, ułożonych bardzo blisko siebie w odległości zaledwie kilku dziesiątych nanometra (jeden nanometr to miliardowa część metra). Takie geometryczne ułożenie atomów znajduje często odzwierciedlenie w zewnętrznym kształcie kryształów. Wiele własności ciał stałych zależy od ułożenia ich atomów lub cząsteczek. Ciekawym tego przykładem jest węgiel, który występuje w trzech różnych postaciach krystalicznych, zwanych inaczej odmianami alotropowymi. Pierwszą z odmian węgla jest niezwykle twardy, nieprzezroczysty i nieprzewodzący prądu elektrycznego diament. Swoją twardość zawdzięcza on bardzo silnemu wiązaniu chemicznemu pomiędzy atomami węgla. Drugą odmianą jest bardzo miękki, dobrze przewodzący grafit. Kryształ ten zbudowany jest ze słabo związanych ze sobą warstw atomów, o czym łatwo możemy przekonać się, gdy na przykład piszemy ołówkiem po papierze. Trzecia, niedawno odkryta odmiana węgla ma kolor żółty i zbudowana jest z olbrzymich cząsteczek, nazywanych fullerenami. Ma ona wiele ciekawych własności chemicznych i fizycznych. Każda cząsteczka zbudowana jest z sześćdziesięciu, a nawet większej liczby atomów węgla. Jest to materiał przyszłości, gdyż fullereny są nadprzewodnikami prądu elektrycznego. Wiele innych własności ciał stałych również zależy od siły i charakteru wiązań chemicznych pomiędzy ich atomami lub cząsteczkami. Przykładowo kryształy o silnych wiązaniach chemicznych mają wysoką temperaturę topnienia: ich stopienie wymaga dostarczenia dużej ilości energii. Podobnie od rodzaju wiązań zależy rozszerzalność cieplna ciał stałych. W miarę ogrzewania kryształu jego atomy lub cząsteczki poruszają się coraz szybciej. Wzrost średniej odległości między nimi, a co za tym idzie, zmiana rozmiarów kryształu zależy, więc zarówno od siły wiązań jak i od temperatury. Ta właściwość materii została wykorzystana przez ludzi w wielkich konstrukcjach – np. mostach. Mosty są zbudowane z bardzo wytrzymałych materiałów, ponieważ muszą wytrzymać zarówno ciężar swojej konstrukcji, jak i przejeżdżających po nich pojazdów. Powinny być one również odporne na zmiany swoich rozmiarów w wyniku obniżania się lub podwyższania temperatury. Podobną technikę konstrukcji stosuje się przy układaniu szyn kolejowych. Układając tory pozostawia się pomiędzy kolejnymi ich odcinkami niewielkie przerwy. W upalne dni szyny rozszerzają się i wypełniają luki. Brak takich przerw grozi skrzywieniem lub nawet pęknięciem szyn, a co za tym idzie – katastrofą. Odważnik zawieszony na drucie rozciąga go. Jeśli nie jest ot ciężar zbyt duży, to po zdjęciu odważnika atomy znów zaczynają się przyciągać i drut powraca do swojej poprzedniej długości. Zjawisko takie nazywamy sprężystością materiału. Sprężystość materiału jest również ściśle związana z charakterem wiązań jego molekuł. Najtrudniej rozciąga się materiały o silnie powiązanych ze sobą atomach lub cząsteczkach. Po przekroczeniu pewnej wartości siły rozciągającej drut nie powraca już do poprzedniej postaci. Pozostaje rozciągnięty. Oznacza to trwała zmianę położeń atomów lub cząsteczek w materiale.

