Estado físico da matéria
Na física, um estado físico da matéria é uma das formas distintas em que a matéria pode existir. Os quatro estados clássicos são o sólido, o líquido, o gás e o plasma.
Sólido
Em um sólido, as partículas constituintes, como íons, átomos ou moléculas, ficam próximas umas das outras. As interações entre as partículas restringem seus deslocamentos, embora elas possam vibrar. Por isso, nas mesmas condições de temperatura e pressão, um sólido mantém forma e volume aproximadamente definidos. Sua forma pode ser alterada pela aplicação de forças, como quando ele é deformado, quebrado ou cortado. Nos sólidos cristalinos, as partículas dispõem-se em um padrão ordenado e repetitivo. Existem diferentes estruturas cristalinas, e uma mesma substância pode apresentar mais de uma estrutura, ou fase sólida. Sob pressão atmosférica, o ferro possui estrutura cúbica de corpo centrado em temperaturas inferiores a aproximadamente 912 °C e estrutura cúbica de faces centradas entre aproximadamente 912 °C e 1.394 °C. O gelo também possui estruturas cristalinas distintas, estáveis sob diferentes condições de temperatura e pressão.
Líquido
Um líquido é um fluido pouco compressível que assume a forma do recipiente, mas conserva um volume aproximadamente constante sob pequenas variações de pressão. Seu volume depende da temperatura e da pressão. Quando um sólido é aquecido até seu ponto de fusão, ele pode tornar-se líquido, desde que essa fase seja estável nas condições consideradas. No diagrama de fases usual de uma substância pura, a fase líquida estável exige pressão superior à do ponto triplo. As forças intermoleculares, interatômicas ou interiônicas permanecem presentes, mas as partículas podem mudar de posição e o material escoa. A forma de um líquido depende, assim, do recipiente. Para a mesma massa, seu volume costuma ser maior que o do sólido correspondente. A água é uma exceção sob pressão atmosférica, pois seu gelo comum é menos denso que a água líquida. A temperatura máxima na qual líquido e vapor podem coexistir em equilíbrio é a temperatura crítica.
Gás
Um gás é um fluido compressível. Além de assumir a forma do recipiente, ele se expande para preencher o espaço disponível. Em um gás suficientemente diluído, a distância típica entre partículas vizinhas é muito maior que o tamanho das próprias partículas. Nessas condições, as interações intermoleculares têm efeito relativamente pequeno sobre muitas propriedades do gás. No modelo de gás ideal, essas interações são desprezadas, exceto durante colisões elásticas, e o movimento das partículas fornece a energia cinética translacional do gás. Um gás não possui forma nem volume próprios. Um líquido pode ser transformado em gás por aquecimento a pressão constante até seu ponto de ebulição, ou pela redução da pressão a temperatura constante.
Plasma
Um gás pode tornar-se plasma por aquecimento, por uma descarga elétrica ou pela absorção de radiação capaz de ionizá-lo. Na ionização, elétrons são removidos de átomos ou moléculas. Um plasma parcialmente ionizado contém partículas neutras, íons e elétrons livres. Em um plasma totalmente ionizado, não restam elétrons ligados aos núcleos. O grau de ionização depende da composição, da densidade e da energia disponível. A presença de cargas livres permite comportamentos coletivos que distinguem um plasma de um gás neutro. Plasmas são produzidos por raios, centelhas elétricas, lâmpadas fluorescentes, letreiros de néon e telas de plasma. A coroa solar e o interior das estrelas contêm plasma. Certas chamas também contêm cargas suficientes para apresentar comportamento de plasma, mas nem toda chama pode ser classificada dessa maneira. Embora não seja o estado usual da matéria junto à superfície terrestre, o plasma constitui grande parte da matéria visível do universo.
Uma transição de fase corresponde a uma mudança na natureza de uma fase ou no número de fases quando variam condições externas, como temperatura, pressão ou um campo aplicado. Fases distintas podem ocupar regiões diferentes do conjunto de estados termodinâmicos de um sistema. A água, por exemplo, possui diferentes fases sólidas. O aparecimento da supercondutividade está relacionado a uma transição de fase. Estados ferromagnéticos também são separados de estados paramagnéticos por transições. Fases com propriedades intermediárias entre as de um cristal e as de um líquido isotrópico são chamadas de mesofases. Os cristais líquidos são exemplos. Em uma transição de primeira ordem, primeiras derivadas da energia livre, como a entropia ou o volume, apresentam descontinuidades no ponto de transição. Nem toda passagem entre comportamentos macroscópicos exige uma transição descontínua. A curva de coexistência entre líquido e gás termina no ponto crítico. Um caminho no diagrama de fases que contorne esse ponto pode passar de condições típicas de líquido às de gás sem cruzar a curva de coexistência. A ionização de um gás também pode aumentar gradualmente, sem que todas as partículas se ionizem ao mesmo tempo.
