Conceptos Fundamentales de la Materia

¿Qué es la Materia?

Materia: Todo lo que tiene masa y ocupa un espacio. La química se ocupa del estudio de la materia y sus transformaciones.

Clases de Materia

La materia puede ser una sustancia o una disolución.

Sustancias Puras

Una sustancia es una clase de materia. Ejemplos: sal, azúcar, agua.

Las sustancias se dividen en:

• Elementos: Formados por un solo tipo de átomo. Ejemplos: hidrógeno (H), aluminio (Al).
• Compuestos: Formados por dos o más elementos unidos químicamente. Ejemplos: agua (H₂O), oxígeno molecular (O₂).

Disoluciones (Mezclas)

Una disolución es materia formada por dos o más sustancias no unidas químicamente.

• Homogéneas: Tienen composición uniforme. Ejemplo: aire.
• Heterogéneas: Tienen composición no uniforme (mezclas). Ejemplo: mezcla de hierro y azufre, piedras.

El agua y la sal se pueden separar por métodos físicos. Existen diferentes tipos de sal, como la sal marina y la sal de mesa (que contiene yodo).

Masa

Masa: Es la medida de la cantidad de materia en un objeto. Es una propiedad constante que no cambia con el lugar. Se mide con una balanza, comparando el objeto con masas conocidas.

Estados de la Materia

La materia se encuentra comúnmente en cuatro estados:

• Líquido: Ejemplo: lluvia.
• Gaseoso: Ejemplo: vapor de agua.
• Sólido: Ejemplo: hielo.
• Plasma: Ejemplos: rayos, auroras boreales, estrellas, tubos de neón.

El plasma es un componente líquido en la sangre.

La luz láser es un condensado de Bose-Einstein. El helio, al enfriarse, tiende a convertirse en un superfluido (relacionado con condensación).

Características de Sólidos, Líquidos y Gaseosos

• Sólido (ejemplos: aluminio, oro, sal): Tienen forma y volumen definidos. Hay poco espacio entre moléculas. Ejemplo: se pueden hacer hielos con moldes.
• Líquido (ejemplos: alcohol, gasolina, agua): Tienen volumen definido, pero adoptan la forma del recipiente. Hay un espacio intermedio entre moléculas.
• Gases (ejemplos: cloro, oxígeno, acetileno): No tienen forma ni volumen definidos. Sus moléculas se mueven rápidamente y hay gran espacio entre ellas.

El oxígeno no debe estar a temperaturas muy altas ni muy bajas.

El Estado Plasma

El plasma es el estado más común en el universo y está formado por partículas con carga positiva y negativa (iones y electrones), lo que resulta en una carga neta neutra. Se forma a temperaturas muy elevadas. Las estrellas y las nebulosas están hechas de plasma. El hombre utiliza plasma en luces fluorescentes y de neón.

Otros Estados o Fenómenos

• Condensados Fermiónicos: Formados a temperaturas cercanas al cero absoluto, se ordenan formando un superfluido.
• Plasma de Quarks y Gluones: Un fluido perfecto formado por quarks y gluones que interactúan a altas temperaturas.

Cambios en el Estado de la Materia (Transiciones de Fase)

• Fusión: Cambio de estado de sólido a líquido. Se produce al aumentar la temperatura hasta el punto de fusión.
• Solidificación: Proceso físico en el que un líquido se transforma en sólido. Es un cambio de fase que libera energía. La temperatura a la que se produce se llama punto de solidificación o de congelación. Puede producirse por enfriamiento o por aumento de presión.
• Evaporación: Proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial.
• Condensación: Proceso físico que consiste en el paso de una sustancia de forma gaseosa a forma líquida. Este cambio de fase genera una cierta cantidad de energía llamada calor latente.
• Sublimación: Transición de una sustancia que pasa directamente del estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido.
• Deposición (o Sublimación Inversa): Transición de una sustancia que pasa directamente del estado gaseoso al estado sólido. (Nota: El texto original describe la deposición como un proceso de unión de sólidos, lo cual es diferente del cambio de fase gas a sólido, pero se mantiene la descripción original junto con la transición de fase). Deposición (según texto original): Es un proceso que une materiales sólidos a la superficie de otros materiales. Puede ser de tipo electroquímico o de fase de vapor.
• Ionización: Transición de gas a plasma.
• Desionización: Transición de plasma a gas.

Estructura Atómica

La estructura atómica se refiere a la composición de los átomos, que son la unidad principal de la materia.

Átomo: Unidad básica que conforma un elemento y que puede intervenir en una reacción química. Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se llama número atómico (Z).

Partes del Átomo

• Núcleo: Parte central del átomo. Contiene protones y neutrones.
• Protón (p⁺): Partícula con carga positiva, ubicada en el núcleo. Ernest Rutherford propuso que las cargas positivas estaban concentradas en el núcleo. Su masa es aproximadamente 1.67262 x 10⁻²⁴ g. El número atómico (Z) de un elemento es el número de protones que contiene en su núcleo (Z = P). Ejemplo: Z=17 corresponde al Cloro (Cl).
• Neutrón (n⁰): Partícula sin carga, ubicada en el núcleo.
• Electrón (e⁻): Partícula con carga negativa que se mueve alrededor del núcleo. Su masa es aproximadamente 9.109 x 10⁻²⁸ g.

Iones

Los iones son átomos o moléculas que han ganado o perdido electrones, adquiriendo así una carga eléctrica neta.

• Cuando los átomos ganan electrones, adquieren carga negativa y se convierten en aniones.
• Cuando los átomos pierden electrones, adquieren carga positiva y se convierten en cationes.

Contexto Histórico

Demócrito postuló que la materia estaba compuesta por pequeñas partículas diminutas. La palabra ‘átomo’ significa ‘indivisible’. En el siglo XIX, la química adoptó el término según la teoría atómica de Dalton. El átomo es la unidad más pequeña de la materia que no se puede descomponer químicamente.

El modelo atómico actual se conoce como modelo atómico cuántico.

La Tabla Periódica de los Elementos

La Tabla Periódica registra todos los elementos químicos conocidos. Están ordenados en forma de tabla según su número atómico (número de protones), sus propiedades químicas y su configuración electrónica.

En la tabla periódica, los elementos están organizados en:

• Filas: Se denominan periodos.
• Columnas: Se denominan grupos. Los elementos que pertenecen a un mismo grupo tienen propiedades similares.

Actualmente hay 118 elementos registrados. Se han establecido símbolos químicos para representar a cada elemento. La tabla periódica es una herramienta fundamental para la química, biología, etc.

Historia y Desarrollo

La estructura actual de la tabla periódica de los elementos fue diseñada por Alfred Werner.

La UNESCO declaró el año 2019 como el Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos.

Se han descubierto todos los elementos con número atómico del 1 al 118. La IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) confirmó los elementos 113 (Nihonio, Nh), 115 (Moscovio, Mc), 117 (Teneso, Ts) y 118 (Oganesón, Og).

Sus nombres y símbolos oficiales se hicieron públicos el 28 de noviembre de 2016 (la aprobación de los nombres propuestos fue el 30 de diciembre de 2015).

Los primeros 94 elementos existen naturalmente. Los elementos con número atómico del 95 al 118 solo han sido sintetizados en laboratorio.

Las filas de la tabla periódica se denominan periodos.