这个问题,问得虽然有些幼稚,可真的要回答清楚,至少需要同时精通原子物理学、凝聚态物理学、量子力学、有机化学、材料化学…这样的专家,大概不会在知乎上答题,我就斗胆从我熟悉的专业角度来说一说。
首先,物质有多少种形态,只有三态吗?
这个问题,其实稍微看看相关的科普就能明白,现代物理对于“物态”早就不是只有固液气三态了,特别是等离子态,不光是有各种科普,而且和我们的生活也越来越近,比如荧光灯管发光的时候,里面就是等离子态。
而且,等离子态在自然界也很普遍。
那么第二个问题,物质都有固液气三种基本形态吗?
从化学结构的角度来说,固体是指原子被紧密束缚,原子的振动很慢,不足以挣脱它们之间的作用力,只能在自己的位置上,就像学校里正在上课的学生一样。而液体则是原子的振动加速,能够移位,但是还不足以脱离整体,就像学校里下了课一样,孩子们在学校里活动,但是不能出校门。至于气体,就是原子振动得足够快,脱离了群体,就像学校放学了一样。
不难发现,固液气是物质的三种基本状态。
不过呢,在传统的固液气三态中,也不是简单地根据目测就能分类的,比如为了验证沥青是固体还是液体,就成就了二十世纪最著名的长期实验——沥青滴落实验。
所以,物质是不是有固液气三态,这个问题远不是“有”或“没有”能解释清楚的。
举个很简单的例子。
玻璃,这个是我们日常生活中极为常见的“固体”,但它真的是固体吗?
从化学结构的角度来说,玻璃没有各向异性,是一个完全无序的体系,随着玻璃内部的原子的振动,它们之间的相对位置会发生改变,尽管常温下的玻璃,宏观上看不出什么变化。玻璃的近亲石英,它是各向异性的,它的原子虽然也会振动,却只在特定的位置上,原子之间的相对位置并不会因此改变。那么现在问题来了,玻璃是固态还是液态?
我们现在的中学物理课本上,把固体分为了晶体与非晶体这两种类型,其中分类依据是有没有确定的熔点,玻璃是非晶体,而石英则是晶体。试问,玻璃作为非晶体,既然没有固定的熔点,每升高一度,它就会软一点,固态与液态之间没有明确的界限,那么凭什么说,200 度的玻璃是固体,300 度更软一点的玻璃,它就成液体了呢?
可见,无论从结构还是从表观的参数来看,我们都很难把玻璃这个物质简单地划分为“固体”。
对于题中所说的纸张,那就更麻烦了。纸张的主体是纤维素,这是一种高分子材料,分子量很大。
绝大多数高分子材料也和玻璃一样,不是晶体,也没有固定的熔点可言。但是也有像“结晶牛胰岛素”这样的,它就有结晶态。一般的高分子,即便能够结晶,也只是局部的,比如常见的聚丙烯材料,可以用来做饭盒的那种,它就是这样。所以,对于高分子材料来说,所谓的固液气态,其实没有多少实际的意义,取而代之的是粘流态、高弹态和玻璃态。粘流态,自然就是像胶水那样,能够流动但粘度很大,高弹态是像橡胶那样容易变形,至于玻璃态就是常见的塑料那样,也会像玻璃一样破碎。如果按照固液气划分,高分子的三种状态实际上都是液态,因为分子间都存在位移,只是程度大小的区别。不过,因为微观结构与结晶性的差异,这几个状态,可以通过测试相关的参数来推算转变温度,比如从高弹态到玻璃态,发生变化的温度就叫 Tg,即玻璃化转变温度。与之对应,我们前面说过,非晶体并没有熔点一说。由此可见,对于高分子来说,一般的三态划分方法已经没啥意义了。
像纸张这样的物质,因为主要成分纤维素很容易结晶,并且因为含有大量的氢键,结晶性还很强,于是纸张在常温实际上就属于玻璃态,我们也因此能够撕开纸张。相比之下,一般用在书封面上的聚乙烯薄膜,它就是高弹态,撕的时候会变形,就不是太容易撕开了。如果我们对纸张里的纤维素做一些处理,比如降低其中氢键的数量,减弱结晶性,那它也可以成为高弹态。
不过,说出来让人不信,虽然高分子材料因为分子间的作用力大,分子之间紧密结合,但其实也有不少高分子是可以气化的,只是条件比较苛刻。目前有一种质谱仪叫 ESI-MS,也就是电喷雾,它就可以把大分子气雾化。
