Elhidrógeno en estadoplasmático es la materia ordinaria más abundante del universo
En lafísica clásica y laquímica general, lamateria se define como todo aquello que posee una masa, ocupa un volumen y es capaz de interactuar gravitatoriamente.[1] Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos, en última instancia, deátomos, que a su vez están formados porpartículas subatómicas que interactúan entre sí. Tanto en el uso cotidiano como en el científico, «materia» incluye generalmente los átomos y todo lo que esté formado por ellos, así como cualquier partícula (ocombinación de partículas) que actúe como si tuvieramasa en reposo yvolumen.
Sin embargo, en el uso moderno se consideramateria (en oposición al espacio-tiempo) a cualquier campo cuántico, formado porpartículas másicas ono-másicas como losfotones[2]: 21 [3] que pueden interactuar con otras formas de materia, y con los detectores e instrumentos físicos usados para su medición. Para algunos físicos cualquier tipo de entidad física capaz de interaccionar gravitatoriamente es materia; en esa acepción la materia incluiría a los fotones e incluso a lamateria oscura.
La materia no debe confundirse con lamasa, ya que ambas no son lo mismo en la física moderna.[10] La materia es un término general que describe cualquier «entidad física» que se distribuye por el espacio-tiempo y tiene asociada una cierta cantidad de energía. Por el contrario, la masa no es una sustancia, sino unapropiedad de la materia o un sistema; dentro de lafísica se definen varios tipos de masa, que incluyen, entre otros, lamasa en reposo, lamasa inercial, lamasa relativista y lamasa‑energía.
Hasta el siglo XX se pensó que la masa era una medida válida para la cantidad de materia, pero lateoría cuántica de campos, al aclarar el origen del masa, puso en duda esta idea. Así, unprotón es 1836 veces más pesado que un electrón, pero en realidad no es que un protón tenga 1836 veces más de algo que elelectrón, sino que la intensidad delacoplamiento con elcampo de Higgs del electrón y losquarks que forman los protones y neutrones explican una parte de la diferencia de masa, y lacromodinámica cuántica al explicar la estructura interna de protones y neutrones aclara por qué estos son más pesados. Pero en ningún caso se trata de una mayor cantidad de algo.
Mientras que hay diferentes opiniones sobre lo que debe considerarse la materia, la masa de un cuerpo admite una definición sencilla en términos mecánicos. Otra diferencia es que la materia tiene un «opuesto» llamadoantimateria, pero la masa no tiene opuesto, es decir, no existe la «antimasa» omasa negativa, por lo que se sabe, aunque los científicos discuten el concepto. La antimateria tiene la misma propiedad de masa (es decir, positiva) que su homóloga la materia normal.
Los distintos campos de la ciencia utilizan el término materia de formas diferentes, y a veces incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos poco precisos, de cuando no había razón para distinguir la masa de la simple cantidad de materia. No existe un único significado científico de «materia» acordado universalmente. Científicamente, el término «masa» está bien definido, pero «materia» puede definirse de varias maneras. A veces, en física, la «materia» se equipara simplemente a las partículas que presentan masa en reposo (es decir, que no pueden viajar a la velocidad de la luz), como los cuarks y los leptones. Sin embargo, en lafísica y laquímica, la materia presenta propiedadesondulatorias y departículas, la llamadadualidad onda‑corpúsculo (también llamada «dualidad onda‑partícula»).[11][12][13]
Distribución estimada de materia y energía oscura en el Universo, en la actualidad y en los momentos iniciales del universo[14]
Una definición de «materia» basada en su estructura física y química es:la materia está formada porátomos.[15] Estamateria atómica también se denomina a vecesmateria ordinaria. Por ejemplo, lasmoléculas deácido desoxirribonucleico (ADN) son materia según esta definición porque están formadas por átomos. Esta definición puede ampliarse para incluir los átomos y las moléculas cargadas, para incluir losplasmas (gases de iones) y loselectrolitos (soluciones iónicas), que no se incluyen en la definición de átomos. También se puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones. Hasta el primer tercio del siglo XX se creyó que la mayor parte del universo estaba formado por materia ordinaria y fotones. Sin embargo, el descubrimiento de lamateria oscura reveló que la mayor parte de la materia de las galaxias era algo que no parecía ser materia ordinaria, formada por átomos. El descubrimiento de laexpansión acelerada del universo, hacia 1998, mostró que en realidad también existía otra forma exótica de materia llamadaenergía oscura (el nombre es confuso, pero se presupone que podría ser un campo de materia). Así las cosas, hacia 2013 las mediciones detalladas delsatélite Planck Surveyor mostraron que la materia ordinaria parecía ser solo alrededor del 5% de toda la materia del universo. Mientras que la composición exacta de la materia oscura y la energía oscura se desconoce, su efecto sobre la rotación de las galaxias y la expansión del universo permite estimar que la materia oscura supone cerca de un 27% de todo el universo y la energía oscura cerca de un 68% del mismo.[16][14]
La definición de «materia» es más fina que la de los átomos y las moléculas:la materia está compuesta por lo que forman losátomos y lasmoléculas, es decir, todo lo que esté formado porprotones con carga positiva,neutrones neutros yelectrones con carga negativa.[17] Sin embargo, esta definición va más allá de los átomos y las moléculas, ya que incluye sustancias hechas a partir de estos bloques de construcción queno son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo los haces de electrones de un viejo televisor detubo de rayos catódicos o la materia de lasenanas blancas, normalmente núcleos de carbono y oxígeno en un mar de electrones degenerados. A nivel microscópico, las «partículas» constitutivas de la materia, como los protones, los neutrones y los electrones, obedecen a las leyes de la mecánica cuántica y presentan la dualidad onda‑corpúsculo. A un nivel aún más profundo, los protones y los neutrones están formados porcuarks y los campos de fuerza (gluones) que los unen, lo que lleva a la siguiente definición.
Bajo la «definición basada en quarks y leptones», las partículas elementales y compuestas formados decuarks (en púrpura) yleptones (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.
Como se ha visto anteriormente, muchas de las primeras definiciones de lo que puede llamarse «materia ordinaria» se basaban en su estructura o «bloques de construcción». Una definición que sigue esta tradición puede enunciarse a escala de las partículas elementales: «la materia ordinaria es todo lo que está compuesto porcuarks yleptones», o «la materia ordinaria es todo lo que está compuesto por cualquier fermión elemental excepto los anticuarks y los antileptones».[18][19][20] La conexión entre estas formulaciones es la siguiente.
Los leptones (el más famoso es elelectrón) y los cuarks (de los que están hechos losbariones, como losprotones y losneutrones) se combinan para formarátomos, formandomoléculas. Como se dice que los átomos y las moléculas son materia, es natural formular la definición: «la materia ordinaria es cualquier cosa hecha de lo mismo que están hechos los átomos y las moléculas». (Sin embargo, nótese que también se puede hacer a partir de estos bloques de construcción materia queno sea átomos ni moléculas). Entonces, como los electrones son leptones, y los protones y neutrones están hechos de cuarks, esta definición, a su vez, lleva a la definición de la materia como «cuarks y leptones», que son dos de los cuatro tipos de fermiones elementales (los otros dos son los anticuarks y los antileptones, que pueden considerarse antimateria como se describe más adelante). Carithers y Grannis afirman: «La materia ordinaria está compuesta en su totalidad por partículas deprimera generación, es decir, los cuarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino».[19] (Las partículas de generaciones superiores decaen rápidamente en partículas de primera generación, por lo que no se encuentran habitualmente)[21].
Esta definición de la materia ordinaria es más sutil de lo que parece a primera vista. Todas las partículas que componen la materia ordinaria (leptones y cuarks) son fermiones elementales, mientras que todas laspartículas portadoras de fuerza son bosones elementales.[22] Losbosones W y Z que median lafuerza débil no están hechos de cuarks ni de leptones y, por tanto, no son materia ordinaria, aunque tengan masa.[23] En otras palabras, lamasa no es exclusiva de la materia ordinaria.
