Seuraavat aktiviteetit on suunnattu yläkoululaisille ja lukiolaisille, vaikka osa sisällöstä on myös edistyneempien peruskoululaisten lähestyttävissä. Sivu on myös erinomainen kertaustehtävä ylemmän tason oppilaille. Kaikissa harjoituksissa käytetään javascriptiä, joka tarjoaa interaktiivisemman ympäristön.

Kaikki maapallolla voidaan selittää aineen neljän olomuodon (faasin) avulla – kiinteä, neste, kaasu ja plasma.

Mitkä ovat kiinteän aineen ominaisuuksia?

Kiinteässä faasissa oleva aine on suhteellisen jäykkä, sillä on tietty tilavuus ja muoto.

Kiinteän aineen muodostavat atomit tai molekyylit ovat pakkautuneet tiiviisti yhteen eivätkä ne ole kokoonpuristuvia.

Koska kaikissa kiinteissä aineissa on jonkin verran lämpöenergiaa, sen atomit värähtelevät. Tämä liike on kuitenkin hyvin pientä ja hyvin nopeaa, eikä sitä voida havaita tavallisissa olosuhteissa.

Mitä erilaisia kiinteitä aineita on?

Kiteisiä kiinteitä aineita on neljää tyyppiä —

	Ioniset kiinteät aineet — Näillä aineilla on tietty sulamispiste ja ne sisältävät ionisidoksia. Esimerkkinä voidaan mainita natriumkloridi (NaCl). Katso suolakiteen kolmiulotteinen rakenne.
	Kovalenttiset kiinteät aineet — Nämä aineet esiintyvät yhtenä jättimäisenä molekyylinä, joka koostuu lähes loputtomasta määrästä kovalenttisia sidoksia. Esimerkkinä voidaan mainita grafiitti. Katso grafiitin kolmiulotteinen rakenne).
	Molekyyliset kiinteät aineet (Molecular solids) esiintyvät molekyyleistä koostuvina toistuvina yksikköinä. Esimerkkinä voidaan mainita jää. Katso jään kolmiulotteinen rakenne.
	Metalliset kiinteät aineet ovat toistuvia yksiköitä, jotka koostuvat metalliatomeista. Metallien valenssielektronit pystyvät hyppimään atomista toiseen.

Amorfiset kiinteät aineet
Amorfisilla kiinteillä aineilla ei ole tiettyä sulamispistettä eikä säännöllisiä toistuvia yksiköitä. Amorfinen kiinteä aine on kiinteä aine, jossa atomien sijainnit eivät ole pitkällä aikavälillä järjestyksessä toisin kuin kiteisissä kiinteissä aineissa. Esimerkki amorfisesta kiinteästä aineesta on ikkunalasi. Lisäksi monet polymeerit, kuten polystyreeni, ovat amorfisia.Amorfiset kiinteät aineet voivat olla kahdessa eri tilassa, ”kumimaisessa” ja ”lasimaisessa” tilassa. Lämpötilaa, jossa ne siirtyvät lasimaisen ja kumimaisen tilan välillä, kutsutaan lasittumislämpötilaksi tai Tg:ksi.

Huomattava huomautus kiinteistä aineista: Vaikka massan puuttuminen kokonaan on mahdottomuus, aerogeelit näyttävät pääsevän melko lähelle sitä. Aerogeelit ovat kevyimpiä kiinteitä aineita ja niiden tiheys on 1,9 mg/cm3 eli 1,9 kg/m3 (526,3 kertaa vettä kevyempi). Aerogeelit, joita joskus kutsutaan jäädytetyksi savuksi, ovat avosoluisia polymeerejä, joiden huokosten halkaisija on alle 50 nanometriä.

Mitkä ovat nesteen ominaisuudet?

Nesteillä on tietty tilavuus, mutta ne pystyvät muuttamaan muotoaan virtaamalla.

Nesteet muistuttavat kiinteitä aineita siinä, että hiukkaset koskettavat toisiaan. Hiukkaset pystyvät kuitenkin liikkumaan.

Sen vuoksi, että hiukkaset pystyvät koskettamaan toisiaan, nesteen tiheydet ovat lähellä kiinteän aineen tiheyksiä.

