地球/3a. 气体、液体、固体（以及物质的其他状态）
古代对地球物质的分类是对我们所居住的物质世界构成要素的早期尝试。 亚里士多德，亚历山大大帝的老师，在公元前343年的古希腊提出了五种“元素”：土、水、气、火和以太。这五种元素可能借鉴了更古老的文化，例如古埃及的教义。中国五行系统，发展于公元前200年左右的汉代，列出了“元素”木、火、土、金、水。这些观点认为，构成所有物质的成分是这些元素的某种组合，但早期文本中关于这些元素是什么的理论似乎是武断的。大约在公元850年，伊斯兰哲学家肯迪，他在他的家乡巴格达读到了亚里士多德的著作，进行了早期的蒸馏实验，即加热液体并在单独的容器中收集冷却产生的蒸汽的过程。他发现蒸馏过程可以制造更浓烈的香水和更烈的葡萄酒。他的实验表明，实际上只有三种物质状态：固态、液态和气态。
古代早期对物质的分类与当今现代的原子物质理论存在很大差异，后者构成了化学领域的基础。现代原子理论将物质分类为94种天然存在的元素，如果你包括科学家合成的元素，则还有另外24种元素。原子物质理论认为，所有物质都是由这118种元素的组合或混合物组成。然而，由于温度和压力的不同，所有这些物质都可以采用三种基本物质状态。因此，根据其温度和压力，理论上所有这些元素的组合都可以存在于固态、液态和气态中。尽管大多数物质状态是由不同的元素组成的，但它们都可以归类为固态、液态或气态。
一个很好的例子是冰、水和蒸汽。冰是氢原子与氧原子结合形成的固体形式，用H2O表示，因为它包含的氢（H）原子是氧（O）原子的两倍。H2O是冰的化学式。冰可以被加热形成液态水。在地球表面的压力（1个大气压）下，冰将在0°摄氏度（32°华氏度）熔化成水。同样，水也会在相同的温度0°摄氏度（32°华氏度）结冰。如果你继续加热水，它将在100°摄氏度（212°华氏度）沸腾。沸腾的水会产生蒸汽或水蒸气，这是一种气体形式。如果水蒸气冷却到低于100°摄氏度（212°华氏度），它将重新变成水。
最引人入胜的简单实验之一是观察一壶水在加热到100°摄氏度（212°华氏度）时的温度。水的温度会升高，直到达到100°摄氏度（212°华氏度），在此温度下，它将保持不变，直到所有水都蒸发成蒸汽（一种气体）后，蒸汽的温度才会进一步升高。一壶沸水恰好是100°摄氏度（212°华氏度），只要它是纯水并且处于1个大气压（海平面）下。
压力的变化会影响相变发生的温度。例如，在海拔10,000英尺的山顶上，水将在89.6°摄氏度（193.2°华氏度）沸腾，因为它的大气压力较低。这就是为什么你经常会看到根据海拔高度调整烹饪说明的原因，因为在较高海拔的地方，烹饪食物需要更长的时间。如果你在一个容器中抽走气体，将一杯水放在真空中，你可以让一杯水在室温下沸腾。当真空中的压力降到大约1千帕以下时，就会发生这种相变。三种基本物质状态取决于物质的压力和温度。科学家可以通过绘制任何物质在任何温度和压力下的观察到的物质状态来绘制不同物质状态的图表。这些图表称为相图。
可以通过观察物质在固态、液态和气态之间发生相变的温度和压力来读取相图。如果压力保持恒定，你可以通过沿着图表上的水平线读取图表，观察物质熔化或冻结（固体↔液体）和沸腾或蒸发（液体↔气体）的温度。你还可以通过沿着图表上的垂直线读取图表，观察物质熔化或冻结（固体↔液体）和沸腾或蒸发（液体↔气体）的压力。
在水的相图上，你会注意到固体冰和液态水之间的分界线不是围绕0°摄氏度的完全垂直的线，在约200到632兆帕的高压下，冰会在略低于0°摄氏度的温度下熔化。这个区域会导致冰盖下深埋的冰熔化，从而增加冰上的压力。另一种奇怪的现象可能发生在加热到100°摄氏度的水身上。如果你让加热到100°摄氏度的普通水承受越来越大的压力，直到超过2.1吉帕，热水将在100°摄氏度下变成固体冰并“冻结”。因此，在非常高的压力下，你可以在100°摄氏度的奇特高温下形成冰！如果你能够触摸到这块冰，你会被烫伤。另一种奇怪的现象发生在如果你让冰在真空中承受越来越小的压力，冰将在低于0°摄氏度的真空中升华，从固体变成气体。固体变成气体的过程称为升华，气体变成固体的过程称为凝华。最奇特的现象之一发生在三种物质状态的三相点，在那里固态、液态和气态可以共存。对于纯水（H2O），这发生在0.01°摄氏度和611.657帕的压力下。当水、冰或水蒸气处于这种温度和压力下时，你会看到水同时沸腾和结冰的奇怪现象！
相图表明物质的状态是物质内分子之间空间的函数。随着温度升高，振动力的作用使物质的分子相互远离，同样，随着压力的增加，物质的分子被推得更靠近。温度和压力之间的这种平衡决定了在每个离散的温度和压力下将存在哪种物质状态。
更高级的相图可能表明固态中分子不同的排列方式，因为它们承受着不同的温度和压力。这些更高级的相图说明了固体物质中晶格结构的变化，这些物质堆积得更密集，可以形成不同的晶体排列。
