對於單獨的兩個水分子，距離多遠可以算是氣態、液態以及固態？

01-04

如果簡單地把物質的態看作是分子或原子的聚集狀態，那麼對於兩個單獨的物質分子比如水，他們各距離多遠算是三態呢？
是不是只要它們遠過氫鍵的長度，就可以算作氣態，但是液態固態分不出來，因為只有兩個分子看不出晶體排列結構？

2014-06-05更新，如果誰看到了別轉載，謝謝。業內人士看了就知道我是哪位了，國內能做下面實驗的不多，我不想被我老闆這樣瞅見。。。。。。

@金晨羽， @李潤萊一更完畢，更多的東西本來我想寫，後來我發現，我若是寫了，就更加沒人會看了，何況很多新的東西我還不是太懂。

其實之前只寫的評論里是因為，我說的和@金晨羽他們說的不是同一個事情，這種「結晶」和「相變」不是傳統意義上的結晶和相變，下述的實驗，都是在人為約束的環境下發生的。這和 @徐大炮提到的膠體的那種情況有些類似。

先放這兩周才做的實驗結果，至於為啥我做的是三個離子的，因為端午放假了，木有錄下來兩個的。。。不過是一樣的效果。

視頻請到優酷去看：

三離子的晶體-雲態

不方便看視頻的朋友這裡有圖：

圖1,，三個結晶的鈣離子。

圖2，正在被加熱到雲態的鈣離子云（這還不是雲態，雲態是下圖中的黑條部分，因為光太暗，會看不到）

圖3，拼接的實驗全過程，時間順序是從上向下看。

我盡量用淺顯的方式來解釋一下實驗過程：

1，用電熱絲加熱鈣粉，獲得熱的鈣原子蒸汽。

2，利用特定的激光，讓鈣原子最外層的一個電子吸收光子電離。鈣原子轉變成帶正電的鈣離子。

3，施加強電場（囚禁電場），利用庫倫力束縛鈣離子。

4,，利用特定的激光，進行激光冷卻，把鈣離子冷卻到非常接近絕對零度（mK量級）。

5，這時候利用高敏感的攝像機（EMCCD），看到的就是圖1，三個冷卻的鈣離子。

6，為了演示晶態 - 雲態的變化，我又添加了一個射頻電場，讓鈣離子和這個電場逐漸共振。

7，射頻電場的頻率越接近和鈣離子共振，鈣離子就會吸收越多的能量，溫度就會越來越高。逐漸進入雲態，這個過程為Melt（熔化）。

8，然後射頻電場的頻率逐漸遠離共振點，鈣離子的溫度下降，重新結晶。

一些可能的QA：

1，為啥是鈣離子？

我現在只會做鈣離子的。。。

2，為啥離子能被看到？

因為我用激光照射它，離子就會在激光照射下發光。很明亮。

2，為啥是離子不是圓的？

說多了都是淚，我也想把它弄成圓的。成像透鏡太渣了。但這也不是說離子是圓的，離子是一個幾乎可忽略的點，我們看到的成像透鏡聚焦後的光斑。

還有啥可能的QA我就不知道了。

在這個相變過程中，有這麼幾點比較重要：

1，相變的發生條件和溫度，囚禁電場參數、離子質量均有關係。

2，相變前後離子的狀態會發生突變，晶態的時候，每個離子的運動範圍是比較固定的，離子的排列非常有序，雲態中每個離子的運動波包都覆蓋整個離子云，離子沒有確定的位置。

3，對於晶態，離子數目更多後，離子就會出現不同的排列方式，不同排列方式之間也可以發生相變，它們彼此之間、它們和雲態之間的熒光吸收譜和射頻共振線性也是不一樣的。

最後，關於題主問題的一些回答，雖然我覺得我已經扯太遠和題主的問題木有太大關係了。。。

在只有單獨的兩個水分子（我還是用鈣離子說吧）的情況下：

1，如果完全沒有約束，這兩個分子（或者離子），將會愛咋地咋地，各奔東西，大概就是只有氣態。

2，如果人為添加外界約束，有兩種添加方法：

a，添加囚禁電場。

b，找別的水分子（或者離子）利用它們的庫倫力產生一個平均場。

這兩種約束方法不是等價的，但是效果差不多。都是把分子（離子）困在某個區域。

3，在這種情況下，距離是最不重要的，分子（離子）會自己找到自己呆得舒服的地方呆著。而且除非它們非呆在那裡不可，它們的天性就是到處亂跑，因此一定會傾向於變成雲態，所以最終距離多少，完全取決於外界約束。

