สถานะ (สสาร)

สถานะ (อังกฤษ: state of matter) เป็นกลุ่มของสภาพระบบทางกายภาพที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าซึ่งมีความสัมพันธ์กับโครงสร้างทางเคมีและคุณสมบัติทางฟิสิกส์ เช่น ความหนาแน่น, โครงสร้างผลึก (crystal structure), ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) และอื่น ๆ

สถานะที่คุ้นเคยกันมาก ได้แก่ ของแข็ง, ของเหลว, และแก๊ส

ส่วนสถานะที่ไม่เป็นที่รู้จักกันมากนัก ได้แก่ พลาสมาและพลาสมาควาร์ก-กลูออน, โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต และ เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต, วัตถุประหลาด, ผลึกเหลว, ซูเปอร์ฟลูอิด ซูเปอร์โซลิด พาราแมกเนติก, เฟอโรแมกเนติก, เฟสของ วัสดุ แม่เหล็ก

สารและสมบัติของสาร

สสาร (matter)  หมายถึงสิ่งที่มีมวล ต้องการที่อยู่ และ สามารถสัมผัสได้โดยประสาทสัมผัสทั้ง 5 เช่น ดิน น้ำ อากาศ ฯลฯ ภายใน สสารเป็นเนื้อของสสาร เรียกว่า สาร ( Substance ) 

สาร (substance) คือ สสารที่ทราบสมบัติ หรือ สสารที่จะศึกษา ดังนั้นจึงเป็นสสารที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งจะมีสมบัติของสาร

คำจำกัดความ

ถึงแม้ว่าสถานะเป็นที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในวิทยาศาสตร์กายภาพ แต่มันก็ไม่ง่ายที่จะให้คำจำกัดความที่ถูกต้องเที่ยงตรง ก่อนที่เราจะให้คำจำกัดความโดยทั่วไป เราลองมาดูตัวอย่างเกี่ยวกับสถานะกันก่อนสักสองตัวอย่าง

ตัวอย่าง: สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส

น้ำ (H₂O) ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมเกาะติดกับออกซิเจนตรงกลางหนึ่งอะตอม ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลของน้ำจะอยู่ใกล้กันและมีแรงดึงดูดต่อกันอย่างอ่อนๆ โดยไม่เกาะติดกัน ทำให้แต่ละโมเลกุลเคลื่อนไหวสัมพัทธ์กันได้เหมือนเม็ดทรายในนาฬิกาทราย พฤติกรรมของโมเลกุลน้ำที่มองไม่เห็นนี้ปรากฏออกมาให้เราเห็นเป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำในสถานะของเหลวซึ่งเราคุ้นเคยกันดี เนื่องจากโมเลกุลของน้ำไม่รวมกันอยู่เป็นโครงสร้างที่แข็งตึง รูปร่างของน้ำจึงไม่ตายตัว และปรับสภาพเลื่อนไหลไปตามภาชนะที่บรรจุ และเนื่องจากโมเลกุลของน้ำอยู่ใกล้กันมากอยู่แล้ว น้ำจึงมีความต้านทานต่อการบีบอัด สังเกตได้จากการบีบลูกโป่งที่บรรจุน้ำซึ่งทำไม่ได้ง่ายเหมือนกับการบีบลูกโป่งที่บรรจุอากาศ

รายชื่อและคุณสมบัติของสถานะของสสาร

สถานะของสสาร (อังกฤษ: phases of matter) มีความแตกต่างกันมากมาย โดยทั่วไปสถานะของสสารจะสังเกตความแตกต่างกันที่ ความดัน และ อุณหภูมิ การปรับเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะอื่นตามสภาวะที่เหมาะสมตัวอย่างเช่น การหลอมเหลว และ การเยือกแข็ง (freezing)

ของแข็ง (Solid)

สามารถคงรูปร่างของตัวเองได้โดยไม่ต้องมีภาชนะ มีอนุภาคชิดกันส่งผลให้อนุภาคเคลื่อนที่น้อยมาก เช่น ไม้ ทองคำ เหรียญ