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每种物质都有不同的相图，例如纯二氧化碳（CO2）物质，它由一个碳原子（C）与两个氧原子（O）键合而成，在地球表面的正常温度和压力下大多是气体。然而，当二氧化碳冷却到-78°摄氏度时，会发生凝华，并从气体变成固体。干冰，也就是固态二氧化碳，在室温下会升华变成气体。它被称为干冰，因为在正常压力下固态和气态之间的相变不会像水那样经历液态阶段。这就是为什么放在冷却器中的干冰不会弄湿你的食物，但会让你的食物保持低温，而且实际上比用H2O制成的普通冷冻冰要冷得多。
当气体被加热并承受越来越高的压力时，会发生奇怪的事情。在某个点上，这些在不断压缩下的热气体将被归类为**超临界流体**。超临界流体既像气体又像液体，暗示着物质的第四种状态。当水被加热到高于374°摄氏度并承受22.1兆帕或更高的压力时，就会出现H2O的超临界流体，此时水的超临界流体看起来像一种浑浊的蒸汽状流体。CO2的超临界流体出现在高于31.1°摄氏度的温度下，并承受7.39兆帕或更高的压力。由于超临界流体既像液体又像气体，因此它们可以用作干洗中的溶剂，而不会使织物变湿。超临界流体用于咖啡豆的脱咖啡因过程中，因为当与咖啡豆混合时，咖啡因会被二氧化碳的超临界流体吸收。
当您考虑将两种或更多物质混合在一起并检查它们如何相互作用时，相图会变得更加复杂。这些包含两种不同物质的更复杂的相图称为二元体系，因为它们不仅比较温度和压力，还比较两种（有时更多）组分的比例。Al-Kindi在开发他的蒸馏过程时，利用了水的沸点（H2O）在100°摄氏度和酒精（C2H6O）在78.37°摄氏度的差异。从加热到78.37°摄氏度的水和酒精混合物中产生的捕获气体，将只包含酒精。如果将这种分离的气体冷却，它将成为更浓缩的酒精形式，这就是蒸馏的工作原理。
利用相图的知识，可以阐明94种天然存在的元素的不同组成的分布。科学家可以确定，由于温度和压力的变化，物质如何在这些天然存在的物质中富集或枯竭。
等离子体用于描述自由流动的电子，如电火花、闪电和围绕太阳的区域。等离子体从技术上讲不是物质状态，因为它不包含足够质量的粒子。虽然有时被包含在物质状态中，但等离子体，就像包含光子的电磁辐射一样，最好被认为是一种能量形式而不是物质。尽管电子在将不同类型的原子结合在一起方面发挥着至关重要的作用。在下一个模块中，您将了解相图极端限制下的其他物质相。
不同物质相具有不同的密度。密度，正如您可能回忆的那样，是物质质量与体积之比的量度。换句话说，它是给定空间（体积）内原子的数量（质量）。比重是物质密度与水的密度之比。这是一个简单的测试，可以查看物体是漂浮还是下沉，此类观察结果被测量为比重。比重正好为1，表示物体的密度与水相同。比重高于1的物质，无论是固体、液体还是气体，都会下沉，而比重低于1的物质则会漂浮。液体的比重使用比重计测量。否则，密度通过找到质量并将其除以测量的体积来测量（如果物体是不规则固体，通常通过水的置换来测量）。
大多数物质在固态时的密度往往高于液态，大多数液体的密度大于气态。这是因为固体在更小的空间内比液体堆积了更多的原子，并且固态物质比气态物质堆积了更多的原子。此规则存在例外，例如冰，水的固体形式会漂浮。这是因为冰块的质量与体积之比小于液态水，因为冰（H2O）的晶格在原子之间形成了密度较小的键网络，并在更大的空间中扩展以适应这种晶格结构。这就是为什么将苏打水罐放在冰箱里会导致它膨胀并爆裂的原因。然而，大多数物质在固态时的密度将高于液态。
密度以kg/m3或比重（与液态水相比）为单位测量。液态水的密度在4°摄氏度时为1,000 kg/m3，蒸汽（水蒸气）的密度为0.6 kg/m3。牛奶的密度为1,026 kg/cm3，略高于纯水，海平面空气的密度约为1.2 kg/m3。在地球表面上方100公里处（接近外太空边缘），空气的密度下降到0.00000055 kg/m3 (5.5 × 10−7 kg / m3)。
请记住，重力（g）的加速度取决于物体的质量，因此物体密度越大，施加在其上的重力就越大。这之前在计算地球的密度时曾讨论过，以反驳地球内部存在空心中心的假设。
区分物体的质量和物体的重量非常重要。重量是重力（g）和物体质量（M）的合力，因此重量=M×g。这就是为什么太空中的物体失重，以及物体在其他行星上的重量不同的原因，因为g的值取决于每颗行星的密度。但是，质量，相当于物体中原子的总数，无论您访问哪个行星，都保持不变。
重量由使用弹簧向下推的秤测量，弹簧将质量和重力结合起来，将物体推向地球并记录弹簧的位移。质量由将物体与标准物进行比较的秤测量，例如在天平秤中，已知质量的标准物在天平上保持平衡。
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