Vidro
O vidro é um material não cristalino que apresenta uma transição vítrea quando a escala de tempo dos rearranjos estruturais se torna comparável à da observação. Ao ser aquecido, ele passa gradualmente a responder como um líquido super-resfriado. Vidros podem ser produzidos a partir de redes inorgânicas, como o vidro de janela formado por silicato e aditivos, ligas metálicas, líquidos iônicos, soluções aquosas, líquidos moleculares e polímeros. Um vidro está fora do equilíbrio estrutural. Isso não impede que sua temperatura seja uniforme ou que ele esteja em equilíbrio térmico com o ambiente. Sua estrutura amorfa pode persistir por períodos muito longos porque os rearranjos são lentos. A relaxação estrutural e a eventual cristalização dependem do material e das condições de temperatura.
Cristais com algum grau de desordem
Um cristal plástico é um sólido molecular com ordem posicional de longo alcance, mas cujas moléculas mantêm liberdade de reorientação. Em um vidro orientacional, essas orientações ficam bloqueadas em uma configuração desordenada. Em um vidro de spin, são os momentos magnéticos que apresentam um congelamento desordenado, sem o alinhamento periódico de um ferromagneto ou antiferromagneto simples.
Estados de cristal líquido
Os estados de cristal líquido possuem propriedades intermediárias entre líquidos e sólidos ordenados. Podem escoar e, ao mesmo tempo, manter ordem de orientação. Na fase nemática, os eixos de moléculas alongadas tendem a orientar-se ao longo de uma direção preferencial, chamada diretor. Isso não significa que todas as moléculas estejam perfeitamente paralelas ou que não possam girar. O para-azoxianisol, por exemplo, apresenta uma fase nemática entre aproximadamente 118 °C e 136 °C. A anisotropia dos cristais líquidos altera sua interação com a luz polarizada. O controle da orientação molecular por campos elétricos permite seu uso em mostradores de cristal líquido. Outros tipos de cristal líquido possuem formas diferentes de organização, como a disposição em camadas das fases esméticas.
Separação de microfases
Copolímeros em bloco podem sofrer separação de microfases e formar nanoestruturas periódicas, como no copolímero em bloco de estireno-butadieno-estireno mostrado à direita. A separação de microfases pode ser entendida por analogia com a separação entre óleo e água. Blocos quimicamente incompatíveis tendem a ocupar regiões diferentes. Como estão unidos por ligações covalentes, não podem separar-se macroscopicamente como água e óleo. Formam, em vez disso, domínios com dimensões da ordem de nanômetros. O comprimento relativo dos blocos e a arquitetura das cadeias permitem a formação de morfologias diferentes. Alguns líquidos iônicos também apresentam organização em domínios nanométricos. Em líquidos com cadeias alquila suficientemente longas, regiões polares, que contêm os grupos carregados e seus contraíons, podem separar-se de regiões apolares formadas pelas cadeias. Não se trata de uma separação macroscópica entre cargas positivas e negativas. Em líquidos iônicos próticos com cadeias alquila nos ânions, medidas de autodifusão também foram compatíveis com a formação de estruturas lamelares ou micelares.
Átomos e íons de metais de transição frequentemente possuem momentos magnéticos resultantes de camadas eletrônicas parcialmente preenchidas. Esses momentos dependem do spin e do movimento orbital dos elétrons. Em certos sólidos, as interações entre momentos magnéticos produzem ordenamento ferromagnético, antiferromagnético ou ferrimagnético. Em um ferromagneto, como o ferro sólido, a magnetização espontânea possui uma direção definida dentro de cada domínio magnético. Quando os domínios não se compensam, pode haver magnetização macroscópica mesmo sem um campo magnético externo. Essa magnetização espontânea desaparece acima da temperatura de Curie, de aproximadamente 770 °C para o ferro. Acima dessa temperatura, o material ainda pode responder a um campo aplicado por paramagnetismo. Em um antiferromagneto colinear simples, duas sub-redes possuem momentos magnéticos iguais e opostos, que se cancelam. No óxido de níquel(II), NiO, o ordenamento dos momentos dos íons de níquel produz magnetização resultante nula. Também existem estruturas antiferromagnéticas mais elaboradas, sem uma simples divisão entre duas orientações opostas.
