Materia para niños

El hidrógeno en estado plasmático es la materia común más abundante en el universo.

En la física y la química, la materia es todo aquello que tiene masa, ocupa un volumen (es decir, espacio) y puede ser afectado por la gravedad. Todo lo que podemos tocar, ver y sentir está hecho de materia. Está compuesta por átomos, que a su vez se forman de partículas subatómicas que interactúan entre sí.

En la ciencia moderna, la materia también incluye cualquier campo cuántico formado por partículas con o sin masa, como los fotones, que pueden interactuar con otras formas de materia y con los instrumentos que usamos para medirlas. Algunos científicos creen que cualquier cosa que pueda interactuar por gravedad es materia, incluyendo los fotones y la materia oscura.

¿Qué es la Materia?

La materia está hecha de átomos que pueden existir en diferentes estados o fases. Los estados más conocidos son el sólido, el líquido y el gas. Por ejemplo, el agua puede ser hielo (sólido), agua líquida o vapor (gas).

También hay otros estados menos comunes, como el plasma (que se encuentra en las estrellas), los condensados de Bose-Einstein y los condensados fermiónicos.

Átomos y Partículas

Los átomos se pueden imaginar como un núcleo central con protones y neutrones, rodeado por una "nube" de electrones que se mueven a su alrededor. Estos electrones son los que hacen que los átomos "ocupen espacio".

Sin embargo, las partículas muy pequeñas, como los electrones, se comportan de una manera especial que se describe con la Mecánica cuántica. Esto significa que pueden actuar como ondas y como partículas al mismo tiempo, y no tienen un tamaño o posición fijos como los objetos grandes.

Desde la antigua Grecia y la antigua India, hace miles de años, ya se pensaba que la materia estaba formada por pequeñas partes indivisibles. Filósofos como Demócrito propusieron esta idea, que hoy conocemos como la teoría de las partículas de la materia.

Materia y Masa: ¿Son lo mismo?

Es importante no confundir materia con masa, aunque estén muy relacionadas. La materia es un término general para describir cualquier cosa física que se extiende en el espacio y tiene energía. La masa, en cambio, es una propiedad de la materia. Es una medida de cuánta inercia tiene un objeto (su resistencia a cambiar de movimiento) y de cuánta gravedad ejerce.

Hasta el siglo XX, se pensaba que la masa era una medida directa de la cantidad de materia. Pero la teoría cuántica de campos nos enseñó que la masa de las partículas no es solo la suma de sus partes. Por ejemplo, un protón es mucho más pesado que un electrón, no porque tenga "más sustancia", sino por cómo interactúan sus partes internas con el campo de Higgs y otras fuerzas.

Otra diferencia es que la materia tiene una "opuesta" llamada antimateria, pero la masa no tiene un opuesto. No existe la "antimasa" o masa negativa. La antimateria tiene la misma masa (positiva) que la materia normal.

Tipos de Materia

La materia se puede definir de varias maneras, dependiendo de qué tan profundo queramos ir en su estructura.

Materia Ordinaria

Distribución estimada de materia y energía oscura en el Universo.

Una forma común de definir la materia es decir que está hecha de átomos. A esta se le llama a veces materia atómica o materia ordinaria. Por ejemplo, las moléculas de ADN son materia porque están formadas por átomos. Esta definición puede incluir también los plasmas (gases de iones) y los electrolitos (soluciones con iones).

También podemos definir la materia ordinaria como todo lo que está hecho de protones, neutrones y electrones. Esto incluye cosas que no son solo átomos o moléculas, como los haces de electrones en un televisor antiguo o la materia de las estrellas enanas blancas.

A un nivel aún más pequeño, los protones y neutrones están hechos de cuarks. Por eso, una definición más precisa de materia ordinaria es: "todo lo que está compuesto por cuarks y leptones". Los leptones más conocidos son los electrones. Los cuarks y leptones son las partículas fundamentales que forman los átomos y las moléculas.

Las partículas que transmiten fuerzas, como los fotones (que transmiten la luz) o los bosones W y Z (que transmiten la fuerza débil), no están hechas de cuarks ni leptones. Por lo tanto, no se consideran materia ordinaria, aunque algunas de ellas tengan masa.

La mayor parte de la masa de los objetos cotidianos proviene de la energía que mantiene unidos a los cuarks dentro de los protones y neutrones, no solo de la masa de los cuarks mismos.