Ciecz

Siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy są słabsze od występujących w ciele stałym. Ich działanie możemy jednak bez trudu obserwować, na co dzień. Jednym ze świadczących o nich zjawisk jest napięcie powierzchniowe, które wywołuje wrażenie, iż ciecz pokryta jest cienką, elastyczną błonką. To napięcie powierzchniowe nadaje kulisty kształt kropelkom cieczy i umożliwia małym owadom spacerowanie po powierzchni wody. Efekt ten wywołują cząsteczki ze środka cieczy przyciągające ku sobie cząsteczki znajdujące się na powierzchni. Dzięki siłom oddziaływania cząsteczek obserwujemy również podnoszenie się poziomu wody w cienkiej rurce, gdy zanurzymy jej koniec w wodzie. Zjawisko to nazywa się włoskowatością. Wywołują je siły przyciągania cząsteczek wody przez cząsteczki szkła (tzw. siły przylegania), które są większe od sił napięcia powierzchniowego. Powierzchnia wody unosi się i zakrzywia ku górze tuż przy ściankach rurki. Identyczny efekt, lecz odwrotnie skierowany, występuje w rurce z rtęcią. Napięcie powierzchniowe rtęci jest silniejsze od sił przyleganie rtęci do szkła. Powierzchnia rtęci ulega, więc obniżeniu i zakrzywia się w dół przy ściankach rurki Słabe siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami cieczy sprawiają, że wykazuje ona płynność. Równocześnie jednak siły te wytwarzają pewien opór przepływu, zwany lepkością cieczy. Ciecze o dużej lepkości. Na przykład karmel, płyną z trudem. Granicznym przypadkiem są szkła, często mylnie uznawane za ciała stałe. Dowodem ich ciekłej natury jest wzrost grubości dolnych partii szyb ocalałych w starych kościołach. Co ciekawe o szkle mówi się, że jest ono przykładem tzw. czwartego stanu skupienia materii – zastygłej cieczy. Podobnie do bardzo lepkiej cieczy zachowuje się lodowiec, który spływa z gór pod własnym ciężarem. Pod wpływem ogromnego ciśnienia powstaje pod lodowcem cienka warstwa wody, która umożliwia łatwe ślizganie kolosalnej masy lodu po skałach. 
Niektóre ciecze są dobrymi rozpuszczalnikami innych substancji. W wodzie na przykład doskonale rozpuszczają się takie ciała stałe jak sól czy cukier i również takie gazy jak tlen czy dwutlenek węgla. Inny rodzaj roztworu powstaje ze zmieszania dwóch cieczy, na przykład wody i alkoholu. Jest to związane z właściwościami wody jako rozpuszczalnika polarnego. Ilość substancji, którą można rozpuścić w danej ilości cieczy, nazywamy rozpuszczalnością. Rozpuszczalność ciał stałych zależy od temperatury. Cukier – jak wiadomo – rozpuszcza się dużo lepiej w wodzie gorącej niż w zimnej. Z kolei rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury, wzrasta natomiast, gdy podwyższamy przyłożone ciśnienie.

Gaz

Składa się z poruszających się z wielką prędkością atomów lub cząsteczek. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem w każdym centymetrze sześciennym powietrza, którym oddychamy, znajduje się około 20 trylionów atomów lub cząsteczek. Ich średnia prędkość wynosi około 450 metrów na sekundę. Oczywiście, każda z cząsteczek, co chwilę zderza się z innymi. Ich swobodna droga wynosi średnio zaledwie około jednej dziesięciotysięcznej milimetra. Stopniowe mieszanie gazów, zwane dyfuzją, jest więc rezultatem milionów zderzeń. Cząsteczki powietrza są zbyt małe, aby można je było zobaczyć gołym okiem. Obserwując jednak pod mikroskopem unoszące się w powietrzu cząsteczki dymu można zobaczyć ich niewielkie, nieregularne przesunięcia. Nazywamy je ruchami Borwna – od nazwiska brytyjskiego badacza Roberta Browna, który zaobserwował to zjawisko po raz pierwszy w roku 1827. ruchy cząsteczek dymu spowodowane są ich ciągłymi zderzeniami z cząsteczkami powietrza. Jako ciekawostkę można podać fakt, że cząsteczki powietrza w temperaturze pokojowej poruszają się dziesięciokrotnie szybciej od huraganu. 
Gazy bardzo łatwo dają się sprężać. Dzieje się tak, ponieważ istnieje względnie duża wolna przestrzeń między ich cząsteczkami. Jednym z pierwszych fizyków, który badał związek pomiędzy objętością gazu i wywieranym na ten gaz ciśnieniem, był Irlandczyk Robert Boyle. W 1662 roku stwierdził on, że przy stałej temperaturze, po dwukrotnym zwiększeniu ciśnienie działającego na gaz, jego objętość maleje dwukrotnie. Inaczej mówiąc: iloczyn ciśnienia i objętości jest stały dla danej ilości gazu znajdującego się w stałej temperaturze. Zależność ta nosi obecnie nazwę prawa Boyle’a – Mariotta. Inne ważne prawo, zwane prawem Charlesa, charakteryzuje objętość gazu przy zmianie temperatury. Stwierdza ono, że przy stałym ciśnieniu objętość gazu znajdującego się w temperaturze 0oC wzrasta lub maleje o 1/273 przy wzroście lub spadku temperatury o jeden stopień. Z prawa Charlesa wynika, że w temperaturze - 273oC objętość gazu powinna spaść do zera. Jest to oczywiście niemożliwe, gdyż wcześniej gaz ulega skropleniu, jednakże temperatura około –273oC, nazywana temperaturą zera bezwzględnego, jest rzeczywiście najniższą możliwą temperaturą. Ponadto w tej temperaturze ustaje wszelki ruch materii i podobno przestaje ona w ogóle istnieć, co trudno sobie wyobrazić. Te proste prawa wykorzystuje się w lotach balonem. Balon wznosi się do góry, ponieważ jest wypełniony gorącym powietrzem lżejszym od otaczającego go zimnego powietrza. Gorący gaz jest rzadszy, gdyż jego cząsteczki poruszają się szybciej i średnia odległość między nimi jest większa.