• อสัณฐานของแข็ง (Amorphous solid) : เป็นของแข็งที่ไม่มีการจัดระเบียบความยาวช่วง (long-range order) ตำแหน่งของอะตอม แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ
  • อสัณฐานแก้วแข็ง (Amorphous glassy solid)
  • อสัณฐานยางแข็ง (Amorphous rubbery solid)
• ผลึก (Crystaline solid) : เป็นของแข็งที่ส่วนประกอบอะตอม โมเลกุล หรือไอออนถูกบรรจุและอัดตัวกันอย่างมีระเบียบและแบบแผนที่ซ้ำๆ กัน

ของเหลว (Liquid)

เป็น ของไหล ที่ไม่มีการอัดตัวกัน สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้ แต่ยังคงรักษาปริมาตรให้คงที่อยู่ได้โดยความดันต้องเป็นอิสระ

การกลายเป็นไอ (อังกฤษ: vaporization) ของธาตุหรือสารประกอบ คือการเปลี่ยนสถานะของสาร จากสถานะของแข็งหรือของเหลวไปสู่สถานะก๊าซ ในรูปแบบที่ต่างกัน ก็จะมีวิธีเรียกที่ต่างกัน โดยสามารถจำแนกได้เป็น 3 รูปแบบ ดังต่อไปนี้

• การระเหย  (อังกฤษ: Evaporation) คือ กระบวนการที่ของเหลว เปลี่ยนสภาพโดยธรรมชาติกลายเป็นเป็นก๊าซ โดยไม่จำเป็นต้องมีอุณหภูมิถึงจุดเดือด หรือในสภาวะที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดในความดันหนึ่ง ซึ่งต่างกันกับการเดือดจนกลายเป็นไอ อัตราการละเหยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยส่วนมากการระเหยมักเกิดบริเวณผิวหน้าของของเหลว เราสามารถรับรู้ถึงการระเหยได้ โดยดูจากน้ำที่ค่อยๆ ลดหายไปทีละน้อย เมื่อมันกลายตัวเป็นไอน้ำ ยกตัวอย่างเช่น การระเหยของน้ำในสระ
• การเดือด คือการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปสู่ก๊าซอย่างรวดเร็ว ในสภาวะที่อุณหภุมิของเหลวนั้นเทียบเท่าหรือมากกว่าจุดเดือด โดยสิ่งที่แตกต่างจากการระเหยคือ การเดือดจะเกิดขึ้นทุกส่วนของของเหลว ยกตัวอย่างเช่น การต้มน้ำจนเดือดกลายเป็นไอน้ำ
• การระเหิด (อังกฤษ: sublimation หรือ primary drying) คือการเปลี่ยนสถานะของของแข็งไปเป็นไอหรือก๊าซ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว โดยไม่ผ่านสถานะของเหลว  ถ้ามีพื้นที่ของแข็งมีมากจะระเหิดได้ง่ายยกตัวอย่างเช่น การระเหิดของลูกเหม็น

ก๊าซ (Gas)

เป็นของไหลที่สามารถบีบอัดได้ (compressible fluid) มันไม่เพียงแต่เปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้เท่านั้น แต่ยังสามารถเพิ่มปริมาณการบรรจุเข้าไปในภาชนะได้อีก เมื่อสารถูกเปลี่ยนจากของแข็งหรือของเหลวเป็นก๊าสจะเรียกว่า ไอ (Vaper) และก๊าสเป็นสสารที่มีที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าของแข็งและของเหลว นอกจากนี้หากก๊าซถูกนำมาผสมกันตั้งแต่2ชนิดเป็นต้นไป จะถือว่าเป็นสารเดียวหรือสารละลาย

พลาสมา (Plasma)

เป็นก๊าซที่ อิเล็กตรอน สามารถแยกตัวเป็นอิสระจากอะตอมของมันได้และแพร่กระจายประจุไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าได้

ของไหลยิ่งยวด (Superfluid)

เป็นสถานะที่เมื่อของเหลวอยู่ใน ภาวะเย็นยวดยิ่ง อุณหภูมิยิ่งยวดแล้วยังสามารถไหลได้โดยไม่มี แรงเสียดทาน ของไหลยิ่งยวดสามารถไหลออกจากภาชนะที่เปิดฝาและไหลลงพื้นข้างล่างได้

ของแข็งยิ่งยวด (Supersolid)

คล้ายกับของไหลยิ่งยวด ของแข็งยิ่งยวดสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไมมีแรงเสียดทานแต่ยังคงรักษารูปทรงเดิมของมันได้อยู่

สสารเสื่อม (Degenerate matter)

พบในเปลือกของดาวแคระขาว ซึ่งอิเล็กตรอนยังคงเกาะอยู่กับอะตอมแต่สามารถเคลื่อนย้ายไปยังอะตอมใกล้เคียงได้

นิวโตรเนียม (Neutronium)

พบใน ดาวนิวตรอน (neutron stars) ที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงและแรงกดดันจำนวนมหาศาลบีบอัดอะตอมให้แข็งจนอิเล็กตรอน ถูกอัดเป็นนิวเคลียส เป็นผลให้เกิดการรวมกลุ่มด้วยความหนาแน่นยิ่งยวดกลายเป็นนิวตรอน

สสารสมมาตรเข้ม (Strongly symmetric matter)

ประมาณว่า 10^-36 วินาที หลังจากปรากฏการณ์ บิกแบง พลังงานหนาแน่นสูงของจักรวาลซึ่งสูงจนกระทั่งว่า แรงธรรมชาติ 4 ชนิดคือ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม, แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, และ แรงโน้มถ่วง, ถูกรวมกันเป็นแรงเดียวแล้วจักรวาลก็ขยายออก อุณหภูมิและความหนาแน่นลดต่ำลงและแรงอย่างแก่แยกสะลายออกซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า การแตกสมมาตร (symmetry breaking)

สสารสมมาตรอ่อน (Weakly symmetric matter)

ประมาณว่า 10^-12 วินาที หลังจากปรากฏการณ์ บิกแบง แรงแก่ อ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้ารวมตัวกัน

โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต (Bose-Einstein condensate)

เป็นสถานะที่ซึ่งจำนวนมหาศาลของ โบสัน (boson) ทั้งหมดอยู่ใน สถานะควอนตัม (quantum state) เดียวกันเป็นผลให้กลายเป็น คลื่นเดี่ยว/อนุภาค

เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต (Fermionic condensate)

คล้ายกับ โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต แต่ประกอบด้วย เฟอร์มิออน (fermion) กฎกันออกไปของพอลิ (Pauli exclusion principle) ป้องกันเฟอร์มิออน จากการเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกัน แต่คู่ของ 2 เฟอร์มิออน สามารถแสดงพฤติกรรมเป็น โบสัน และคู่มันสามารถเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกันโดยไม่มีข้อจำกัด

ควาร์ก-กลูออน พลาสม่า (Quark-gluon plasma)

สถานะที่ ควาร์ก (quarks) เป็นอิสระและสามารถเคลื่อนที่อย่างไร้ขีดจำกัด (มากกว่าที่จะเกาะกับอนุภาค) ในทะเลของ กลูออน (gluons) (อนุภาคย่อยของอะตอมที่เคลื่อนย้าย แรงเข้ม ที่ติดด้วยกันกับควาร์ก) อาจเป็นข้อสรุปได้ใน ตัวเร่งอนุภาค

สสารประหลาด (Strange matter)

(aka Quark matter) อาจมีในดาวนิวตรอน ขนาดใหญ่โดยเฉพาะ

การจำแนกสาร

จะสามารถจำแนกออกเป็น 4 กรณี ได้แก่

1. การใช้สถานะเป็นเกณฑ์ แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม คือ

- สถานะที่เป็นของแข็ง ( Solid ) จะมีรูปร่าง และ ปริมาตรคงที่ ซึ่งอนุภาคภายในจะอยู่ชิดติดกัน เช่น ด่างทับทิม ( KMnO4 ) , ทองแดง ( Cu )

- สถานะที่เป็นของเหลว ( Liquid ) จะมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ และ มีปริมาตรที่คงที่ ซึ่งอนุภาคภายในจะอยู่ชิดกันน้อยกว่าของแข็ง และ มีสมบัติเป็นของไหล เช่น น้ำมัน , แอลกอฮอล์ , ปรอท ( Hg ) ฯลฯ

- สถานะที่เป็นแก๊ส ( Gas ) จะมีรูปร่าง และ ปริมาตรที่ไม่คงที่ โดยรูปร่าง จะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ อนุภาคภายในจะอยู่ ห่างกันมากที่สุด และ มีสมบัติเป็นของไหลได้ เช่น ก๊าซหุงต้ม , อากาศ

2. การใช้เนื้อสารเป็นเกณฑ์ จะมีสมบัติทางกายภาพของสารที่ได้จากการสังเกตลักษณะความแตกต่างของเนื้อสาร ซึ่งจะจำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม คือ

- สารเนื้อเดียว ( Homogeneous Substance ) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารเหมือนกันทุกส่วน ทำให้สารมีสมบัติเหมือนกันตลอดทุกส่วน เช่น แอลกอฮอล์ , ทองคำ ( Au ) , โลหะบัดกรี

- สารเนื้อผสม ( Heterogeneous Substance ) หมายถึง สารที่มีเนื้อสารแตกต่างกันในแต่ละส่วน จะทำให้สารนั้นมีสมบัติ ไม่เหมือนกันตลอดทุกส่วน เช่น น้ำอบไทย , น้ำคลอง ฯลฯ

3. การละลายน้ำเป็นเกณฑ์ จะจำแนกได้ออกเป็น 3 กลุ่ม คือ

- สารที่ละลายน้ำได้ เช่น เกลือแกง ( NaCl ) , ด่างทับทิม ( KMnO4 ) ฯลฯ

- สารที่ละลายน้ำได้บ้าง เช่น ก๊าซคลอรีน ( Cl2 ) , ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ( CO2 ) ฯลฯ

- สารที่ไม่สามารถละลายน้ำได้ เช่น กำมะถัน ( S8 ) , เหล็ก ( Fe ) ฯลฯ

4. การนำไฟฟ้าเป็นเกณฑ์ จะจำแนกได้ออกเป็น 2 กลุ่ม ได้แก่

- สารที่นำไฟฟ้าได้ เช่น ทองแดง ( Cu ) , น้ำเกลือ ฯลฯ

- สารที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น หินปูน ( CaCO3 ) , ก๊าซออกซิเจน ( O2 )

แต่โดยส่วนใหญ่นักเคมี จะแบ่งสารตามลักษณะเนื้อสารเป็นเกณฑ์ ดังนี้

สารบริสุทธิ์ ( Pure Substance ) คือ สารเนื้อเดียวที่มีจุดเดือด และ จุดหลอมเหลวคงที่

ธาตุ ( Element )  คือ สารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงชนิดเดียวกัน เช่น คาร์บอน ( C ) , กำมะถัน ( S₈ ) 

สารประกอบ ( Compound Substance ) เกิดจากธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมกัน โดยมีอัตราส่วนในการร่วมกันคงที่แน่นอนได้แก่ กรดน้ำส้ม ( CH₃COOH ) , กรดไฮโดรคลอริก ( HCl ) ฯลฯ

ของผสม ( Mixture ) หมายถึง สารที่เกิดจากการนำสารตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาผสมกันโดยไม่จำกัดส่วนผสม และ ในการผสมกัน

นั้นไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารองค์ประกอบที่นำมาผสมกัน ซึ่งมี 3 ประเภท ได้แก่ 

1. สารละลาย ( Solution Substance ) เป็นสารเนื้อเดียวที่มีสัดส่วนในการรวมกันของธาตุ หรือ สารประกอบไม่คงที่ไม่สามารถเขียนสูตรได้อย่างแน่นอน และ มีขนาดอนุภาคที่เล็กกว่า 10^-7 เซนติเมตร ซึ่งมี 3 สถานะ เช่น อากาศ , น้ำอัดลม , นาก , และ โลหะผสม ทุกชนิด ฯลฯ ซึ่งสารละลายจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ได้แก่ ตัวทำละลาย ( Solvent ) และ ตัวถูกละลาย ( Solute ) จะมีข้อสังเกต ดังนี้ 

- สารใดที่มีปริมาณมากจะเป็นตัวทำละลาย และ สารใดมีปริมาณน้อยจะเป็นตัวถูกละลาย เช่น 

แอลกอฮอล์ฆ่าเชื้อ มีเอทานอล 70 % และ น้ำ ( H₂O ) 30 %  หมายความว่า น้ำจะเป็นตัวถูกละลาย และ เอทานอลเป็นสารละลาย เพราะแอลกอฮอล์มีปริมาณตามเปอร์เซนต์ที่มากกว่าน้ำ

- สารใดที่มีสถานะเช่นเดียวกับสารละลายเป็นตัวทำละลาย เช่น

น้ำเชื่อม ซึ่งน้ำเชื่อมจัดอยู่ในสภาพที่เป็นของเหลว ( Liquid ) ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า น้ำเป็นตัวทำละลาย และ น้ำตาลทราย ( C₁₂H₂₂O₁₁ ) เป็นตัวถูกละลาย

2. สารแขวนลอย ( Suspension Substance ) คือ สารที่เกิดจากอนุภาคขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่มากกว่า 10^-4 เซนติเมตร ซึ่งจะลอยกระจายอยู่ในตัวกลางโดยอนุภาคที่มีอยู่ในของผสมนั้นมีขนาดใหญ่ จึงสามารถมองเห็นอนุภาคในของผสมได้อย่างชัดเจน เมื่อตั้งทิ้งไว้  อนุภาคจะตกตะกอนลงมา ซึ่งสารแขวนลอยนั้นจะไม่สามารถผ่านได้ทั้งกระดาษกรอง และ กระดาษเซลโลเฟน เช่น โคลน , น้ำอบไทย

3. คอลลอยด์ ( Colliod )  จะประกอบด้วยอนุภาคขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 10^-4 และ 10^-7 เซนติเมตร ซึ่งจะไม่มีการตกตะกอน  สามารถกระเจิงแสงได้ ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า " ปรากฏการณ์ทินดอลล์ " และ ภายในอนุภาคก็มีการเคลื่อนที่แบบบราวน์เนียน ( Brownian Movement ) กล่าวคือ เป็นการเคลื่อนที่ที่ไม่แน่นอน ในแนวเส้นตรง ซึ่งจะสามารถส่องดูได้จากเครื่องที่เรียกว่า " อัลตราไมโครสโคป " ( Ultramicroscope ) ซึ่งคอลลอยด์จะสามารถผ่านกระดาษกรองได้ แต่ไม่สามารถผ่านกระดาษเซลโลเฟนได้ เช่น กาว , นมสด

การเปลี่ยนแปลงสถานะ

การเปลี่ยนแปลงสถานะ คือการที่สสารใดๆ เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เช่นจากของแข็งเป็นของเหลว เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงสถานะในแต่ละรูปแบบ มีชื่อเรียกต่างกันตามลักษณะการเปลี่ยนแปลง ดังนี้

การระเหย หรือการกลายเป็นไอ

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นก๊าซ โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆได้รับพลังงานหรือความร้อน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนสถานะเป็น ไอน้ำ

การระเหิด

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของแข็ง กลายเป็นก๊าซ โดยไม่ผ่านสถานะการเป็นของเหลว ได้แก่ น้ำแข็งแห้ง เปลี่ยนสถานะเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

การควบแข็ง

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาระ จากก๊าซ กลายเป็นของแข็ง โดยไม่ผ่านสถานะการเป็นของเหลว ใช้ความเย็นในการก่อตัว

การควบแน่น

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากก๊าซ กลายเป็นของเหลว โดยมักเกิดเมื่อก๊าซนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ ไอน้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำ

การแข็งตัว

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นของแข็ง โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำแข็ง โดยของแข็งนั้น สามารถเปลี่ยนสถานะกลับเป็นของเหลวได้ โดยการได้รับพลังงานหรือความร้อน

การเยือกแข็ง

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นของแข็ง โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำแข็ง เป็นต้น

การหลอมเหลว หรือการละลาย

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของแข็ง กลายเป็นของเหลว โดยมักเกิดเมื่อของแข็งนั้นๆ ได้รับความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำแข็ง เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำ

แหล่งข้อมูลอื่น

• 2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: "... They have become the first to create a new type of matter, a gas of atoms that shows high-temperature superfluidity."
• 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: "...We apparently have observed, for the first time, a solid material with the characteristics of a superfluid...but because all its particles are in the identical quantum state, it remains a solid even though its component particles are continually flowing..."
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
• French physicists find a solution that reversibly solidifies with a rise in temperature - α-cyclodextrine, water, and 4-methylpyridine