Ta sama substancja może występować w stanie gazowym, ciekłym i stałym. Stan skupienia substancji może się zmieniać w zależności od warunków zewnętrznych. W tej ogólnej klasyfikacji pominięto stany pojawiające się w warunkach ekstremalnych np. w bardzo wysokiej temperaturze (kilka tysięcy kelwinów) pojawia się inny stan materii, tzw. plazma. Natomiast pod bardzo dużym ciśnieniem (kilkaset i więcej megapaskali) materia przechodzi w stan ciekło-plazmowy i następnie w stan neutronowy. W każdym z trzech stanów skupienia wyróżnić można podstawowe cechy materii.
Materia w stanie gazowym (lotnym) składa się ze swobodnych atomów lub małych (zazwyczaj kilkuatomowych) cząsteczek będących w nieustannym, chaotycznym ruchu. Odległości międzyatomowe lub międzycząsteczkowe w tym stanie skupienia są znaczne, a siły wzajemnego przyciągania znikome – materia nie wykazuje własnego kształtu ani objętości. Substancje, które w warunkach normalnych ( \( T = 273,15 K, p = 0,1013 MPa \)) występują w stanie lotnym, to gazy natomiast lotny stan substancji będącej w normalnych warunkach ciałem stałym lub cieczą jest określany jako para.
Stan ciekły tworzą cząsteczki, atomy lub jony rozmieszczone tak blisko siebie, że przebywają stale w sferze sił przyciągających pochodzących od otaczających je sąsiadów. Szacunkowe obliczenia teoretyczne i przeprowadzone doświadczenia z zakresu wytrzymałości cieczy na rozciąganie dowodzą występowania znacznych sił spójności w stanie ciekłym. Stąd ciecze, w przeciwieństwie do gazów, zachowują własna objętość i mają dużą gęstość. Wykazują ponadto tylko niewielką ściśliwość oraz rozszerzalność cieplną. Składniki cieczy nieustannie się przemieszczają ruchem oscylacyjno-postępowym bez zbytniego jednak oddalania się od siebie. Intensywność ich ruchu zwiększa się z podwyższaniem temperatury cieczy. Stąd ciecze nie mają własnego kształtu.
Gęstość w stałym stanie skupienia określonej substancji jest z reguły większa niż w stanie ciekłym (są wyjątki, np. woda i lód). Cechą wyróżniającą ciało stałe jest sztywność jego postaci. Oznacza to, że niemal całkowicie zanika ruch postępowy elementów budujących ciało, drgają tylko nieustannie wokół ustalonych miejsc w jego strukturze. Ciała stałe, podobnie jak i ciecze, charakteryzują się nieznaczną ściśliwością i małą rozszerzalnością cieplną. Te dwie właściwości są wyrażane współczynnikami empirycznymi definiowanymi następująco:
współczynnik rozszerzalności cieplnej:
współczynnik ściśliwości:
gdzie: \( T \) – temperatura, \( V \) – objętość, \( p \) – ciśnienie.
Substancja, ze zmianą temperatury i ciśnienia, może przechodzić z jednego stanu skupienia w inny ( Rys. 1 ). Nagrzana do odpowiednio wysokiej temperatury przemienia się w ciecz, a ta z kolei w jeszcze wyższej temperaturze ulega odparowaniu. Przejście cieczy w parę jest parowaniem, jeśli odbywa się na swobodnej powierzchni cieczy, natomiast wrzeniem, jeśli zachodzi w całej jej masie. Niektóre ciała stałe ulegają sublimacji, czyli przemieniają się w parę z pominięciem stanu ciekłego.
Należy zaznaczyć, że nie wszystkie substancje mogą występować we wszystkich stanach skupienia. Niektóre ciała stałe, będące związkami chemicznymi, ulegają rozpadowi podczas nagrzewania i następuje zmiana ich cech chemicznych.
Obniżanie temperatury prowadzi do przemian odwrotnych. Ciało stałe może powstawać w wyniku albo krzepnięcia cieczy, albo zestalenia pary (resublimacji).
Moduł opracowano na podstawie [1], [2].
Bibliografia
1. J. Sieniawski, A. Cyunczyk: Struktura ciał stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 20082. A. Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1977