Aktualnie w fizyce przyjmuje się istnienie następujących faz:

a) fazy płynne - czyli takie które płyną, gdy poddaje się je siłom ścinającym.

Plazma neutronowa - jest to w zasadzie gaz, ale stworzony przez same neutrony. Z plazmy tej są zbudowane gwiazdy neutronowe
plazma - jest to w zasadzie gaz, ale tworzony przez silnie zjonizowane atomy/cząsteczki, oraz elektrony. Plazmę można wytwarzać w specjalnych urządzeniach, występuje ona także w jądrach większości gwiazd. W plaźmie czasteczki mają na tyle dużą energię, że zderzenia między cząsteczkami nie są sprężyste, dochodzi do wzbudzenia lub jonizacji cząsteczek, plazma przewodzi prąd elektryczny.

Faza gazowa - całkowity brak organizacji - cząsteczki (lub atomy) mają pełną swobodę ruchu i nie występują między nimi żadne oddziaływania oprócz zderzeń i przyciągania grawitacyjnego (które jest istotne dla zachowania się dużych obszarów gazu w przestrzeniach międzygwiezdych). Energia cząstek nie jest zbyt duża i dlatego zderzenia cząsteczek są sprężyste.

Faza nadkrytyczna - powstająca po osiągnięciu tzw. punktu krytycznego, który występuje gdy jednocześnie ogrzewa się niektóre ciecze i podnosi ciśnienie ich otoczenia. Faza ta posiada pośrednie własności między cieczą i gazem.

Faza ciekła - cząsteczki mają częściową swobodę ruchu. Istnieją między nimi dodatkowo pewne inne oddziaływania, silniejsze niż w gazie: oddziaływania dipolowe (odpowiedzialne za hydratację jonów w roztworze), siły Van der Waalsa oraz wiązania wodorowe. Istnienie tych oddziaływań powoduje powstawanie uporządkowanych struktur cząsteczek w cieczach, w szczególności w wodzie. Bez nich nie mogły by istnieć organizmy żywe.

Faza ciekła izotropowa - w fazie tej nie występuje żadne dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek podobnie jak w gazach, choć mogą występować elementy uporządkowania krótkozasięgowego (w obrębie kilku-klikunastu cząsteczek).

Faza nadciekła - która różni się od zwykłej cieczy tym, że jej lepkość jest równa 0. Fazę nadciekłą tworzą substancje, które są wstanie utworzyć kondensat Bosego-Einsteina lub kondensat fermionów.