Condensados de Bose-Einstein e superfluidos
A condensação de Bose-Einstein foi prevista em 1925 por Albert Einstein, a partir da estatística desenvolvida por Satyendra Nath Bose e estendida por Einstein a gases materiais. Em um gás de bósons, abaixo de uma temperatura crítica que depende da densidade e das propriedades das partículas, uma fração macroscópica pode ocupar o mesmo estado quântico de menor energia. Nos gases atômicos diluídos usados em laboratório, isso exige temperaturas muito próximas do zero absoluto, −273,15 °C. O fenômeno recebe o nome de condensação por analogia com a condensação de um vapor, embora a condensação de Bose-Einstein seja uma concentração de ocupação em um estado quântico.
Supercondutores e condensados fermiônicos
Um condensado fermiônico envolve o comportamento coletivo de férmions emparelhados. O princípio de exclusão de Pauli impede férmions idênticos de ocuparem o mesmo estado quântico individual, mas pares de férmions podem apresentar comportamento bosônico e coerência coletiva. No regime de ligação forte, esses pares se aproximam de moléculas que formam um condensado de Bose-Einstein. Em supercondutores convencionais, os pares de Cooper podem ser muito extensos e sobrepor-se. Supercondutores, a fase superfluida do hélio-3 e gases atômicos ultrafrios fornecem exemplos de sistemas fermiônicos emparelhados. A superfluidez de um gás de lítio-6 foi demonstrada pela observação de vórtices em 2005.
Matéria degenerada
A expressão matéria degenerada é usada para regimes nos quais a ocupação dos estados quânticos tem um papel determinante no comportamento de um sistema de férmions. Isso ocorre quando a temperatura é baixa em comparação com a temperatura de Fermi, o que pode acontecer mesmo em objetos astrofísicos muito quentes, desde que sejam suficientemente densos. O princípio de exclusão de Pauli obriga férmions idênticos a ocupar estados quânticos diferentes e produz uma pressão que não desaparece no limite de temperatura nula. Em regimes fortemente degenerados, essa pressão depende muito menos da temperatura que a de um gás clássico. No interior das anãs brancas, elétrons deslocalizados formam um gás degenerado entre núcleos atômicos. A pressão de degenerescência eletrônica sustenta a estrela contra a gravidade. Nos modelos usuais de anãs brancas frias, o raio diminui à medida que a massa aumenta.
Matéria de quarks
Na matéria comum, os quarks são confinados pela interação forte em hádrons. Prótons e nêutrons, por exemplo, contêm três quarks de valência. A matéria de quarks compreende fases nas quais quarks e glúons possuem graus de liberdade desconfinados, sem que isso elimine suas interações. Essas fases são esperadas sob densidades ou temperaturas extremas. O plasma de quarks e glúons criado em colisões de íons pesados tem vida muito curta e, ao esfriar, passa por hadronização, formando hádrons. A matéria estranha é uma forma hipotética de matéria de quarks que contém quarks up, down e strange. Certos modelos admitem que ela seja energeticamente estável mesmo sem pressão externa, mas essa hipótese não foi estabelecida experimentalmente. Matéria de quarks pode existir no interior de estrelas compactas. Sua eventual presença altera a equação de estado usada nos cálculos de estrutura estelar, inclusive da massa máxima estável, relacionada ao limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff. Esse limite não possui um valor universal independente da composição da matéria.
Condensado de vidro de cor
O condensado de vidro de cor é uma descrição efetiva de hádrons e núcleos em um regime de alta densidade de glúons. Em colisões de energia muito alta, tornam-se relevantes glúons que carregam uma pequena fração do momento longitudinal do hádron. Sua densidade pode atingir um regime de saturação, no qual efeitos não lineares limitam o crescimento adicional. Pela relatividade especial, um núcleo ultrarrelativístico também aparece contraído na direção do movimento, mas a saturação não é simplesmente uma consequência geométrica dessa contração. O condensado de vidro de cor é usado para estudar o estado inicial dos núcleos antes da colisão. Ele difere do plasma de quarks e glúons que pode formar-se depois dela. O Colisor Relativístico de Íons Pesados e o Grande Colisor de Hádrons permitem investigar esse regime.