Sen vuoksi, että nestemolekyylit voivat liikkua, ne ottavat astiansa muodon.

Mitä ovat nesteiden erityisominaisuudet?

Viskositeetti -Nesteen virtausvastusta kutsutaan sen viskositeetiksi

Pintajännitys — Nesteen molekyylien välisen vetovoiman tulosta, joka saa aikaan sen, että nesteen pinta käyttäytyy ohuena kimmoisana kalvona jännityksen alla. Pintajännitys saa veden muodostamaan pallomaisia pisaroita.

Höyrynpaine — Paine, jonka kiinteä aine tai neste aiheuttaa, kun se on tasapainossa höyrynsä kanssa tietyssä lämpötilassa.

Kiehumispiste — kun höyrynpaine = ilmanpaine.

Mitkä ovat kaasun ominaisuuksia?

Kaasuilla ei ole tiettyä tilavuutta tai muotoa. Jos kaasuja ei rajoiteta, ne leviävät loputtomasti. Jos ne on suljettu, ne ottavat säiliönsä muodon. Tämä johtuu siitä, että kaasuhiukkasilla on riittävästi energiaa voittaakseen vetovoimat. Jokainen hiukkanen on hyvin erillään toisistaan, mikä johtaa hyvin pieneen tiheyteen.

Mikä on aineen neljäs olomuoto?

Neljäs olomuoto on plasma. Plasma on ionisoitunut kaasu, kaasu, johon on annettu riittävästi energiaa, jotta atomeista tai molekyyleistä vapautuu elektroneja ja jotta molemmat lajit, ionit ja elektronit, voivat elää rinnakkain. Plasma on käytännössä protonien, neutronien ja elektronien pilvi, jossa kaikki elektronit ovat irronneet molekyyleistä ja atomeista, jolloin plasma pystyy toimimaan pikemminkin kokonaisuutena kuin atomien kokonaisuutena. Plasmat ovat maailmankaikkeuden yleisin aineen olomuoto, joka käsittää yli 99 prosenttia näkyvästä maailmankaikkeudesta ja suurimman osan siitä, joka ei ole näkyvissä. Plasmaa esiintyy luonnossa, ja se muodostaa aurinkomme aineen, tähtien ytimen ja esiintyy kvasaareissa, röntgensäteitä säteilevissä pulsareissa ja supernovissa. Maapallolla plasmaa esiintyy luonnostaan liekeissä, salamoissa ja revontulissa. Useimpien avaruusplasmojen tiheys on hyvin pieni, esimerkiksi aurinkotuulen tiheys on keskimäärin vain 10 hiukkasta kuutiosenttimetriä kohti. Hiukkasten väliset törmäykset ovat epätodennäköisiä – siksi näitä plasmoja kutsutaan törmäyksettömiksi.

Ja nyt viides tila — Bose-Einstein?

Atomien luhistumista yhdeksi kvanttitilaksi kutsutaan Bose-kondensaatioksi tai Bose-Einstein-kondensaatioksi, jota pidetään nykyään aineen viidentenä tilana.

Viime aikoina tiedemiehet ovat havainneet Bose-Einstein-kondensaatin, jota voidaan ajatella plasman vastakohtana. Se esiintyy erittäin alhaisessa lämpötilassa, lähellä sitä, että atomit eivät liiku lainkaan. Bose-Einsteinin kondensaatti on kaasumainen supernestefaasi, joka muodostuu atomeista, jotka on jäähdytetty hyvin lähelle absoluuttista nollaa. Ensimmäisen tällaisen kondensaatin tuottivat Eric Cornell ja Carl Wieman vuonna 1995 Coloradon yliopistossa Boulderissa käyttämällä 170 nanokelviiniin (nK) jäähdytettyä rubidiumatomikaasua. –Tällaisissa olosuhteissa suuri osa atomeista romahtaa alimpaan kvanttitilaan, jolloin syntyy superneste. Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein ennustivat tämän ilmiön 1920-luvulla perustuen Bosen työhön fotonien tilastollisesta mekaniikasta, jonka Einstein sitten formalisoi ja yleisti.