El Modelo Estándar clasifica las partículas de materia en tres generaciones. La primera generación incluye los cuarks "arriba" y "abajo", el electrón y el neutrino electrónico. Las partículas de generaciones superiores son inestables y se transforman rápidamente en las de la primera generación.

Materia Degenerada

Comparación entre la enana blanca IK Pegasi B (centro), su compañera IK Pegasi A (izquierda) y el Sol (derecha).

La materia degenerada es un estado especial de la materia que se encuentra a temperaturas muy bajas, cerca del cero absoluto. En este estado, las partículas llamadas fermiones (como los electrones) se ven obligadas a ocupar diferentes niveles de energía debido al principio de exclusión de Pauli. Esto crea una presión muy alta que no depende de la temperatura.

Este tipo de materia se encuentra en el interior de estrellas muy densas, como las enanas blancas y las estrellas de neutrones.

Materia Extraña

La materia extraña es un tipo especial de materia de cuarks que se cree que existe a densidades extremadamente altas, como en el centro de las estrellas de neutrones. Está compuesta por cuarks "arriba", "abajo" y "extraño", formando un "líquido" de cuarks. Algunos científicos incluso plantean la hipótesis de que la materia extraña podría ser más estable que la materia nuclear normal.

Antimateria

La antimateria es como un "espejo" de la materia ordinaria. Está compuesta por antipartículas, que son como las partículas normales pero con algunas propiedades opuestas, como la carga eléctrica. Por ejemplo, el antielectrón (también llamado positrón) tiene carga positiva, a diferencia del electrón que tiene carga negativa.

Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se "aniquilan". Esto significa que se transforman en otras partículas, a menudo fotones de alta energía (como los rayos gamma), liberando una gran cantidad de energía, según la famosa ecuación de Albert Einstein, E = mc².

La antimateria no se encuentra de forma natural en la Tierra, excepto en cantidades muy pequeñas y por poco tiempo (por ejemplo, por la desintegración radiactiva o los rayos cósmicos). Esto se debe a que, si apareciera, se aniquilaría casi de inmediato al entrar en contacto con la materia de la que está hecha la Tierra.

Los científicos pueden crear pequeñas cantidades de antimateria en aceleradores de partículas para estudiarla. Una de las grandes preguntas sin resolver en la física es por qué el universo observable está hecho casi completamente de materia y no de antimateria, si se cree que en el Big Bang se crearon en cantidades iguales.

Conservación de la Materia

En la química y la física clásica, se decía que la masa se conservaba, es decir, que no se creaba ni se destruía, solo se transformaba. Esto se conoce como la ley de Lavoisier. Sin embargo, en la física moderna, especialmente en la física nuclear y la física relativista, sabemos que la masa no se conserva estrictamente. La masa y la energía pueden convertirse una en la otra.

Aun así, existen cantidades que sí se conservan en el Modelo Estándar: el número bariónico y el número leptónico. Esto significa que la cantidad neta de cuarks y leptones (que forman la materia) se mantiene constante. Por ejemplo, en una reacción nuclear, los protones y neutrones (que son bariones) no se destruyen, solo se reorganizan. La energía liberada proviene de la energía que los mantenía unidos.

Materia Oscura y Energía Oscura

Estructura a gran escala de la materia oscura. El brillo de los cúmulos corresponde a la densidad de masa.

Según los modelos actuales, la materia ordinaria (la que conocemos y de la que estamos hechos) constituye solo alrededor del 5% de la energía total del universo observable. El resto es mucho más misterioso: aproximadamente el 23% es materia oscura y el 72% es energía oscura.

Materia Oscura

La materia oscura es un tipo de materia que no podemos ver ni detectar directamente porque no emite ni refleja luz ni ninguna otra radiación electromagnética. Sin embargo, sabemos que existe por los efectos de su gravedad sobre la materia visible. Por ejemplo, afecta cómo giran las galaxias.

Los científicos creen que la materia oscura no está hecha de los mismos bariones (protones y neutrones) que la materia ordinaria. Se piensa que está compuesta por partículas que aún no hemos descubierto en los laboratorios.

Energía Oscura

La energía oscura es una fuerza misteriosa que está haciendo que el universo se expanda cada vez más rápido. Su naturaleza exacta es desconocida, pero se comporta como si el espacio vacío tuviera propiedades similares a la materia, como densidad de energía y presión.

Propiedades de la Materia

La materia tiene diferentes propiedades que nos permiten describirla y entenderla.

