+ Estado físico da matéria 270px|alt=Ampola com bromo líquido castanho e vapor de bromo, dentro de um cubo transparente de acrílico. Bromo nos estados líquido e gasoso, em uma ampola envolvida por acrílico sólido. Conceito Forma de organização da matéria Estados clássicos Sólido, líquido, gás e plasma Condições relevantes Temperatura, pressão e composição Conceitos relacionados Fase e transição de fase

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.

Os estados diferem pela maneira como suas partículas constituintes, como átomos, moléculas, íons e elétrons, se organizam e se comportam coletivamente. Em um sólido, as partículas permanecem próximas e oscilam em torno de posições relativamente estáveis, o que permite ao material manter forma e volume definidos. Em um líquido, as partículas permanecem próximas, mas podem mudar de posição umas em relação às outras, de modo que a substância conserva um volume aproximadamente definido e assume a forma do recipiente. Em um gás pouco denso, as partículas ficam muito afastadas e se deslocam pelo recipiente, preenchendo o espaço disponível. O plasma contém partículas carregadas livres, cujos movimentos produzem respostas coletivas a campos elétricos e magnéticos.

Além dos estados clássicos, existem outros modos de organização da matéria. Os cristais líquidos, por exemplo, têm propriedades encontradas em sólidos e líquidos. Outros estados se distinguem pelo ordenamento de graus de liberdade que não se resumem às posições dos átomos. No ordenamento magnético, são os momentos magnéticos dos constituintes, produzidos pelo spin e pelo movimento orbital dos elétrons, que se organizam. Mesmo em um sólido cuja estrutura cristalina permanece a mesma, podem ocorrer estados magnéticos diferentes, como o ferromagnetismo e o antiferromagnetismo.

Alguns estados surgem sob condições extremas, como os condensados de Bose-Einstein e os condensados fermiônicos produzidos em gases ultrafrios, a matéria degenerada de nêutrons, sob densidades extremas, e o plasma de quarks e glúons, estudado em física nuclear de alta energia.

O termo fase é por vezes usado como sinônimo de estado da matéria, mas os conceitos não são idênticos. Em termodinâmica, uma fase é uma parte de um sistema material uniforme em composição química e estado físico. Um mesmo composto pode formar fases diferentes dentro do mesmo estado físico. O gelo, por exemplo, é água no estado sólido, mas existem fases distintas do gelo, com estruturas cristalinas diferentes, formadas sob diferentes pressões e temperaturas.

Quatro estados clássicos

Sólido

miniatura|upright=0.75|Ilustração simplificada de partículas no estado sólido, próximas umas das outras e vibrando em torno de posições de equilíbrio.

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.

O vidro e outros sólidos amorfos não apresentam a ordem posicional de longo alcance de um cristal. O estado vítreo, abordado abaixo entre os estados não clássicos, resulta do bloqueio dos rearranjos estruturais e não está em equilíbrio termodinâmico estrutural.

Sólidos podem ser transformados em líquidos por fusão, e líquidos podem ser transformados em sólidos por solidificação. Sólidos também podem passar diretamente ao estado gasoso por sublimação, e gases podem passar diretamente ao estado sólido por deposição.

Líquido

miniatura|upright=0.75|Ilustração simplificada de partículas no estado líquido, que podem mudar de posição umas em relação às outras.

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

miniatura|upright=0.75|Ilustração simplificada de partículas no estado gasoso. Em um gás pouco denso, as distâncias entre elas são muito maiores que seus tamanhos.

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.

Em temperaturas abaixo de sua temperatura crítica, a fase gasosa de uma substância também recebe o nome de vapor e pode ser liquefeita por compressão isotérmica. Um vapor pode coexistir em equilíbrio com um líquido ou sólido. Para uma substância pura, sua pressão nesse equilíbrio é a pressão de vapor da fase condensada.

Um fluido supercrítico é uma substância sob temperatura e pressão superiores, respectivamente, à temperatura e à pressão críticas. Nessas condições, não há uma fronteira de coexistência entre líquido e gás. Um fluido supercrítico pode apresentar propriedades de transporte semelhantes às de um gás e densidade suficientemente alta para atuar como solvente. O dióxido de carbono supercrítico, por exemplo, é usado na extração de cafeína durante a produção de café descafeinado.

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.

Transições de fase

miniatura|upright=1.45|Nomenclatura de diferentes transições entre estados físicos.

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.

miniatura|Cubos de gelo derretendo durante uma mudança de estado.

As curvas de um diagrama de fase de pressão e temperatura de uma substância pura delimitam condições nas quais duas fases coexistem em equilíbrio. No ponto triplo, três fases coexistem. Para um sistema em equilíbrio, na forma usual em que temperatura e pressão são as variáveis externas independentes, a regra das fases de Gibbs relaciona o número de graus de liberdade F, o número de componentes independentes C e o número de fases P:

As transições clássicas entre sólido, líquido e gás são mudanças físicas e não exigem alteração da composição química. O gelo que derrete e o vapor que se condensa, por exemplo, continuam sendo H2O.

O estado de uma determinada quantidade de matéria depende das condições de pressão e temperatura. Muitas substâncias comuns são sólidas em temperaturas próximas do zero absoluto sob pressões ordinárias, mas essa não é uma regra universal. O hélio, por exemplo, precisa ser comprimido para solidificar, mesmo em temperaturas muito baixas. Sob condições adequadas, o aquecimento pode levar um sólido à fusão, um líquido à ebulição e um gás à ionização. Essa sequência depende do diagrama de fases e da estabilidade química da substância.

Formas de matéria que não são constituídas por moléculas também podem apresentar fases distintas. Superfluidos, condensados fermiônicos e o plasma de quarks e glúons são exemplos de estados cujo comportamento exige uma descrição quântica coletiva.

Estados não clássicos

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