但是总的来说,高分子材料还是很难出现气态,没等加热到气态呢,早就已经发生分解了。当然,高分子能够结晶成“固体”的,其实也不多。
由此,我们就可以回答第二个问题,并不是所有的物质都有固液气三态,对于像纸这样的高分子而言,讨论固液气的意义不大。
最后说个问题,物质有多少类?题主说道:“酸碱盐芳香烃类醇醚类,化学物质就这些了,都有液态固态气态吗?”这也是题主最为露怯的地方。
我们现在的化学学科一般分为无机化学、有机化学、分析化学、物理化学以及高分子化学五门二级学科,其中无机、有机和高分子都是以研究物质为主,分析偏重于方法,而物化则偏重于原理。
广义来说,所有的物质都属于无机物或有机物,但是在材料学和生物学兴起之后,又按照分子量大小区分出了大分子和小分子。比方说我们身体里的 DNA 和蛋白质,当然属于有机物,但是按照一般有机物的研究方法是远远不够的,因为它们的分子量特别大,会出现很多奇特的现象。举个例子,酶是蛋白质的一种,酶化学的研究方法,除了研究各种基团以外,还要重点研究它的拓扑结构,所以经常看文献的话就会发现,很多有关的酶的研究,更像是在做立体几何。再比如说,前面也提到了,大分子的分子间作用力比较大,所以表现出的物理性质也和小分子不一样。
所以,在无机和有机以外,还专门设置出了高分子化学这门学科。
无机化学所研究的,包括单质、金属合金、氧化物、无机酸、无机碱、无机盐等等,很难用一个简单的分类囊括所有物质。
举个例子,氮化硼是一种类似于金刚石结构的无机材料,它的硬度在目前已知物质中也仅次于金刚石,耐磨性突出,所以常被用来作为刀具。
基于氮化硼的特征,现代化学专门划分出了“氮化物陶瓷”,这一家族除了氮化硼,还有氮化铝、氮化硅等,它们都没法归为酸碱盐的任何一类,甚至游离在路易斯酸碱理论以外。
对于有机物,情况就更复杂了。首先有机物也有酸碱盐系统,而且比无机物更复杂。比如氨基酸,同时存在氨基和羧基,自己就能成盐,你说它是酸、是碱、是盐,都没错。
至于所谓的醇、酚、醛之类的名称,它们都是官能团,并不能代表物质的种类。在一个有机物中,它往往会带有各种不同的官能团,很难说它具体是什么物质。
每一种结构稳定的小分子物质,一般都可以找得到它的固液气三态,这在化学上会用相图来表示。
比如这是很常见的一种物质,二氧化碳的相图。横轴代表温度,纵轴代表压强,从三相图上可以很清楚地知道,当温度为 X,气压为 Y 时,某种物质处于什么状态。
在读书的时候,我们都知道二氧化碳并不存在液态,干冰会直接变为二氧化碳气体,要不怎么叫干冰呢?
然而,二氧化碳也是可以有液态的,只是需要在较高的压力之下才能存在。
绝大多数物质都可以通过实验找出它的三相图,靠近横轴的是气态,靠近纵轴的则是固态,二者之间则是液态。当体系出现多组分的时候,比如溶液、合金等等,也可以采用相图进行研究。
在二氧化碳的三相图上,不难看到还有个超临界流体状态,这其实也是一种不同于固液气三态的一种状态。简单来说,当一种物质处于超临界流体状态时,它一部分的表现像气体,一部分表现像液体,气体和液体之间完全没有界面。这种状态不太容易想象,可以说个最简单的现象,如果水变成了超临界流体状态,我们用木桶打水,就和竹篮打水差不多的效果。
正因为超临界流体的这些特征,让它可以经常用在一些物质的萃取方面,目前,超临界二氧化碳流体的萃取已经是很常用的一种技术。
所以,一种小分子物质是不是具有三态,三种状态分别在什么条件下实现,可以通过查找它的三相图来鉴定,跟物质的种类并没有太大的关联。
最后总结一下:
1、固液气三态不能简单地用肉眼判断;
2、并不是所有的物质都有固液气三态;
3、小分子物质可以通过查找三相图来识别三态,大分子往往只有“液态”这一种;
4、物质的种类非常复杂,不能简单地用官能团区分。