Ciekłe kryształy - są to wbrew nazwie ciecze, w których jednak istnieje częściowe dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt różnych faz ciekłokrystalicznych, które różnią rodzajem tego dalekozasięgowego uporządkowania.

b) fazy stałe - czyli takie, które nie płyną - tzn. pod wpływem sił ścinających ulegają naprężeniom, a przy większych pękają lub płyną (plastyczne).
Faza krystaliczna - w fazie tej cząsteczki są "zablokowane" i tworzą trwałe sieci.

Kryształy plastyczne - w fazie tej cząsteczki są również zablokowane, ale mogą rotować wokół własnych osi.

Kryształy condis - w fazie tej cząsteczki nie mogą się przemieszczać, ale mogą zmieniać w dość szerokim zakresie swoją konformację.

Faza amorficzna - w fazie tej cząsteczki nie tworzą sieci krystalicznej, ale oddziaływania między nimi są na tyle silne, że nie mogą się one swobodnie przemieszczać względem siebie. Czasami fazę amorficzną nazywa się też "superlepką" cieczą lub cieczą "zamrożoną"

Zmiany stanów skupienia materii
Temperatura danej substancji jest miarą średniej energii jej cząsteczek. Wyższa temperatura odpowiada większej energii cząsteczek nie wszystkie cząsteczki mają taką samą energię. Wraz ze wzrostem temperatury kryształu rośnie liczba cząsteczek o dostatecznie dużej energii umożliwiającej im uwolnienie się z sieci krystalicznej. Oznacza to początek topnienia kryształu. W miarę dostarczania ciepła wzrasta liczba cząsteczek opuszczających swoje stałe pozycje. Temperatura kryształu pozostaje jednak stała aż do całkowitego stopnienia ciała. W ten sposób następuje więc zmiana stanu skupienia: stałego w ciekły. 
Energię cieplną potrzebną do całkowitego stopienia kilograma masy danego ciała nazywamy jego ciepłem topnienia. Energią tę może wytworzyć na przykład płomień świecy lub grzejnik elektryczny. Może ona również napłynąć z zewnątrz. Bryła lodu chłodzi otoczenie, ponieważ pobiera zeń ciepło niezbędne do jej całkowitego stopnienia. Ciepło topnienia lodu jest tak duże, że bryły lodu gromadzone zimą w piwnicach zamków i pałaców pozwalały w dawnych czasach przechowywać żywność przez całe lato. Podobne zjawisko występuje podczas parowania cieczy, czyli przechodzenia jej w stan gazowy. Dostarczana energią umożliwia cząsteczkom oderwanie się od sąsiadów. Podczas pocenia się, czyli odparowywania wody z naszej skóry, czujemy chłód, gdyż para wodna zabiera nam ciepło. Znacznie więcej energii potrzeba jednak do przejścia cieczy w gaz niż kryształu w ciecz. Na przykład w temperaturze pokojowej tylko niewielka ilość cząsteczek wody w misce ma dostatecznie wysoką energię, by odparować. Trzeba dłuższego okresu, by wszystkie cząsteczki uzyskały odpowiednią ilość energii i woda z miski całkowicie wyparowała. Niekiedy możliwe jest powolne odparowywanie ciał stałych, na przykład kryształów kamfory. Zjawisko to nazywane jest sublimacją.
Proces parowania cieczy można oczywiście przyspieszyć podgrzewając ją. Dostatecznie gorąca ciecz zaczyna wrzeć, ale nawet w temperaturze wrzenia parowanie wymaga ciągłego dostarczania ciepła. Na przykład bąble wypełnione parą wodną w naczyniu z wrzącą wodą tworzą się na dnie ogrzewanego naczynia i następnie wznoszą się ku powierzchni. Ciepło potrzebne do przeprowadzenia w parę kilograma masy cieczy nazywamy ciepłem parowania.
Zdarzają się jednak sytuacje, gdy możemy obserwować wszystkie trzy stany skupienia materii. Dzieje się tak podczas wybuchu wulkanu. Wulkan i otaczające go skały to ciała stałe. Wrząca stopiona skała jest cieczą, a unoszone w górę dymy – gazami. Znajomość praw rządzących stanami skupienia materii pozwala wytłumaczyć wiele zjawisk zachodzących wokół nas. Ponadto jednak dzięki tym prawom możemy tworzyć nowe technologie i wynalazki ułatwiające i pomagające nam w życiu.