Término que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia
MATERIA
Término que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. Es todo lo que es revelable a nuestros sentidos y, más generalmente, por cualquier instrumento de medida.
En sentido estricto materia es todo lo que está dotado de masa.
Desde este punto de vista, la energía, bajo cualquier forma, entra en esta definición, dada la posibilidad que tiene de transformarse en masa y viceversa. En este sentido también las partículas sin masa, como los fotones y los neutrinos, se consideran en física como partículas materiales, ya que pueden ser captadas por instrumentos.
Estructura de la materia
Desde la antigüedad, el problema de la estructura de la materia ha sido objeto de estudio por parte de filósofos y científicos. La convicción de que la materia no podía ser indefinidamente divisible en partes cada vez más pequeñas condujo a la filosofía atomística de Demócrito.
Veinte siglos más tarde se dio fundamento científico a la teoría atómica de la materia, que constituye la base de la química y de la física modernas. La partícula más pequeña de un cuerpo material que posee todas sus propiedades químicas es la molécula, formada a su vez por átomos. Mientras existe un número prácticamente ilimitado de moléculas distintas, desde las más pequeñas a las macromoléculas formadas por millones de átomos de los compuestos orgánicos de la materia viviente, existen sólo unas noventa especies de átomos estables diferentes, que corresponden a otros tantos elementos químicos.
El número de estos átomos es de algunos centenares si se consideran sus distintos isótopos y los átomos inestables de los elementos radiactivos naturales y artificiales.
Cada átomo se descompone y está formado por un núcleo central y una nube periférica de electrones. Es precisamente el número de éstos el que caracteriza los átomos de un elemento dado y establece sus propiedades físicas y químicas. El núcleo a su vez está constituido por protones y neutrones llamados nucleones.
La distribución de los electrones en los átomos
Los electrones en el átomo, más que recorrer órbitas elípticas alrededor del núcleo con cualquier energía, se pueden encontrar en estado sólo de energía bien definida, es decir, en estados correspondientes a algunas órbitas determinadas.
Puesto que la noción de órbita pierde significado en el interior del átomo, se habla de orbitales atómicos más que de órbitas. La solución del problema fue posible gracias a la formulación de una hipótesis adicional, el principio de exclusión, según el cual en un orbital dado pueden hallarse como máximo dos electrones si sus respectivos espines están orientados en direcciones opuestas.
De esta forma se explica, por ejemplo, cómo el átomo de helio es particularmente estable y químicamente inerte, mientras que el elemento que le sigue, el litio se combina con otros elementos.
La posibilidad de perder con facilidad el electrón más externo explica las propiedades de este elemento desde el punto de vista físico y químico.
En general, los electrones atómicos están dispuestos, por decirlo de alguna manera, en capas, cada una de las cuales está constituida por varios orbitales, de energías muy próximas, que pueden contener un máximo número de electrones. Esta estructura en capas explica por qué, siempre que el número de electrones del átomo llena por completo la capa más extensa, se obtiene un átomo de gas noble o químicamente inerte, mientras que cuando un electrón se halla externo a una capa completa se está en presencia de un metal alcalino, como cada vez que falta un único electrón para completar un estrato se obtiene un halógeno o no metal. El número diferente de electrones que puede contener cada capa coincide con el distinto número de elementos de los períodos de la tabla de Mendeleiev, que comienzan precisamente con un gas noble y terminan con un halógeno o no metal.
El enlace químico
La estructura molecular de la materia se explica también por las leyes de la mecánica cuántica. En la molécula, como en el átomo, el electrón no recorre una órbita definida, sino que se halla en un estado de energía determinada, con probabilidad diferente de estar en un punto determinado del espacio. Si se considera, por ejemplo, la molécula más simple, la hionizada de hidrógeno, se advierte que existe un estado de la molécula en el que el electrón tiene una elevada probabilidad de encontrarse en la zona intermedia entre los dos núcleos.
En esta región el electrón, negativo, ejerce sobre los núcleos, positivos, una atracción mayor que la repulsión entre estos últimos. En esta configuración, el sistema, con una cierta distancia internuclear, se encuentra en equilibrio estable, es decir, su energía total es mínima.
La estabilidad de la molécula es una consecuencia directa del principio de indeterminación de la mecánica cuántica, ya que al disminuir la distancia internuclear, crece la energía cinética del electrón a causa de haber aumentado la indeterminación del impulso, y se hace posible de esta manera el consiguiente acercamiento de los dos núcleos citados.
En la molécula neutra de hidrógeno los electrones son dos. Por el principio de exclusión, el segundo electrón puede encontrarse aún en la misma capa que el primero, resultando estable la molécula. El enlace entre los dos átomos de hidrógeno en la molécula puede considerarse formado por el par de electrones en el mismo orbital con espines opuestos, que ejercen sobre los núcleos una atracción suficiente para que puedan permanecer unidos.
Estados de agregación de la materia
Las propiedades físicas de los estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso) pueden explicarse también en función de la estructura atómica y molecular de los cuerpos materiales. En el estado sólido, las moléculas en general pierden su individualidad y los átomos que la constituyen están dispuestos en retículos cristalinos regulares. Según el tipo de fuerzas responsables de la unión que mantienen en su lugar a los átomos en el retículo, se distinguen distintos tipos de sólidos. En primer lugar se encuentran los cristales covalentes u homopolares, en los que los átomos están unidos mediante enlaces, iguales a los que existen en las moléculas. En los líquidos, las fuerzas entre los átomos son parecidas a las que actúan en los sólidos; la diferencia esencial se halla en el hecho de que la agitación térmica ha destruido el orden regular del retículo, y permite a los átomos y moléculas, no situados ya en las posiciones de equilibrio, deslizarse los unos respecto de los otros. Aunque en menor medida que en los sólidos, también los líquidos en condiciones de equilibrio presentan un cierto orden que se manifiesta sobre todo en el hecho de que en éstos la distancia entre los átomos está bien determinada, sobre todo por la acción de fuerzas eléctricas, y es aproximadamente igual a la que existe en los sólidos.
Cuando se aumenta la temperatura, el orden de corto alcance tiende también a desaparecer hasta llegar al estado gaseoso, caracterizado por una cohesión casi insignificante. Desde este punto de vista, el líquido puede considerarse como un estado intermedio aunque no necesario entre el sólido y el gaseoso. Las propiedades de los líquidos, y más aún de los gases, se determinan por fenómenos de naturaleza estadística, más que por las fuerzas o por las estructuras de sus moléculas.