Estados de energia extremamente alta
Teorias do universo primordial preveem regimes da matéria que não podem ser reproduzidos nas condições dos experimentos disponíveis. A origem da assimetria de bárions permanece sem uma explicação experimentalmente estabelecida. Há modelos em que ela é gerada durante transições de fase no universo primordial. Na teoria das cordas, a temperatura de Hagedorn está relacionada ao crescimento muito rápido do número de estados excitados e à mudança do comportamento térmico do sistema. Seu valor depende do modelo, não sendo uma temperatura universal para toda teoria de cordas. A temperatura de Planck é uma escala da ordem de 1032 K. Nessas escalas, uma descrição completa exige uma teoria de gravitação quântica. Não há uma descrição experimentalmente confirmada de um estado da matéria nessas condições. Esses regimes são estudados em cosmologia por sua possível relação com as fases iniciais do Big Bang.
Matéria fotônica é uma expressão usada para sistemas nos quais a interação da luz com um meio material produz excitações com massa efetiva e interações entre si. Em gases atômicos preparados com excitações de Rydberg, essas interações podem ligar pares de excitações luminosas, chamados informalmente de "moléculas" fotônicas. A massa é uma propriedade efetiva da propagação no meio e não uma massa de repouso adquirida pelo fóton livre. Fótons no vácuo possuem massa de repouso nula.
Supersólido
Um supersólido combina ordem espacial periódica com propriedades superfluidas. No mesmo sistema, a densidade apresenta uma modulação periódica e há resposta superfluida. Estados com propriedades supersólidas foram realizados experimentalmente em gases quânticos ultrafrios, incluindo um condensado acoplado a cavidades ópticas em 2017.
Líquido de rede de cordas
Um líquido de rede de cordas é um estado quântico no qual graus de liberdade microscópicos formam uma superposição de configurações de redes de cordas. Essas cordas pertencem à descrição coletiva do sistema e não precisam ser objetos materiais alongados. O conceito foi desenvolvido em modelos de ordem topológica. Neles, excitações coletivas podem apresentar propriedades distintas das dos constituintes microscópicos, incluindo comportamento semelhante ao de partículas de calibre e férmions emergentes.
Supervidro
Um supervidro é uma fase proposta que combina superfluidez com uma estrutura amorfa congelada. Simulações de hélio-4 produziram um estado metaestável com essas propriedades, distinto de um supersólido por não apresentar ordem cristalina de longo alcance.
Matéria de Rydberg
A matéria de Rydberg é um estado condensado excitado formado por agrupamentos de átomos de Rydberg, nos quais elétrons ocupam estados de número quântico principal elevado. Nos modelos desses agrupamentos, elétrons de valência ficam deslocalizados e o estado é metaestável. A teoria foi desenvolvida a partir da década de 1980, e experimentos com agrupamentos desse tipo são realizados desde aproximadamente 1990. Formas produzidas sobre superfícies podem apresentar comportamento semelhante ao de um líquido.
Estado de cadeias fundidas
Metais como o potássio podem formar, sob alta pressão, estruturas com uma rede hospedeira cristalina e cadeias de átomos que ocupam seus canais. Na fusão das cadeias, a sub-rede das cadeias perde sua ordem, enquanto a rede hospedeira permanece cristalina. Simulações publicadas em 2019 encontraram desordem de longo alcance dentro das cadeias e entre elas, mas difusão atômica restrita aos canais. Esse resultado sustenta a interpretação de uma fase termodinâmica com características de sólido e líquido, sem equivaler à fusão de todo o cristal.
Estado Hall quântico
Um estado Hall quântico apresenta quantização da resistência Hall, a razão entre a tensão transversal e a corrente aplicada. A tensão isoladamente não é uma constante quantizada independente da corrente. O fenômeno foi observado em sistemas eletrônicos bidimensionais submetidos a campos magnéticos intensos e baixas temperaturas. No estado Hall quântico de spin, canais de borda com sentidos de propagação opostos têm polarizações de spin opostas. Essa fase pode existir sem um campo magnético externo e foi observada experimentalmente em poços quânticos de telureto de mercúrio em 2007.
Em uma equação química, o estado físico das substâncias pode ser indicado por (s) para sólido, (l) para líquido e (g) para gás. A indicação (aq) significa que uma espécie está dissolvida em água, formando uma solução aquosa, e não designa um estado físico adicional. A reação do sódio com água pode ser escrita como:
