miniatura|Estats de la matèria i canvis de fase En física i en química, un estat de la matèria, o fases, correspon de fet a una sèrie d'estats macroscòpics, que tenen un conjunt de propietats físiques i químiques relativament uniformes (densitat, estructura cristal·lina, índex de refracció…). Històricament, la diferenciació es feia basant-se en propietats qualitatives com el volum i la forma: el sòlid era l'estat en què la matèria mantenia la forma i el volum de manera permanent, el líquid manté un volum fix, però s'adapta a la forma del recipient que el conté i el gas l'estat en què la matèria s'expandeix per a ocupar tot el volum disponible.
Estats clàssics de la matèria miniatura|Distribució de la freqüència dels estats de la matèria que adopten els elements químics (fins al curi) en funció de la temperatura (blau = sòlid, vermell = líquid, verd = gasós). Els tres estats més familiars de la matèria, considerats com els estats clàssics, són:
Sòlid: en aquest estat, les substàncies mantenen en general la seva forma i volum. Líquid: en aquest estat, les substàncies mantenen el volum, però la forma és inestable i s'adapta a la superfícies que l'envolten. Gasós: en aquest estat, les substàncies ocupen totalment l'espai disponible.
En el cas dels sòlids, es diferencien dos tipus en funció d'altres característiques: Sòlid cristal·lí: és un sòlid fràgil que no canvia de forma, les seves partícules es distribueixen ordenadament i en posicions fixes en l'espai. Els seus components elementals són reticles o cel·les cristal·lines que es repeteixen. Sòlid amorf: es caracteritza pel fet que les partícules que els formen es distribueixen a l'atzar en l'espai.
Models de les partícules dels estats clàssics Les propietats del tres estats clàssics de la matèria es poden explicar amb models simples de l'estructura de la matèria, assumint que la matèria és formada per partícules minúscules. En realitat, aquestes partícules (àtoms, molècules o ions) tenen diferents formes; però, per al propòsit d'avaluació dels estats de la matèria, les podem considerar com a petites esferes.
La mitjana de l'energia cinètica de totes les partícules en cadascun dels estats és una mesura de la temperatura. Però la naturalesa del moviment en cada estat de la matèria és totalment diferent. En el gas, les partícules es mouen seguint línies rectes, com si fossin boles de billar, fins que xoquen entre si o amb la paret del recipient contenidor. En els líquids, les partícules han de passar pels espais que deixen les partícules veïnes (difusió, moviment brownià). En l'estat sòlid, les partícules només vibren al voltant de la seva posició d'equilibri.
Estat sòlid miniatura|Model de les partícules d'un sòlid cristal·lí
Mantenint constant la pressió, a baixa temperatura, els cossos es presenten en forma sòlida de manera que els àtoms es troben entrellaçats formant generalment estructures cristal·lines; això confereix al cos la capacitat de suportar forces sense deformació aparent. Són, per tant, agregats generalment rígids, durs i resistents. L'estat sòlid presenta les característiques següents:
Força de cohesió (atracció). Vibració. Té forma pròpia. Els sòlids no es poden comprimir. Són resistents a fragmentar-se. Volum definit. Pot ser orgànic o inorgànic.
Estat líquid miniatura|Model de les partícules d'un líquid o un sòlid amorf
Augmentant la temperatura, el sòlid es va "descomponent" fins a desaparèixer l'estructura cristal·lina, i arriba a l'estat líquid, la característica principal del qual és la capacitat de fluir i adaptar-se a la forma del recipient que el conté. En aquest cas, encara existeix un cert lligam entre els àtoms del cos, encara que de molta menor intensitat que en el cas dels sòlids. L'estat líquid presenta les característiques següents:
Força de cohesió menor (regular). Moviment-energia cinètica. Sense forma definida. Pren el volum de l'envàs que el conté. En fred es comprimeix, exceptuant-ne l'aigua. Té fluïdesa. Pot presentar fenomen de difusió. Els líquids tenen 3 estats: - gasós - líquid - sòlid.