Propiedades Generales

Las propiedades generales son aquellas que tiene toda la materia, sin importar de qué tipo sea. No nos ayudan a diferenciar una sustancia de otra. Algunas dependen de la cantidad de materia, como la masa y el volumen. Por ejemplo, un objeto más grande tendrá más masa y volumen.

Otras propiedades generales son la inercia (la resistencia a cambiar de movimiento) y la capacidad de interacción (cómo se afecta con otras cosas por gravedad, electromagnetismo o fuerzas nucleares).

Propiedades Específicas

Las propiedades específicas son únicas para cada tipo de sustancia y no dependen de la cantidad de materia. Nos permiten distinguir una sustancia de otra. Por ejemplo, la densidad (que relaciona la masa con el volumen) es una propiedad específica. El punto de fusión (la temperatura a la que un sólido se vuelve líquido) y el punto de ebullición (la temperatura a la que un líquido se vuelve gas) también son propiedades específicas.

Propiedades Químicas

Las propiedades químicas se observan cuando una sustancia cambia su composición, es decir, cuando sus átomos se reorganizan para formar nuevas sustancias. Esto ocurre en las reacciones químicas. Ejemplos de propiedades químicas son la acidez, la alcalinidad o la reactividad (la facilidad con la que una sustancia reacciona con otra).

Estructura de la Materia

La materia se organiza en diferentes niveles, desde las partículas más pequeñas hasta las estructuras más grandes.

Partículas Subatómicas

Las partículas subatómicas son más pequeñas que un átomo. Pueden ser partículas elementales (que no se pueden dividir en otras más pequeñas) o partículas compuestas por otras subatómicas.

Las partículas elementales que forman la materia son los cuarks y los leptones. Estas partículas interactúan entre sí a través de cuatro interacciones fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte.

Las partículas que transmiten estas fuerzas (como los fotones) no se consideran "materia" en el mismo sentido, pero sí contribuyen a la masa total de los átomos.

Átomos

Estructura de cuarks de un protón: 2 cuarks arriba y 1 cuark abajo.

Un átomo es la unidad básica de la materia que mantiene las propiedades de un elemento químico. Cada átomo tiene un núcleo central (con protones y neutrones) y una "nube" de electrones que lo rodea.

El Núcleo Atómico

Los protones y neutrones en el núcleo se mantienen unidos por la fuerza nuclear, que es muy fuerte. El número de protones en el núcleo determina de qué elemento químico es el átomo (por ejemplo, todos los átomos de cobre tienen 29 protones). El número de neutrones define el isótopo de ese elemento.

Algunos núcleos son inestables y pueden desintegrarse, liberando partículas y energía. Esto se llama desintegración nuclear.

La Nube Electrónica

Los electrones se organizan en "capas" o "cubiertas" alrededor del núcleo. Cada capa puede contener un número máximo de electrones y está asociada a un nivel de energía. Los electrones en la capa más externa, llamada capa de valencia, son los que determinan cómo reacciona químicamente el átomo.

Los electrones se mueven en regiones del espacio llamadas orbitales atómicos. Estos orbitales tienen formas diferentes (como esferas o lóbulos) y nos dicen dónde es más probable encontrar un electrón.

La configuración electrónica describe cómo se distribuyen los electrones en estas capas y orbitales. Es muy importante porque define las propiedades químicas de un átomo y su lugar en la tabla periódica.

Enlaces Atómicos

Los enlaces químicos son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos para formar moléculas y compuestos.

• Enlace iónico: Se forma cuando un átomo "cede" electrones a otro, creando iones con cargas opuestas que se atraen.
• Enlace covalente: Se forma cuando los átomos "comparten" electrones para alcanzar una configuración más estable.
• Enlace metálico: Se encuentra en los metales, donde los electrones de valencia se mueven libremente como una "nube" alrededor de los núcleos, manteniendo los átomos unidos.

Moléculas

Una molécula es un grupo de al menos dos átomos unidos por enlaces químicos fuertes. La geometría molecular es la forma tridimensional de una molécula, y es crucial porque determina muchas de sus propiedades, como su polaridad o cómo interactúa con otras moléculas.

Las macromolécula|macromoléculas son moléculas muy grandes, formadas por miles o millones de átomos. Ejemplos son las proteínas y el ADN en los seres vivos, o los plásticos sintéticos.