以上。

對於單獨兩個水分子，談論「態」是沒有意義的。

談論物質狀態需要一定量的物質。因為以下用來描述物態的詞，前一個描述的是分子/原子間相互作用，後一個是在連續性假設下的概念。

氣態：分子間相互沒有作用（non-cohesive），流體（non-rigid）

液態：凝聚態（cohesive），流體（non-rigid）

固態：凝聚態（cohesive），剛體（rigid）

此外你說的晶體排列結構，是區分晶體和液體的一種方式。能夠維持長程有序的必須是二維以上的系統，也就是說，一維晶體不存在。

-------------------補充---------------------

崔凱楓
評論

一維晶體部分，你說的是能夠自穩定的吧? 人工可通過光晶格或離子阱獲得穩定的一維結晶。一維結晶的離子鏈即使只有兩個離子，也可以實現雲態-結晶態相變。如果稱雲態為氣態，結晶態為凝聚態，這應該也算兩個離子的一種變化。
此外，一維離子晶體從離子linear轉變到zig-zag的相變條件和相變中的破缺也是一個研究熱點。
不過，我不知道有沒有做兩個水分子離子的，手機不便查詢。

點贊的童鞋們請和我一起督促 @崔凱楓童鞋寫答案～～

這個問題以前熱力學裡學過的。搬運一下。

首先你大概知道理想氣體狀態方程

PV=RT

（等等，少了個n？沒關係，這裡V代表每摩爾氣體佔用的體積，為了簡單化）。

這就是說，等溫條件下，氣體的單位體積V和壓強P成反比。

單位體積V和分子間的平均間距的3次方成正比。

但是這個方程不夠精確，因為它有兩個因素沒考慮到：一是分子與分子間的作用力，二是分子自身的體積。

於是就有了進階的版本，范德華方程：

$(P-frac{a}{V^2}) imes (V-b) = RT$

這裡，a和b都是常數。壓強P要扣除因為分子間作用力而損失的部分，這一部分跟分子的單位體積的平方倒數成正比。而分子的單位體積也要扣除分子自身的體積才是能夠自由活動的空間。

這個方程代表了P和V在不同溫度下的關係。在不同的溫度下，可以畫出三種曲線：

其中，注意紅線：在中間有一部分，隨著壓強增加，體積也增加。這很反直覺吧？

處理方法也很簡單，用藍線代替紅線的這一部分，要滿足藍線和紅線圍出的兩塊區域面積相等。

藍線的左端代表液態，右端代表氣態。藍線代表的是氣液共存的狀態。

所以，當氣體的單位體積降到藍線的右端時，氣體就會開始被液化。

當然，分子間的距離是不定的，把這個V開3次方得到的是一個平均值。

另外還有兩條線。橙線上面，PV曲線已經沒有遞增的部分了，只有一個拐點。而綠線完全是遞減的關係。這兩條線都不存在液態。

Tc有個名字：叫「臨界點」。

謝謝邀請。

簡要回答：

氣態：分子可自由運動；液態：分子可運動但受限，連續體；固態：分子只能震動。

關於定義物質的狀態，其實並不能用分子間的距離來定義。這個細講起來真是能講一天，這裡我只回答個簡單好懂的版本，具體細節建議看看有關統計熱力學相關的書，或者等待願意碼字或搬運的同學來回答。

對於包含大量粒子的體系才有態的概念。兩個水分子無法定義態。

脫開分子數量談狀態就是耍流氓啊！！