Estat gasós miniatura|Model de les partícules d'un gas
Finalment, incrementant encara més la temperatura, s'arriba a l'estat gasós. Els àtoms o molècules del gas es troben virtualment lliures, de manera que són capaços d'ocupar tot l'espai del recipient que el conté, encara que seria millor dir que es distribueix o reparteix per tot l'espai disponible. L'estat gasós presenta les característiques següents:
Força de cohesió gairebé nul·la. Sense forma definida. Sense volum definit. Es pot comprimir fàcilment. Exerceix pressió sobre les parets del recipient que el conté. Els gasos es mouen amb llibertat.
Exemples d'estat físic d'algunes substàncies La taula següent mostra l'estat físic en què es troben una sèrie de substàncies seleccionades a una pressió de 1013,25 hPa (pressió atmosfèrica) i en dues situacions de temperatura, a 25°C i a -10 °C. En tant que la pressió es considera constant, els canvis són deguts només a la variació de la temperatura.
+ Exemple d'estat físic per a algunes substàncies: Substància Temperatura de fusió¹ Temperatura d'ebullició¹ Estat físic a temperatura ambient (25 °C)¹ Estat físic a un congelador (−10 °C)¹ Ferro 1535 °C 2750 °C sòlid sòlid Coure 1084 °C 2567 °C sòlid sòlid Cesi 28 °C 671 °C sòlid sòlid Oxigen −219 °C −183 °C gasós gasós Heli −272 °C −269 °C gasós gasós Brom −7 °C 59 °C líquid sòlid Clor −101 °C −35 °C gasós gasós Aigua 0 °C 100 °C líquid sòlid ¹ a pressió atmosfèrica
Canvis d'estat miniatura|Exemples de gràfics del canvi de la capacitat calorífica (C) respecte la temperatura (T) en una transició de fase Un canvi d'estat o transició de fase és l'evolució de la matèria entre diversos estats sense que n'hi hagi canvis en la composició. Per a cada element o compost químic, existeixen unes determinades condicions de pressió i temperatura en les quals es produeixen els canvis d'estat, havent d'interpretar-se, quan es fa referència únicament a la temperatura de canvi d'estat, que aquesta es refereix a la pressió d'1 atm (la pressió atmosfèrica). D'aquesta manera, en condicions normals (pressió atmosfèrica i 20 °C), hi ha composts tant en estat sòlid com líquid i gasós.
Les transicions de fase es produeixen quan l'energia lliure d'un sistema no és una funció analítica (no és contínua o no és derivable, per exemple) per a alguna de les variables termodinàmiques. Quan una substància pateix un canvi de fase, canvia d'un estat de la matèria a un altre, acostuma a adquirir o alliberar energia. Per exemple, quan l'aigua s'evapora, l'energia cinètica utilitzada per les molècules en evaporació per a fugir de la força atractiva del líquid es reflecteix en un descens de la temperatura. La quantitat d'energia requerida per a induir el canvi és superior a la quantitat d'energia necessària per a escalfar l'aigua des de la temperatura ambient fins a just per sota de la temperatura d'ebullició, motiu pel qual l'evaporació és útil per a refredar coses (vegeu entalpia de vaporització). El procés contrari, la condensació, allibera calor. L'energia calorífica, o entalpia, associada a un canvi de sòlid a líquid, és l'entalpia de fusió, mentre que la que està associada a un canvi de sòlid a gas és l'entalpia de sublimació.