Interacciones Intermoleculares

Además de los enlaces que unen los átomos dentro de una molécula, existen fuerzas más débiles que actúan entre las moléculas. Estas se llaman fuerzas intermoleculares. Son importantes para entender propiedades como el punto de fusión y el punto de ebullición.

Algunos ejemplos son:

• Las fuerzas por puente de hidrógeno: Son atracciones especiales entre moléculas que tienen hidrógeno unido a átomos muy electronegativos (como oxígeno o nitrógeno).
• Las fuerzas de Van der Waals: Son atracciones más débiles que incluyen las fuerzas dipolo-dipolo y las fuerzas de dispersión de London.

Teoría Cinética Molecular

La teoría cinética de los gases explica el comportamiento de los gases a partir del movimiento constante y aleatorio de sus moléculas. Esta teoría dice que las moléculas de un gas están muy separadas, se mueven rápidamente y chocan elásticamente entre sí y con las paredes del recipiente. La temperatura de un gas está relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas.

Estados de Agregación de la Materia

La materia puede presentarse en diferentes estados o fases, dependiendo de la presión, la temperatura y el volumen.

• Sólido: Los átomos o moléculas están muy juntos y ordenados, con fuerzas de interacción intensas. Tienen forma y volumen definidos.
• Líquido: Las partículas están juntas pero pueden moverse libremente. Tienen volumen definido pero toman la forma de su recipiente.
• Gas: Las partículas están muy separadas y se mueven rápidamente. No tienen forma ni volumen definidos.
• Plasma: Es un gas ionizado, donde los átomos han perdido o ganado electrones. Es el estado más común de la materia en el universo (estrellas, rayos).
• Condensado de Bose-Einstein: Un estado que se logra a temperaturas extremadamente bajas, donde los átomos se comportan como una sola "superpartícula".

Cuando las condiciones cambian, la materia puede pasar de una fase a otra. Esto se llama transición de fase (por ejemplo, el agua se congela o se evapora).

Clasificación de la Materia

La materia se puede clasificar en:

• Sustancias Puras: Tienen una composición y propiedades fijas.
  • Elementos: No se pueden descomponer en sustancias más simples (ej. oxígeno, hierro). Se representan con un símbolo químico.
  • Compuestos: Formados por dos o más elementos combinados en proporciones fijas (ej. agua H₂O). Se pueden descomponer químicamente.

• Mezclas: Combinaciones de dos o más sustancias que no están unidas químicamente.
  • Mezclas Heterogéneas: Se pueden distinguir sus componentes a simple vista (ej. agua y aceite, granito).
  • Mezclas Homogéneas (o Disoluciones): No se pueden distinguir sus componentes a simple vista (ej. sal disuelta en agua, el aire).

Galería de imágenes

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  Bajo la «definición basada en cuarks y leptones», las partículas elementales y compuestas formados de cuarks (en púrpura) y leptones (en verde) serían la «materia»; mientras los bosones «izquierda» (en rojo) no serían materia. Sin embargo, la energía de interacción inherente a partículas compuestas (por ejemplo, gluones, que implica a los neutrones y los protones) contribuye a la masa de la materia ordinaria.

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  Diagrama de fase de una sustancia típica a un volumen fijo. El eje vertical es la presión y el horizontal la temperatura. La línea verde marca el punto de congelación (por encima de la línea verde es sólido, por debajo es líquido), y la línea azul el punto de ebullición (por encima es líquido y por debajo es gas).

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  La temperatura de un gas monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse.

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  La imagen de la izquierda muestra efusión, donde la imagen de la derecha muestra difusión.

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  Diagrama de energía de Gibbs del butano en función del ángulo diedro.

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  Muestra de lectura de bromometano (CH₃ Br), que muestra picos alrededor de 3000, 1300, y 1000 cm⁻¹ (en el eje horizontal).

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  Animación 3D del estiramiento simétrico de los enlaces C ‑ H de bromometano.

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  Solvatación de un ion de sodio con agua.

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  Estructura del 2.2.2‑Criptando que encapsula un catión de potasio (violeta).

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  Estructura del complejo de inclusión 3:1de urea y 1,6‑diclorohexano.

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  Clatrato de metano en plena combustión.

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  Configuración de los orbitales sp².

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  enlace σ entre dos átomos: localización de la densidad electrónica.

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  Dos orbitales p formando un orbital π.

Véase también

En inglés: Matter Facts for Kids