Les transicions entre els diferents estats físics tenen noms especials (solidificació, sublimació, fusió, etc.) i hi ha unes condicions específiques de pressió i temperatura per tal que es pugui produir la transició en substàncies pures. Aquestes condicions de transició corresponen a les línies que fan de frontera entre fases en els diagrames de fase. Amb cada canvi de fase, es produeix l'alliberació o l'absorció de certa quantitat de calor. Els possibles canvis d'estat es mostren a la taula següent: FinalInicialSòlidLíquidGasSòlidNo AplicableFusióSublimacióLíquidSolidificació o CongelacióNo AplicableEbullició/EvaporacióGasSublimació inversaCondensació i LiqüefaccióNo Aplicable
Exemples quotidians Totes les transicions de fase es poden observar en la vida quotidiana, per exemple sobre l'aigua:
Fusió: si traiem gel del frigorífic, es comença a liquar perquè la temperatura que hi ha fora del congelador és superior a la temperatura de fusió de l'aigua. Solidificació: en posar aigua al congelador, l'aigua es refreda, al principi es formen cristalls de gel que van creixent més i més fins que l'aigua esdevé una massa compacta de gel. Evaporació: si escalfem aigua per sobre de la seva temperatura d'ebullició, esdevé un gas. Les bombolles que observem en bullir l'aigua són el resultat de la formació de vapor d'aigua (un gas) sota la superfície. Condensació: el vapor d'aigua és, com la majoria de les substàncies gasoses, invisible. Refredant el vapor d'aigua en estat gasós, apareixen petites gotes d'aigua que són visibles.
Per a una composició determinada, només són possibles certes fases a una temperatura i pressió donades. El nombre i el tipus de fases que apareixeran és difícil de predir i habitualment es determina experimentalment. El resultat d'aquests experiments s'acostuma a representar en un diagrama de fases.
Model de partícules de les transicions de fase miniatura|A causa del fet que els sòlids tenen energia interna o capacitat calorífica, els seus àtoms vibren entorn d'una posició fixa dins de l'estructura ordenada (o desordenada) de la substància. Aquesta imatge mostra el mode normal unidimensional de vibració de les partícules d'un sòlid cristal·lí. L'amplitud del moviment ha estat exagerat, i en realitat és molt més petit que el paràmetre de cel·la. La totalitat de les vibracions de l'estructura d'una xarxa cristal·lina o amorfa tenen un paper clau en la teoria cinètica dels sòlids. Fusió En augmentar la temperatura d'un sòlid (subministrant-hi energia tèrmica), les seves partícules augmenten les vibracions, es mouen més ràpidament, i la distància entre aquestes (en general) augmenta. Fins a un cert punt, les forces de Van der Waals són capaces de mantenir-les al seu lloc en la xarxa cristal·lina i el material continua sent sòlid. Però si es continua subministrant calor, arriba un moment que s'assoleix el que es denomina punt de fusió, l'amplitud de la vibració de les partícules és tan gran que l'estructura reticular del sòlid es trenca parcialment i comencen a aparèixer grups de partícules que es poden moure lliurement.
Solidificació Amb la caiguda de la temperatura, el moviment de les partícules i la distància que les separa disminueix. A més, també en disminueix l'energia cinètica de rotació.
En arribar a l'anomenada temperatura de solidificació, la distància entre les partícules és tan petita que es bloquegen mútuament i interaccionen les unes amb les altres mitjançant les forces de Van der Waals més intensament, augmentant les forces atractives de manera que les partícules es veuen forçades a ocupar una posició fixa en una xarxa tridimensional.
Hi ha líquids que s'expandeixen quan la temperatura descendeix, l'aigua n'és un exemple; per això, si congelem una ampolla plena d'aigua és possible que es trenqui el vidre a causa de l'augment del volum de l'aigua sòlida. Aquest comportament es coneix com a anomalia de densitat de l'aigua.
Evaporació i sublimació La velocitat de les partícules no és la mateixa per a totes, unes són més ràpides i d'altres es mouen més a poc a poc que la mitjana. La velocitat de les partícules canvia constantment a conseqüència de les col·lisions.
En la frontera d'un sòlid o d'un líquid, es pot produir la transició de fase vers un estat gasós; de vegades, pot passar que una partícula a l'atzar rebi un impuls tan fort que superi la força de cohesió que la mantenia unida a les altres, i escapi.