Sin embargo, la definición de materia ordinaria de los cuarks y los leptones identifica los bloques elementales de la materia e incluye los compuestos hechos a partir de sus componentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Estos compuestos contienen una energía de interacción que mantiene unidos a los constituyentes y puede constituir la mayor parte de la masa del compuesto. Por ejemplo, en gran medida, la masa de un átomo es simplemente la suma de las masas de los protones, neutrones y electrones que lo componen. Sin embargo, si se profundiza, los protones y neutrones están formados por cuarks unidos por campos de gluones (véase ladinámica de la cromodinámica cuántica); estos campos de gluones contribuyen significativamente a la masa de los hadrones.[24] En otras palabras, la mayor parte de lo que compone la «masa» de la materia ordinaria se debe a laenergía de unión de los cuarks dentro de los protones y neutrones.[25] Por ejemplo, la suma de la masa de los tres cuarks en unnucleón es de aproximadamente 12,5MeV/c2, lo que es poco comparado con la masa de un nucleón (aproximadamente 938MeV/c2).[26][27] La conclusión es que la mayor parte de la masa de los objetos cotidianos procede de la energía de interacción de sus componentes elementales.
El Modelo estándar agrupa las partículas de la materia en tres generaciones, en las que cada generación está formada por dos cuarks y dos leptones. La primera generación está formada por los cuarksarriba yabajo, elelectrón y elneutrino electrónico; la segunda incluye los cuarksencantado yextraño, elmuon y elneutrino muónico; la tercera generación está formada por los cuarkscima yfondo y eltau y elneutrino tauónico.[28] La explicación más natural para esto sería que los cuarks y leptones de generaciones superiores sonestados excitados de las primeras generaciones. Si esto resulta ser así, implicará que los cuarks y los leptones sonpartículas compuestas y nopartículas elementales.[29]
Esta definición de materia de los cuarks y los leptones también conduce a lo que puede describirse como leyes de «conservación de la materia (neta)», que se expondrá más adelante. Como alternativa, se podría volver al concepto demasa‑volumen‑espacio de lamateria, lo que llevaría a la siguiente definición, en la que la antimateria se incluye como una subclase de la materia.
Basada en fermiones elementales (masa, volumen y espacio)
Una definición estándar o tradicional demateria ordinaria es «cualquier cosa que tengamasa yvolumen (ocupeespacio)».[30][31] Por ejemplo, se diría que un coche está hecho de materia, ya que tiene masa y volumen (ocupa espacio). La observación de que la materia ocupa el espacio se remonta a la antigüedad. Sin embargo, la explicación de por qué la materia ocupa el espacio es reciente. Se argumenta que es el resultado del fenómeno descrito en elprincipio de exclusión de Pauli,[32][33] que se aplica a losfermiones. Dos ejemplos en los que el principio de exclusión relaciona la materia con la ocupación del espacio son las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones, que se analizan más adelante.
Así, lamateria másica ofermiónica puede definirse como todo lo que está compuesto por fermiones elementales. Aunque no nos encontremos con ellas en la vida cotidiana, los anticuarks (como elantiprotón) y los antileptones (como elpositrón) son lasantipartículas del cuark y del leptón, son también fermiones elementales y tienen esencialmente las mismas propiedades que los quarks y los leptones, incluida la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli, que puede decirse que impide que dos partículas estén en el mismo lugar al mismo tiempo (en el mismo estado), es decir, hace que cada partícula «ocupe espacio». Esta definición particular lleva a que la materia se defina para incluir cualquier cosa hecha de estas partículas deantimateria, así como el cuark y el leptón ordinarios, y por lo tanto también cualquier cosa hecha demesones, que son partículas inestables formadas por un cuark y un anticuark.
Por otra parte lamateria bosónica formada fundamentalmente por fotones y otrosbosones de guage no satisface le principio de exclusión de Pauli y, por tanto, no tiende a ocupar un volumen. De toda esta materia, la mayor parte carece de masa inercial, por estar formada porbosones sin masa como los fotones, aunque losbosones débiles sí tienen masa, aunque al no ser fermiones no ocuparían volumen en el mismo sentido que la materia ordinaria.
En el contexto de larelatividad, la masa no es una cantidad aditiva, en el sentido de que no se pueden sumar las masas en reposo de las partículas de un sistema para obtener la masa en reposo total del sistema.[2]: 21 Así, una visión más general de la relatividad es que no es la suma de lasmasas en reposo, sino eltensor energía‑momento el que cuantifica la cantidad de materia. Este tensor da la masa en reposo de todo el sistema. Por tanto, a veces se considera «materia» cualquier cosa que contribuya a la energía‑momento de un sistema, es decir, cualquier cosa que no sea puramente gravedad.[34][35] Este punto de vista es común en los campos que se ocupan de larelatividad general, como lacosmología. Según este punto de vista, la luz y otras partículas y campos sin masa forman parte de la «materia».
En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen a laestadística de Fermi‑Dirac. Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón, o compuestos, como el protón y el neutrón. ElModelo estándar tiene dos tipos de fermiones elementales: los cuarks y los leptones, que se analizan a continuación.
Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente y están sujetos a la estadística de Fermi‑Dirac. Entre los bariones están los protones y los neutrones, que se encuentran en los núcleos atómicos. Sin embargo, también existen muchos otros bariones inestables. El término barión suele referirse a los tricuarks, partículas formadas por tres cuarks. Además, los bariones «exóticos» formados por cuatro cuarks y un anticuark se conocen comopentacuarks, pero su existencia no está generalmente aceptada.
La materia bariónica es la parte del universo formada por bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye laenergía oscura, lamateria oscura, losagujeros negros ni diversas formas de materia degenerada, como las que componen las estrellasenanas blancas y lasestrellas de neutrones. La luz de microondas observada por laWilkinson Microwave Anisotropy Probe sugiere que solo un 4,6 % de la parte del universo que está al alcance de los mejorestelescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz podría llegar hasta nosotros desde ella) está formada por materia bariónica. Alrededor del 26,8 % es materia oscura, y alrededor del 68,3 % es energía oscura.[37]
La gran mayoría de la materia ordinaria del universo no se ve, ya que las estrellas visibles y el gas dentro de las galaxias y los cúmulos representan menos del 10 % de la contribución de la materia ordinaria a la densidad de masa‑energía del universo.[38]
Comparación entre la enana blancaIK Pegasi B (centro), su compañera de clase A IK Pegasi A (izquierda) y el Sol (derecha). Esta enana blanca tiene una temperatura superficial de 35 500 K.
La materia hadrónica puede referirse a la materia bariónica «ordinaria» formada porhadrones (bariones ymesones) o a la materia QCD (una generalización de los núcleos atómicos), es decir, lamateria CDC de «baja» temperatura.[39] Incluye lamateria degenerada y el resultado de las colisiones de núcleos pesados de alta energía.[40]
En física, lamateria degenerada se refiere al estado básico de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto.[41] Elprincipio de exclusión de Pauli exige que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno con espín arriba y otro con espín abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan suficientes niveles para acomodar todos los fermiones disponibles y, en el caso de muchos fermiones, la energía cinética máxima (llamadaenergía de Fermi) y la presión del gas llegan a ser muy grandes y dependen del número de fermiones más que de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.
Se cree que la materia degenerada se produce durante la evolución de las estrellas pesadas.[42] La demostración deSubrahmanyan Chandrasekhar de que lasestrellas enanas blancas tienen una masa máxima permitida debido al principio de exclusión provocó una revolución en la teoría de la evolución estelar.[43]
La materia degenerada incluye la parte del universo formada por las estrellas de neutrones y las enanas blancas.
La materia extraña es una forma particular demateria de cuarks, que suele considerarse como unlíquido de cuarksarriba,abajo yextraño. Se contrapone a lamateria nuclear, un líquido deneutrones yprotones (formado por cuarks arriba y abajo), y a la materia de cuarks no extraños, que es un líquido de cuarks que solo contiene cuarks arriba y abajo. A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña seasuperconductora del color. La hipótesis es que la materia extraña se encuentra en el núcleo de lasestrellas de neutrones o, de forma más especulativa, en forma de gotas aisladas cuyo tamaño puede variar desde losfemtómetros (strangelets) hasta los kilómetros (estrella de cuarks).
El significado más amplio es simplemente materia de cuarks que contiene tres sabores de cuarks: arriba, abajo y extraño. En esta definición existe una presión crítica y una densidad crítica asociada. Cuando la materia nuclear (formada porprotones yneutrones) se comprime más allá de esta densidad, los protones y neutrones se disocian en cuarks, dando lugar a la materia de cuarks (probablemente materia extraña).
El significado más restringido es el de materia de cuarks, que esmás estable que la materia nuclear. La idea de que esto pueda ocurrir es la «hipótesis de la materia extraña» de Bodmer[44] y Witten.[45] En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado básico de la materia essiempre materia de cuarks. Los núcleos que vemos en la materia que nos rodea, que son gotitas de materia nuclear, sonmetaestables y, dado el tiempo suficiente (o el estímulo externo adecuado), decaerían en gotitas de materia extraña, es decir,strangelets.
Los leptones son partículas deespín1⁄2, lo que significa que sonfermiones. Tienen unacarga eléctrica de −1 e (leptones cargados) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los cuarks, los leptones no tienencarga de color, lo que significa que no experimentan lainteracción fuerte. Los leptones también sufren desintegración radiactiva, lo que significa que están sujetos a lainteracción débil. Los leptones son partículas masivas; por lo que están sujetos a la gravedad.
Además de leptones y cuarks, el tipo de partícula más abundante en el universo serían los fotones, que según estimaciones recientes serían en total unos.[48] De hecho, se calcula que existen cerca de mil millones () fotones por cada barión que hay en el universo. Más exactamente la cantidad de fotones en relación con el número de variones viene dada por:[49]
donde el último término fue estimado a partir de las últmas medidas del satélite científicoPlanck Surveyor (2018) como.[50]
Son sustancias puras que están constituidas por 2 o más elementos combinados en proporciones fijas. Los compuestos se pueden descomponer mediante procedimientos químicos en los elementos que los constituyen.Ejemplo: Agua, de fórmula H2O, está constituida por los elementos hidrógeno (H) y oxígeno (O) y se puede descomponer en estos mediante la acción de una corriente eléctrica (electrólisis). Los compuestos se representan mediantefórmulas químicas en las que se especifican los elementos que forman el compuesto y el número de átomos de cada uno de ellos que compone la molécula.Ejemplo: En el agua hay 2 átomos del elemento hidrógeno y 1 átomo del elemento oxígeno formando la molécula
TIPOS:
Mezclas heterogéneas: Son mezclas en las que se pueden distinguir a los componentes a simple vista.Ejemplo: Agua con aceite, granito, arena en agua, etc.Mezclas heterogéneas: Son mezclas en las que se pueden distinguir a los componentes a simple vista. Ejemplo: Agua con aceite, granito, arena en agua, etc.
-Mezclas homogéneas: También llamadasDisoluciones. Son mezclas en las que no se pueden distinguir sus componentes a simple vista.Ejemplo: Disolución de sal en agua, el aire, una aleación de oro y cobre, etc.
Diagrama de fase de una sustancia típica a un volumen fijo. El eje vertical es lapresión y el horizontal latemperatura. La línea verde marca elpunto de congelación (por encima de la línea verde es sólido, por debajo es líquido), y la línea azul elpunto de ebullición (por encima eslíquido y por debajo esgas). Así, por ejemplo, a mayort, es necesario una mayorp para mantener la sustancia en fase líquida. Las tres fases, líquido, gas y sólido, pueden coexistir en elpunto triple. Por encima delpunto crítico, no hay diferencia detectable entre las fases. La línea de puntos muestra elcomportamiento anómalo del agua: el hielo se funde a una temperatura constante con el aumento de la presión.[51]
A granel, la materia puede existir en varias formas o estados de agregación, conocidos comofases,[52] dependiendo de lapresión ambiental, latemperatura y elvolumen.[53] Una fase es una forma de materia con composición química y propiedades físicas uniformes (comodensidad,calor específico,índice de refracción, etc.). Estas fases incluyen las tres conocidas (sólidos,líquidos ygases) y estados más exóticos de la materia (como losplasmas, lossuperfluidos, lossupersólidos, loscondensados de Bose‑Einstein, …). Unfluido puede ser un líquido, un gas o un plasma. También existen fasesparamagnéticas yferromagnéticas de losmateriales magnéticos. Al cambiar las condiciones, la materia puede pasar de una fase a otra. Estos fenómenos se denominantransiciones de fase y se estudian entermodinámica. En los nanomateriales, el enorme aumento de la relación entre la superficie y el volumen da lugar a una materia que puede presentar propiedades totalmente diferentes a las del material a granel y que no están bien descritas por ninguna fase a granel.
Las fases se denominan a vecesestados de la materia, pero este término puede llevar a confusión con losestados termodinámicos. Por ejemplo, dos gases mantenidos a diferentes presiones están enestados termodinámicos diferentes (presiones diferentes), pero en la mismafase (ambos son gases).
Laantimateria es una materia compuesta por lasantipartículas de las que constituyen la materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto, ambas seaniquilan; es decir, pueden convertirse en otras partículas con igualenergía según la ecuaciónE =mc2 deAlbert Einstein. Estas nuevas partículas pueden serfotones de alta energía (rayos gamma) u otros pares partícula‑antipartícula. Las partículas resultantes están dotadas de una cantidad de energía cinética igual a la diferencia entre lamasa en reposo de los productos de la aniquilación y la masa en reposo del par partícula‑antipartícula original, que suele ser bastante grande. Dependiendo de la definición de «materia» que se adopte, puede decirse que la antimateria es una subclase particular de la materia o lo contrario de la materia.
La antimateria no se encuentra de forma natural en la Tierra, salvo muy brevemente y en pequeñas cantidades (como resultado de ladesintegración radiactiva, losrayos o losrayos cósmicos). Esto se debe a que la antimateria que llegara a existir en la Tierra fuera de los confines de un laboratorio de física adecuado se encontraría casi instantáneamente con la materia ordinaria de la que está hecha la Tierra y se aniquilaría. Las antipartículas y algunas antimaterias estables (como elantihidrógeno) pueden fabricarse en cantidades mínimas, pero no en cantidad suficiente para hacer algo más que probar algunas de sus propiedades teóricas.
En laciencia y laciencia ficción se especula mucho sobre por qué el universo observable es casi enteramente materia (en el sentido de cuarks y leptones, pero no de anticuarks o antileptones) y si, en cambio, otros lugares son casi enteramente antimateria (anticuarks y antileptones). Se cree que en el universo primitivo la materia y la antimateria estaban igualmente representadas. La desaparición de la antimateria requiere una asimetría en las leyes físicas llamadaviolación de la simetría CP (carga‑paridad), que puede obtenerse del Modelo estándar.[54] Sin embargo, en este momento, la aparenteasimetría de la materia y la antimateria en el universo visible es uno de losproblemas importantes sin resolver en la física. Los posibles procesos por los que se produjo se estudian con más detalle en el apartado de labariogénesis.
Las partículas de antimateria pueden definirse por sunúmero bariónico oleptónico negativo. En cambio, las partículas de materia «normal» (no antimateria) tienen un número de bariones o leptones positivo.[55] Estas dos clases de partículas son la pareja de antipartículas de la otra.
En octubre de 2017 los científicos informaron de una nueva prueba de que la materia y laantimateria, igualmente producidas en elBig Bang, son idénticas, deberían aniquilarse mutuamente y, como resultado, eluniverso no debería existir.[56][57] Esto implica que algo desconocido para los científicos debe haber detenido la completa destrucción mutua de la materia y la antimateria en el universo en formación temprana o que dio lugar a un desequilibrio entre las dos formas.
En química y los fenómenos de la física clásica la masa es una magnitud conservada. Sin embargo, cuando se consideran fenómenos de lafísica nuclear, como lafusión, lafisión o la desintegración de partíulas, la masa no se conserva estrictamente. Por eso, ni enfísica relativista, ni enfísica cuántica existe una ley de conservación de la masa.
Aun así se pueden definir dos magnitudes asociadas a la "cantidad de materia", en el sentido cuark‑leptón (y antimateria en el sentido anticuark‑antileptón), que experimentalmente sí parecen conservarse esta son: elnúmero bariónico y elnúmero leptónico, seconservan en elmodelo estándar de la física de partículas. Unbarión, como un protón o un neutrón, tiene un número bariónico de uno, y un cuark, como hay tres en un barión, tiene un número bariónico de 1/3. Así, la cantidad neta de materia, medida por el número de cuarks (menos el número de anticuarks, cada uno con un número bariónico de −1/3), es proporcional al número bariónico. El número de leptones (menos los antileptones), llamado número leptónico, es prácticamente imposible de modificar en ningún proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones de los que se componen los núcleos atómicos) se destruye. Hay tantos bariones después como antes de la reacción, por lo que ninguna de estas partículas de materia se destruye. Ninguna se convierte en partículas no materiales (como los fotones de luz o la radiación). En su lugar, se libera laenergía de enlace nuclear (y tal vezcromodinámico), ya que estos bariones se unen en núcleos de tamaño medio que tienen menos energía (y,equivalentemente, menosmasa) por nucleón en comparación con los núcleos originales pequeños (hidrógeno) y grandes (plutonio, etc.). Incluso en laaniquilación electrón‑positrón, no hay materia neta que se destruya porque al principio había cero materia neta (cero números totales leptónicos y números bariónicos) antes de la aniquilación —un leptón menos un antileptón es igual a cero número neto de leptones— y esta cantidad neta de materia no cambia, ya que simplemente sigue siendo cero después de la aniquilación.[58]
En contrapartida el número de bosones, no se conserva, estos al ser sus propias antipartículas pueden generarse o aniquilarse por interacción entre ellos, sin que exista un número bosónico constante. Por tanto, la única manera consistente de definir una cantidad de materia fija sería en términos de números bariónicos y leptónicos. Los bariones y leptones pueden crearse, pero los antibariones o antileptones acompañan su creación; pueden destruirse aniquilándolos con antibariones o antileptones. Como los antibariones/antileptones tienen números bariónicos/leptónicos negativos, los números bariónicos/leptónicos totales no se modifican, por lo que la materia se conserva. Sin embargo, tanto los bariones/leptones como los antibariones/antileptones tienen masa positiva, por lo que la cantidad total de masa no se conserva. Además, fuera de las reacciones nucleares naturales o artificiales, casi no hay antimateria disponible en general en el universo (véase laasimetría de bariones y laleptogénesis), por lo que la aniquilación de partículas es rara en circunstancias normales.
Estructura a gran escala de la materia oscura. Esto muestra la distribución de la materia oscura en el Universo. El brillo de los cúmulos corresponde a la densidad de masa.
La materia ordinaria, en la definición de cuarks y leptones, constituye aproximadamente el 4 % de laenergía deluniverso observable. El resto de la energía se teoriza que se debe a formas exóticas, de las cuales el 23 % esmateria oscura, y el 73 % esenergía oscura.
Enastrofísica ycosmología, lamateria oscura es una materia de composición desconocida que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente, pero cuya presencia puede inferirse a partir de los efectos gravitatorios sobre la materia visible. Las pruebas de observación del universo primitivo y la teoría delBig Bang exigen que esta materia tenga energía y masa, pero no que esté compuesta por bariones ordinarios (protones y neutrones). La opinión comúnmente aceptada es que la mayor parte de la materia oscura es no bariónica. Como tal, está compuesta por partículas aún no observadas en el laboratorio. Tal vez se trate departículas supersimétricas, no de partículas delModelo estándar, sino de reliquias formadas a muy altas energías en la fase inicial del universo y que aún perduran.
Encosmología, se denominaenergía oscura a la fuente de la influencia repelente que acelera el ritmo deexpansión del universo. Su naturaleza exacta es un misterio, aunque sus efectos pueden modelarse razonablemente asignando alvacío propiedades similares a las de la materia, como la densidad de energía y la presión.
«(trad.) Un 70 % de la densidad de materia del universo parece estar en forma de energía oscura. El 26 % es materia oscura. Sólo el 4 % es materia ordinaria. Así pues, menos de una parte de cada 20 está formada por la materia que hemos observado experimentalmente o que se describe en el Modelo estándar de la física de partículas. Del otro 96 %, aparte de las propiedades mencionadas, no sabemos absolutamente nada».
Lee Smolin (2007),The Trouble with Physics, pág. 16
Desde el comienzo de la filosofía, y en casi todas las culturas, se encuentra este concepto vagamente formulado como lo que permanece por debajo de lasapariencias cambiantes de las cosas de lanaturaleza. Según esa idea, todo lo observable está dado en sus diversas y cambiantes apariencias en un soporte o entidad en la que radica el movimiento y cambio de las cosas: la materia.
Una cuestión filosófica importante fue si toda la materia o sustrato material tenía un principio único o tenía diversas fuentes. Que dicho sustrato sea uno solo o varios principios materiales (aire, fuego, tierra y agua), fue cuestión planteada por los filósofosmilesios; loseleatas, en cambio, cuestionaron la realidad del movimiento y, junto con lospitagóricos, fundamentaron elser en un principioformal del pensamiento, dejando a la materia meramente como algo indeterminado e inconsistente, un no‑ser.
Mayor trascendencia histórica ha tenido la teoríaatomista de la antigüedad, puesta de nuevo en vigor por elmecanicismoracionalista en el siglo XVII yXVIII, que supuso el soporte teórico básico para el nacimiento de la ciencia física moderna.
Platón y sobre todoAristóteles elaboraron el concepto de forma, correlativo y en contraposición a la materia, dándole a esta el caráctermetafísico yproblemático que ha tenido a lo largo de la historia del pensamiento, al mismo tiempo que ha servido como concepto que se aplica en otros contextos.
Fue Aristóteles quien elaboró el concepto de materia de forma más completa, si bien el aspecto metafísico quedó relegado a laescolástica.
Para Aristóteles, siguiendo la tradición de los milesios y de Platón, la característica fundamental de la materia es lareceptividad de la forma. La materia puede ser todo aquello capaz de recibir una forma. Por eso ante todo la materia espotencia de ser algo, siendo el algo lo determinado por la forma.
En función de este concepto hay tantas clases de materias como clases de formas capaces de determinar a un ser. Puesto que el movimiento consiste en un cambio de forma de la sustancia, el movimiento se explica en función de la materia como potencia y el acto como forma de determinación de la sustancia.
La materia, en tanto que sustancia y sujeto, es la posibilidad misma del movimiento. Hay tantas clases de materia cuantas posibles determinaciones de la sustancia en sus predicados.
Cuando las determinaciones son accidentales la materia viene dada por la situación de la sustancia en potencia respecto a recepción de una nueva forma. Así el estar sentado en acto es materia en potencia para estar de pie; el movimiento consiste en pasar de estar de pie en potencia, a estar de pie en acto.
El problema es la explicación delcambio sustancial que se produce en la generación y corrupción de la sustancia. Aparece aquí el concepto metafísico demateria prima, pura potencia de ser que no es nada, puesto que no tiene ninguna forma de determinación.
La tradicional fórmula escolástica por la que se suele definir la materia prima da idea de que realmente es difícil concebir una realidad que se corresponda con dicho concepto:No es un qué (sustancia), ni una cualidad, ni una cantidad ni ninguna otra cosa por las cuales se determina el ser. Una definición meramente negativa que incumple las leyes mismas de la definición.
Elmaterialismo es la idea que postula que la materia es lo primario y que la conciencia existe como consecuencia de un estado altamente organizado de esta, lo que produce un cambio cualitativo.
En cuanto a la relación del pensamiento humano y el mundo que nos rodea y la cognoscibilidad de ese mundo, el materialismo afirma que el mundo es material y que existe objetivamente, independientemente de laconciencia. Según esta concepción, la conciencia y el pensamiento se desarrollan a partir de un nivel superior de organización de la materia, en un proceso de reflejo de la realidad objetiva.
El materialismo también sostiene que la materia no ha sido creada de la nada, sino que existe en la eternidad y que el mundo y sus regularidades son cognoscibles por el humano, ya que es posible demostrar la exactitud de ese modo de concebir un proceso natural, reproduciéndolo nosotros mismos, creándolo como resultado de sus mismas condiciones y además poniéndolo al servicio de nuestros propios fines, dando al traste con la “cosa en sí, inasequible”.
Como hecho científico la idea de que la masa se conserva se remonta alquímicoLavoisier, el científico francés considerado padre de laQuímica moderna que midió cuidadosamente la masa de las sustancias antes y después de intervenir en una reacción química, y llegó a la conclusión de que la materia, medida por la masa, no se crea ni destruye, sino que solo se transforma en el curso de las reacciones. Sus conclusiones se resumen en el siguiente enunciado:En una reacción química, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. El mismo principio fue descubierto antes porMijaíl Lomonosov, de manera que es a veces citado como ley de Lomonosov‑Lavoisier, más o menos en los siguientes términos:La masa de un sistema de sustancias es constante, con independencia de los procesos internos que puedan afectarle, es decir, "La suma de los productos, es igual a la suma de los reactivos, manteniéndose constante la masa". Sin embargo, tanto las técnicas modernas como el mejoramiento de la precisión de las medidas han permitido establecer que la ley de Lomonosov‑Lavoisier, se cumple solo aproximadamente.
La equivalencia entre masa y energía, descubierta porEinstein, obliga a rechazar la afirmación de que la masa convencional se conserva, porque masa y energía son mutuamente convertibles. De esta manera se puede afirmar que lamasa relativista equivalente (el total de masa material y energía) se conserva, pero lamasa en reposo puede cambiar, como ocurre en aquellos procesos relativistas en que una parte de la materia se convierte enfotones. La conversión enreacciones nucleares de una parte de la materia en energía radiante, con disminución de la masa en reposo, se observa por ejemplo en procesos de fisión como la explosión de unabomba atómica, o en procesos de fusión como la emisión constante de energía que realizan lasestrellas.
Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de laNASA, alrededor del 70 % del contenido energético del Universo consiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en su efecto sobre la expansión del Universo pero sobre cuya naturaleza última no se sabe casi nada.
Según losmodelos físicos actuales, solo aproximadamente el 5 % de nuestro universo está formado por materia másica ordinaria. Se supone que una parte importante de esta masa seríamateria bariónica formada por bariones y electrones, que solo supondrían alrededor de 1/1850 de la masa de la materia bariónica. El resto de nuestro universo se compondría demateria oscura (23%) yenergía oscura (72%).
A pesar de que la materia bariónica representa un porcentaje tan pequeño, la mitad de ella todavía no se ha encontrado. Todas las estrellas, galaxias y gas observable forman menos de la mitad de los bariones que debería haber. La hipótesis principal sobre el resto de materia bariónica no encontrada es que, como consecuencia del proceso de formación de estructuras posterior albig bang, está distribuida en filamentos gaseosos de baja densidad que forman una red por todo el universo y en cuyos nodos se encuentran los diversos cúmulos de galaxias. Recientemente (mayo de 2008) el telescopioXMM‑Newton de laagencia espacial europea ha encontrado pruebas de la existencia de dicha red de filamentos.[64]
Una gran parte de la energía del universo corresponde a formas de materia formada por partículas o campos que no presentan masa, como la luz y la radiación electromagnética, las dos formada porfotones. Junto con estas partículas no másicas, se postula la existencia de otras partículas como elgravitón, elfotino y elgravitino, que serían todas ellas partículas sin masa aunque contribuyen a la energía total del universo.
Lamateria másica está organizada en varios niveles y subniveles. La materia másica puede ser estudiada desde los puntos de vistamacroscópico ymicroscópico. Según el nivel de descripción adoptado debemos adoptar descripcionesclásicas o descripcionescuánticas.Una parte de la materia másica, concretamente la que compone los astros subenfriados y las estrellas, está constituida pormoléculas,átomos, eiones. Cuando las condiciones de temperatura lo permite la materia se encuentra condensada.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo.
Lacarga eléctrica es de naturalezadiscreta, fenómeno demostrado experimentalmente porRobert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: −1, también expresada−e. Losprotones tienen carga positiva: +1 o+e. A losquarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.[67]
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedadcuantizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene elelectrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10−19 culombios (C) y es conocida como carga elemental.[68] El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada comoq oQ, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto.[69]
Enfísica, laimpenetrabilidad (de impenetrable) es la resistencia que opone una porción de materia a que otra ocupe su mismo lugar en el espacio. Ningún cuerpo puede ocupar al mismo tiempo el lugar de otro. Así mismo, la impenetrabilidad es la resistencia que opone un cuerpo a ser traspasado. Se encuentra en la categoría de propiedad general. Debe notarse que la impenetrabilidad se refiere a la capacidad de la materia ordinaria para no ser penetrada por fragmentos de materia ordinaria. Esto es importante ya que por ejemplo la materia ordinaria puede ser fácilmente traspasada por partículas de materia no‑ordinaria como losneutrinos, que pueden atravesar grandes capas de materia sin interaccionar con ella.
Volviendo al caso de lamateria ordinaria, la impenetrabilidad depende delprincipio de exclusión de Pauli por el cual los electrones, comopartículas fermiónicas que son, se ven obligados a ocupar diferentes capas, con lo cual hacen que un átomo estable sea una estructura con amplia extensión en el espacio. Cuando dos fragmentos de materia ordinaria se aproximan entre sí, los respectivos átomos se acercan, pero debido a la restricción impuesta por el principio de Pauli, sus nubes electrónicas no pueden interpenetrarse de lo que resulta una repulsión efectiva. Esta es, en último término, la causa de la impenetrabilidad de la materia ordinaria.
De acuerdo con lafísica clásica existen diferencias claras entreonda ypartícula. Una partícula tiene una posición definida en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.Ladualidad onda‑corpúsculo, también llamadadualidad onda‑partícula es unfenómeno cuántico, bien comprobado empíricamente, por el cual muchaspartículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros experimentos. Dado ese comportamiento dual, es típico de los objetosmecanocúanticos, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas y como ondas exhiben el fenómeno de lainterferencia.
Actualmente se considera que la dualidad onda‑partícula es un“concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)
Este es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido porLouis‑Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral, inspirada en experimentos sobre la difracción de electrones, propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que laradiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargoEinstein reconoció su importancia a raíz de sus resultados de los experimentos delefecto fotoeléctrico. En 1905, el mismo año que formuló su teoría de la relatividad especial,Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionar correctamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde serían llamados fotones. En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz" mostró cómo la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría elPremio Nobel de Física en 1921. En 1929 De Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo.
A la mayor parte de laspartículas de la naturaleza le corresponde unaantipartícula que posee la mismamasa, el mismoespín, pero contrariacarga eléctrica. Algunas partículas son idénticas a su antipartícula, como por ejemplo elfotón, que no tiene carga. Pero no todas las partículas de carga neutra son idénticas a su antipartícula. Siempre hemos tenido la impresión de que las leyes de la naturaleza parecían haber sido diseñadas para que todo fuese simétrico entre partículas y antipartículas hasta que los experimentos de la llamadaviolación CP (violación carga‑paridad) encontraron que lasimetría temporal se violaba en ciertos sucesos de la naturaleza. El exceso observado debariones con respecto a los anti‑bariones, en el universo, es uno de los principales problemas sin respuesta de lacosmología.
Los pares partícula‑antipartícula pueden aniquilarse entre ellos si se encuentran en elestado cuántico apropiado. Estos estados pueden producirse en varios procesos. Estos procesos se usan en losaceleradores de partículas para crear nuevas partículas y probar las teorías de lafísica de partículas. Los procesos de altas energías en la naturaleza pueden crear antipartículas, y éstos son visibles debido a losrayos cósmicos y en ciertasreacciones nucleares. La palabraantimateria se refiere a las antipartículas elementales, los compuestos de antipartículas hechos con estas (como elantihidrógeno) y formaciones mayores que pueden hacerse con ellos.
Laantimateria es la extensión del concepto deantipartícula a la materia. Así, la antimateria es una forma de materia menos frecuente que está constituida por antipartículas, en contraposición a la materia común, que está compuesta departículas.[70][71][72] Por ejemplo, unantielectrón (unelectrón con carga positiva, también llamadopositrón) y unantiprotón (unprotón con carga negativa) podrían formar un átomo de antimateria, de la misma manera que un electrón y un protón forman un átomo de hidrógeno. El contacto entre materia y antimateria ocasiona suaniquilación mutua; esto no significa su destrucción, sino una transformación que da lugar afotones de alta energía, que producenrayos gamma y otros pares partícula‑antipartícula.
Elespín (delinglésspin 'giro, girar') es unapropiedad física de laspartículas elementales por el cual tienen unmomento angular intrínseco de valor fijo. El espín fue introducido en 1925 porRalph Kronig e, independientemente, porGeorge Uhlenbeck ySamuel Goudsmit. La otra propiedad intrínseca de las partículas elementales es lacarga eléctrica.El espín proporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. En contraste con lamecánica clásica, donde el momento angular se asocia a larotación de un objeto extenso, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico, que no se puede relacionar de forma directa con una rotación en el espacio. La intuición de que el espín corresponde almomento angular debido a la rotación de la partícula en torno a su propio eje solo debe tenerse como una imagen mental útil, puesto que, tal como se deduce de la teoría cuántica relativista, el espín no tiene una representación en términos de coordenadas espaciales, de modo que no se puede referir ningún tipo de movimiento. Eso implica que cualquierobservador al hacer una medida del momento angular detectará inevitablemente que la partícula posee un momento angular intrínseco total, difiriendo observadores diferentes solo sobre la dirección de dicho momento, y no sobre su valor (este último hecho no tiene análogo en mecánica clásica).[73]
Laspartículas elementales son los constituyentes elementales de lamateria; más precisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna.[74]
En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen laestadística de Fermi‑Dirac. Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón, o compuestos, como el protón y el neutrón. En elModelo estándar hay dos tipos de fermiones elementales: los leptones y los quarks, que se exponen a continuación.[75]
Estos quarks y leptones interactúan mediante cuatrointeracciones fundamentales:gravedad,electromagnetismo,interacciones débiles, einteracciones fuertes. ElModelo estándar es actualmente la mejor explicación de toda la física, pero a pesar de las décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede ser considerada en el nivel cuántico; solo es descrita por lafísica clásica (véasegravedad cuántica ygravitón).[76]Las interacciones entre quarks y leptones son el resultado de unintercambio de partículas que transportan fuerza (comofotones) entre los quarks y los leptones.[77]Las partículas que transportan fuerza no son componentes básicos de la materia. En consecuencia, masa y energía no siempre pueden relacionarse con materia. Por ejemplo, los portadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen la energía (según la constante de Planck) y los portadores de la fuerza débil (los bosones W y Z) son masivos, pero ninguno es considerado tampoco como materia.[78]Sin embargo, aunque estas partículas no son consideradas como materia, contribuyen realmente a la masa total de los átomos o de laspartículas subatómicas.[79]
Estructura de quark de un protón: 2 quarks arriba y 1 quark abajo.
Un átomo es la unidad fundamental estructural de la materia que tiene las propiedades de unelemento químico.[80] Unasustancia química[81] es una clase particular de materia homogénea constituida por átomos, ya sean libres o enlazados entre sí, en proporciones definidas.[82][83][84]
La estructura fundamental de un átomo se encuentra constituida por un núcleo bariónico de protones y neutrones, y una nube orbital de electrones atraídos debido a lafuerza electromagnética.
Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente, lafuerza nuclear, que es generalmente más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. Bajo ciertas circunstancias, más acentuado cuanto mayor número de protones tenga el átomo, la fuerza electromagnética repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear y los nucleones pueden ser expulsados o desechados del núcleo, dejando tras de sí un elemento diferente:desintegración nuclear que resulta entransmutación nuclear.
El número de protones en el núcleo define a quéelemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los átomos decobre contienen 29 protones. El número de neutrones define elisótopo del elemento.
Los núcleos atómicos tienen algún tipo de estructura interna, por ejemplo los neutrones y protones parecen estar orbitando unos alrededor de los otros, hecho que se manifiesta en la existencia delmomento magnético nuclear. Sin embargo los experimentos revelan que el núcleo se parece mucho a una esfera o elipsoide compacto de 10−15 m (= 1fm), en el que la densidad parece prácticamente constante. Naturalmente el radio varía según el número de protones y neutrones, siendo los núcleos más pesados y con más partículas algo más grandes.
Diagrama deSegrè, en rojo los núcleos estables, en otros colores los núcleos inestables coloreados según el período de desintegración. Obsérvese que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en átomos pesados.
Los núcleos atómicos se comportan comopartículas compuestas a energías suficientemente bajas. Así mismo, la mayoría de núcleos atómicos por debajo de un ciertopeso atómico y que además presentan un equilibrio entre el número de neutrones y el número de protones (número atómico) son estables. Sin embargo sabemos que losneutrones aislados y los núcleos con demasiados neutrones (o demasiados protones) son inestables oradiactivos.
La explicación de esta estabilidad de los núcleos reside en la existencia de lospiones. Aisladamente los neutrones pueden sufrir, víainteracción débil, la siguiente desintegración:
Unacapa electrónica,[85]capa de electrones ocubierta de electrones designa a la distribución de unorbital alrededor delnúcleo de unátomo. Cada capa puede contener un cierto número máximo de electrones y está asociada con un particular rango de energía en función de su distancia al núcleo. En un átomo estable, para que una cierta capa pueda contener electrones, es necesario que todas las interiores a ella estén completamente ocupadas. Los electrones en la capa poblada más externa, llamadacapa de valencia y que es la única que puede encontrarse parcialmente vacía, determinan laspropiedades químicas del átomo.
El modelo atómico de Schrödinger concebía originalmente los electrones comoondas de materia. Así la ecuación se interpretaba como la ecuación ondulatoria que describía la evolución en el tiempo y el espacio de dicha onda material. Más tardeMax Born propuso una interpretación probabilística de lafunción de onda de los electrones. Esa nueva interpretación es compatible con los electrones concebidos como partículas cuasipuntuales cuya probabilidad de presencia en una determinada región viene dada por la integral del cuadrado de la función de onda en una región. Es decir, en la interpretación posterior del modelo, este era un modeloprobabilista que permitía hacer predicciones empíricas, pero en el que la posición y lacantidad de movimiento no pueden conocerse simultáneamente, por elprincipio de incertidumbre. Así mismo, el resultado de ciertas mediciones no está determinado por el modelo, sino solo el conjunto de resultados posibles y sudistribución de probabilidad.
Unorbital atómico es la región del espacio definido por una determinadasolución particular, espacial e independiente del tiempo, a laecuación de Schrödinger para el caso de unelectrón sometido a unpotencial coulombiano. La elección de tres números cuánticos en la solución general señala unívocamente a un estado monoelectrónico posible.
Estos tres números cuánticos hacen referencia a la energía total del electrón, elmomento angular orbital y la proyección del mismo sobre el eje z del sistema del laboratorio y se denotan por
Un orbital también puede representar la posición independiente del tiempo de un electrón en unamolécula, en cuyo caso se denominaorbital molecular.
La combinación de todos los orbitales atómicos da lugar a lacorteza electrónica, representada por elmodelo de capas, el cual se ajusta a cadaelemento químico según laconfiguración electrónica correspondiente. Por simplicidad, se recogen las formas de laparte angular de los orbitales, obviando los nodos radiales, que siempre tienen forma esférica.
El orbitals tiene simetríaesférica alrededor delnúcleo atómico. En la figura siguiente se muestran dos formas alternativas para representar la nube electrónica de un orbital s: en la primera, la probabilidad de encontrar al electrón (representada por la densidad de puntos) disminuye a medida que nos alejamos del centro; en la segunda, se representa el volumen esférico en que el electrón pasa la mayor parte del tiempo y por último se observa el electrón.
La forma geométrica de los orbitalesp es la de dos esferas achatadas hacia el punto de contacto (el núcleo atómico) y orientadas según los ejes de coordenadas. En función de los valores que puede tomar el tercer número cuántico ml (‑1, 0 y 1) se obtienen los tres orbitales p simétricos respecto a los ejes X, Z ey. Análogamente al caso anterior, los orbitales p presentan n‑2 nodos radiales en la densidad electrónica, de modo que al incrementarse el valor del número cuántico principal la probabilidad de encontrar el electrón se aleja del núcleo atómico.El orbital "p" representa también la energía que posee un electrón y se incrementa a medida que se aleja entre la distancia del núcleo y el orbital.
Los orbitalesd tienen orientaciones más diversas. Cuatro de ellos tienen forma de 4 lóbulos de signos alternados (dos planos nodales, en diferentes orientaciones del espacio), y el último es un doble lóbulo rodeado por un anillo (un doble cono nodal). Siguiendo la misma tendencia, presentan n‑3 nodos radiales. Este tiene 5 orbitales y corresponde al número cuántico l (azimutal)
Laecuación de Pauli, oecuación de Schrödinger‑Pauli, es una generalización o reformulación de laecuación de Schrödinger para partículas deespín 1/2 que tiene en cuenta la interacción entre el espín y elcampo electromagnético. Esta ecuación es el límite no relativista de laecuación de Dirac y puede usarse para describir electrones para los cuales los efectos relativistas de la velocidad pueden despreciarse. En general, unefecto de apantallamiento es aquel capaz de atenuar una fuerza o interacción. Enfísica atómica, el efecto pantalla sobre loselectrones más externos de unátomo se describe como la atenuación de la fuerza atractiva neta sobre el electrón, debido a la presencia de otros electrones en capas inferiores y del mismo nivel energético. El efecto pantalla es una barrera de electrones de un mismo nivel, los cuales ejercen fuerzas de repulsión sobre electrones de mayor nivel, disminuyendo así la probabilidad de encontrar estos electrones en niveles inferiores. Cada nivel produce efecto de cola pantalla; a mayor número de electrones mayor es el efecto de pantalla.
Laconfiguración electrónica indica la manera en la cual loselectrones se estructuran, comunican u organizan en un átomo de acuerdo con elmodelo de capas electrónicas, en el cual las funciones de ondas del sistema se expresan como un átomo o atómicamente unproducto de orbitales antisimetrizadas.[86][87] La configuración electrónica es importante ya que determina las propiedades de combinación química de los átomos y por lo tanto su posición en latabla periódica de los elementos.
De acuerdo con la mecánica cuántica, los electrones pueden pasar de un orbital atómico a otro ya sea emitiendo o absorbiendo uncuanto de energía, en forma defotón. Esta transición de un orbital a otro con diferentes energías explica diversos fenómenos de emisión y absorción de radiación electromagnética por parte de los átomos.
Losgases nobles son un grupo deelementos químicos con propiedades muy similares: por ejemplo, bajo condiciones normales, son gasesmonoatómicos inodoros, incoloros y presentan una reactividad química muy baja. Se sitúan en el grupo 18 (VIIIA)[88] de latabla periódica (anteriormente llamado grupo 0).
Laenergía de ionización opotencial de ionización (Ei) es la energía necesaria para separar unelectrón en suestado fundamental de unátomo de un elemento enestado gaseoso.[90] La reacción puede expresarse de la siguiente forma:
.
En este caso se forma un ion monoatómico de carga positiva (catión monoatómico)
Dado que se trata de energía liberada, pues normalmente al insertar un electrón en un átomo predomina la fuerza atractiva delnúcleo, tiene signo negativo. En los casos en los que la energía sea absorbida, cuando ganan las fuerzas de repulsión, tendrán signo positivo.
También podemos recurrir al proceso contrario para determinar la primera afinidad electrónica, ya que sería la energía consumida en arrancar un electrón a la especie aniónica mononegativa en estado gaseoso de un determinado elemento; evidentemente laentalpía correspondienteEea tiene signo negativo, salvo para losgases nobles y metales alcalinotérreos. Este proceso equivale al de la energía de ionización de un átomo, por lo que laEea sería por este formalismo la energía de ionización de orden cero.
Esta propiedad nos sirve para prever qué elementos generarán con facilidad especies monoatómicas aniónicas estables.
Unenlace químico es elproceso químico responsable de las interacciones atractivas entreátomos ymoléculas,[91] y que confiere estabilidad a loscompuestos químicos diatómicos y poliatómicos. La explicación de tales fuerzas atractivas es un área compleja que está descrita por las leyes de laquímica cuántica.
Unenlace iónico oelectrovalente es el resultado de la presencia de atracciónelectrostática entre losiones de distinto signo, es decir, un par anión‑catión.[92] La atracción electrostática entre los iones de carga opuesta causa que se enlacen. Para que un enlace iónico se genere es necesario que la diferencia (delta) de electronegatividades sea mayor que 1.7 o igual. (Escala de Pauling; de acuerdo alTriángulo de Van Arkel‑Ketelaar).[93]
Cabe resaltar que ningún enlace es totalmente iónico, siempre habrá una contribución en el enlace que se le pueda atribuir a la compartición de los electrones en el mismo enlace (covalencia).[94] El modelo del enlace iónico es una exageración que resulta conveniente ya que muchos datos termodinámicos se pueden obtener con muy buena precisión si se piensa que los átomos son iones y no hay compartición de electrones.
Unenlace covalente está implícito en laestructura de Lewis indicando electrones compartidos entre los átomos. Un enlace covalente entre dos átomos se produce cuando estos átomos se unen, para alcanzar elocteto estable, compartiendoelectrones del último nivel[95] (excepto elhidrógeno que alcanza la estabilidad cuando tiene 2 electrones). La diferencia deelectronegatividad entre los átomos no es lo suficientemente grande como para que se produzca unaunión de tipo iónica. Para que un enlace covalente se genere es necesario que la diferencia de electronegatividad entre átomos sea menor a 1.7.[96]
Un aspecto importante de la teoría del enlace de valencia es la condición de máximo solapamiento que conduce a la formación de losenlaces posibles más fuertes. Esta teoría se usa para explicar la formación deenlaces covalentes en muchas moléculas.
Por ejemplo, en el caso de la molécula F2, el enlace F‑F está formado por el solapamiento deorbitales p de dos átomos deflúor diferentes, cada uno conteniendo unelectrón desapareado. Dado que la naturaleza de los orbitales es diferente en las moléculas de H2 y F2, lafuerza de enlace y lalongitud de enlace diferirán en ambas moléculas.
En una molécula de HF, el enlace covalente está formado por el solapamiento del orbital 1s del H y 2p del F, cada uno conteniendo un electrón desapareado. La compartición mutua de los eletrones entre H y F resulta en la formación de un enlace covalente entre ambos.
Configuración de los orbitales sp². El carbono con hibridación sp2 se une con 3 átomos (dos enlaces simples y un doble enlace)
Elenlace sigma (enlace σ) es el tipo más fuerte deenlace químicocovalente, incluso más fuerte que el enlace pi, el cual forma el doble enlace. El orbital sigma se define de forma más clara para moléculas diatómicas usando el lenguaje y las herramientas de lasimetría de grupos.
enlace σ entre dos átomos: localización de la densidad electrónica.
Losenlaces pi (enlaces π) sonenlaces químicoscovalentes donde dos lóbulos de unorbital involucrado en el enlace se solapan con dos lóbulos del otro orbital involucrado. Estos orbitales comparten unplano nodal que pasa a través de losnúcleos involucrados.
Dos orbitales p formando un orbital π.
Elenlace de coordinación o coordinado, igualmente conocido como enlacecovalente dativo oenlace bipolar, es unenlace covalente en el que cada par de electrones compartido por dos átomos es aportado por uno de ellos. El átomo que aporta el par de electrones se denomina dador, y el que lo recibe, receptor.[98]
Lateoría de los orbitales moleculares (TOM) es un método para determinar elenlace químico en el que los electrones no están asignados a enlaces individuales entre átomos, sino que se mueven bajo la influencia de los núcleos de toda la molécula.[99]
Los orbitales moleculares son regiones del espacio que contienen la densidad electrónica definida porfunciones matemáticas que describen el comportamiento ondulatorio que pueden tener loselectrones en lasmoléculas. Estas funciones pueden usarse para calcular propiedades químicas y físicas tales como la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio. El términoorbital fue presentado por primera vez eninglés porRobert S. Mulliken en 1932 como abreviatura de «función de onda orbital de un electrón» (one‑electron orbital wave function[100]) a partir de una traducción de la palabraalemana utilizada en 1925 porErwin Schrödinger, 'Eigenfunktion'. Desde entonces se considera un sinónimo de la región del espacio generada con dicha función. Los orbitales moleculares se construyen habitualmente porcombinación lineal de orbitales atómicos centrados en cada átomo de la molécula. Utilizando los métodos de cálculo de la estructura electrónica, como por ejemplo, el método deHartree‑Fock o el de los campos autoconsistente (self‑consistent field, SCF), se pueden obtener de forma cuantitativa.
Lateoría de campo cristalino (TCC) es unmodelo teórico que describe laestructura electrónica de aquellos compuestos de los metales de transición que pueden ser consideradoscompuestos de coordinación. La teoría de campo cristalino explica exitosamente algunas de las propiedades magnéticas, colores,entalpías dehidratación y estructuras deespinela (octaédrica) de los complejos de los metales de transición, pero no acierta a describir las causas del enlace. La TCC fue desarrollada por los físicosHans Bethe yJohn Hasbrouck van Vleck[101] en la década de 1930. La TCC fue posteriormente combinada con lateoría de orbitales moleculares para producir lateoría del campo de ligandos que aunque resulta un poco más compleja también es más ajustada a la realidad, ya que se adentra además en la explicación del proceso de formación delenlace químico en los complejos metálicos.
Unenlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos losátomos (unión entre núcleos atómicos y loselectrones de valencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de losmetales entre sí.[102]
Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de líneastridimensionales que adquieren estructuras tales como: la típica deempaquetamiento compacto de esferas (hexagonal compacta), cúbica centrada en las caras o la cúbica centrada en el cuerpo.
Lasimetría molecular describe lasimetría de lasmoléculas y utiliza este criterio para su clasificación. La simetría molecular es un concepto fundamental en química, pues muchas de las propiedades químicas de una molécula, como sumomento dipolar y las transiciones espectroscópicas permitidas (basadas en reglas de selección como la regla de Laporte) pueden predecirse o ser explicadas a partir de la simetría de la molécula. Aunque existen varios marcos teóricos en los que la simetría molecular puede estudiarse, lateoría de grupos es el principal. Existen muchas técnicas para establecer empíricamente la simetría molecular, incluyendo lacristalografía de rayos X y varias formas deespectroscopia.
Latopología molecular es una parte de laquímica matemática y trata de la descripción algebraica de loscompuestos químicos, permitiendo una caracterización única y fácil de los mismos. La topología no es sensible a los detalles de uncampo escalar, y con frecuencia se puede determinar mediante cálculos simplificados. Los campos escalares como ladensidad de electrones, el campo deMadelung, el campocovalente y elpotencial electrostático se pueden utilizar para establecer el modelo de topología.[109]
En mecánica cuántica, bajo la interpretación probabilística, las partículas no pueden ser consideradas puntuales, sino que se encuentran deslocalizadas espacialmente antes de realizar una medida sobre su posición. Ladensidad electrónica es una distribución que determina la probabilidad espacial de una o más partículas idénticas.
Lapolarizabilidad es la tendencia relativa de una distribución de cargas, tal como lanube electrónica de unátomo omolécula, a ser distorsionada de su forma normal por uncampo eléctrico externo, que puede ser causado por la presencia de union cercano o undipolo. La polarización electrónica es un desplazamiento de las cargas en presencia de un campo eléctrico externo, es decir en un átomo neutro lanube electrónica se reorienta de tal manera que el átomo se distorsiona ligeramente y pierde su simetría. La dificultad al analizar estos fenómenos varia en el tratamiento de la interacción de muchos cuerpos.
La polarizabilidad electrónica está definida como la razón del momento dipolar inducido de un átomo al campo eléctrico que produce dicho momento dipolar.UnaFuerza intermolecular se refiere a las interacciones que existen entre lasmoléculas conforme a su naturaleza. Generalmente, la clasificación es hecha de acuerdo con lapolaridad de las moléculas que están interaccionando, o sobre la base de la naturaleza de las moléculas, de los elementos que la conforman.[113]
Laelectronegatividad es la capacidad de unátomo para atraer a densidad electrónica, cuando forma unenlace químico en una molécula.[114] También debemos considerar la distribución dedensidad electrónica alrededor de un átomo determinado frente a otros distintos, tanto en una especie molecular como en sistemas o especies no moleculares.
Al formarse una molécula de modo enlace covalente el par de electrones tiende a desplazarse hacia el átomo que tiene mayor electronegatividad. Esto origina una densidad electrónica asimétrica entre los núcleos que forman el enlace, al cual se le denomina enlace covalente polar (se forma un dipolo eléctrico). El enlace es más polar cuanto mayor sea la diferencia entre las electronegatividades de los átomos que se enlazan.Lapolaridad química es una propiedad de las moléculas derivada de la suma vectorial de los momentos dipolos de los enlaces covalentes polares de una molécula. Esta propiedad está íntimamente relacionada con otras propiedades como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, las fuerzas intermoleculares, etc.
Las interacciones débiles no covalentes se les llama "débiles" porque representan la energía que mantiene unidas a las especies moleculares y que son considerablemente más débiles que los enlaces covalentes. Las interacciones no covalentes fundamentales son:
La temperatura de ungasmonoatómico es una medida relacionada con laenergía cinética promedio de sus moléculas al moverse. En esta animación, la relación deltamaño de los átomos dehelio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950atmósferas. Estos átomos a temperatura ambiente tienen una cierta velocidad media (aquí reducida dosbillones de veces).
Esta rama de la física describe las propiedades térmicas de los gases. Estos sistemas contienen números enormes de átomos o moléculas, y la única forma razonable de comprender sus propiedades térmicas con base en la mecánica molecular, es encontrar determinadas cantidades dinámicas de tipo promedio y relacionar las propiedades físicas observadas del sistema con estas propiedades dinámicas moleculares en promedio. Las técnicas para relacionar el comportamiento macroscópico global de los sistemas materiales con el comportamiento promedio de sus componentes moleculares constituyen lamecánica estadística.
El número demoléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con sus dimensiones. Por lo tanto, ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales.
Las moléculas obedecen lasleyes de Newton, pero individualmente se mueven en formaaleatoria, con diferentesvelocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia con eltiempo.
Lasfuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que lasfuerzas eléctricas onucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque.
Elgas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas.
La efusión es el flujo de partículas de gas a través de orificios estrechos o poros. Se hace uso de este principio en el método de efusión de separación deisótopos. El fenómeno de efusión está relacionado con laenergía cinética de lasmoléculas. Gracias a su movimiento constante, las partículas de una sustancia se distribuyen uniformemente en el espacio libre. Si hay una aglomeración mayor de partículas en un punto habrá más choques entre sí, por lo que hará que se muevan hacia las regiones de menor número: las sustancias se efunden de una región de mayor aglomeración a una región de menor aglomeración.
La imagen de la izquierda muestra efusión, donde la imagen de la derecha muestra difusión. La efusión se produce a través de un orificio más pequeño que la trayectoria libre media de las partículas en movimiento, mientras que la difusión ocurre a través de una abertura en la cual las partículas múltiples pueden fluir a través simultáneamente.
Ungas real, en oposición a un gas ideal o perfecto, es un gas que exhibe propiedades que no pueden ser explicadas enteramente utilizando la ley de los gases ideales. Para entender el comportamiento de los gases reales, lo siguiente debe ser tomado en cuenta:
‑ efectos de compresibilidad
‑ capacidad calorífica específica variable
‑ fuerzas de Van der Waals
‑ efectos termodinámicos del no‑equilibrio
‑ cuestiones con disociación molecular y reacciones elementales con composición variable.
Elanálisis conformacional es la exploración de todos los confórmeros que se pueden obtener de una molécula dada al realizar torsiones alrededor de enlaces sencillos (grados de libertad conformacionales), observando los cambios en la energía molecular asociados a esas torsiones.
Diagrama deenergía de Gibbs del butano en función del ángulo diedro.
El término macromolécula se refería originalmente a las moléculas que pesaban más de 10 000dalton de masa atómica,[115] aunque pueden alcanzar millones de UMAs.
Muestra de lectura debromometano (CH3 Br), que muestra picos alrededor de 3000, 1300, y 1000 cm−1 (en el eje horizontal). Animación 3D del estiramiento simétrico de los enlaces C ‑ H debromometano.
Laespectroscopia infrarroja explota el hecho de que las moléculas absorben las frecuencias que son características de suestructura. Estas absorciones ocurren enfrecuencias de resonancia , es decir, la frecuencia de la radiación absorbida coincide con la frecuencia de vibración. Las energías se ven afectadas por la forma de lassuperficies de energía potencial molecular, las masas de los átomos y elacoplamiento vibrónico asociado.En particular, en las aproximaciones deBorn‑Oppenheimer y las armónicas, es decir, cuando elhamiltoniano molecular correspondiente alestado fundamental electrónico se puede aproximar mediante unoscilador armónico en la vecindad de lageometría molecular de equilibrio, las frecuencias resonantes se asocian con losmodos normales correspondientes a la superficie de energía potencial del estado fundamental de la electrónica molecular. Las frecuencias de resonancia también están relacionadas con la fuerza del enlace y lamasa de los átomos en cada extremo del mismo. Por lo tanto, la frecuencia de las vibraciones está asociada con un modo de movimiento normal particular y un tipo de enlace particular.
1.- Clasificación de la materia
La materia la podemos encontrar en la naturaleza en forma desustancias puras y demezclas.
Lassustancias puras son aquellas cuya naturaleza y composición no varían sea cual sea su estado. Se dividen en dos grandes grupos: Elementos y Compuestos.
Elementos: Son sustancias puras que no pueden descomponerse en otras sustancias puras más sencillas por ningún procedimiento.Ejemplo: Todos los elementos de la tabla periódica: Oxígeno, hierro, carbono, sodio, cloro, cobre, etc. Se representan mediante susímbolo químico y se conocen 115 en la actualidad.vv
Lafísica de la materia condensada es el campo de lafísica que se ocupa de las características físicas macroscópicas de la materia. En particular, se refiere a lasfases “condensadas” que aparecen siempre en que el número de constituyentes en un sistema sea extremadamente grande y que las interacciones entre los componentes sean fuertes. Los ejemplos más familiares de fases condensadas son lossólidos y loslíquidos, que surgen a partir de los enlaces y uniones causados por interaccioneselectromagnéticas entre losátomos.
Los cuerpossólidos están formados por átomos densamente empaquetados con intensas fuerzas de interacción entre ellos. Los efectos de interacción son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos.
Excepto el vidrio y las sustancias amorfas, cuya estructura no aparece ordenada sino desorganizada, toda la materia sólida se encuentra en estado cristalino. En general, se presenta en forma de agregado de pequeños cristales (o policristalinos) como en el hielo, las rocas muy duras, los ladrillos, el hormigón, los plásticos, los metales muy proporcionales, los huesos, etc.
También pueden constituir cristales únicos de dimensiones minúsculas como elazúcar o lasal, laspiedras preciosas y la mayoría de losminerales, de los cuales algunos se utilizan en la tecnología moderna por sus sofisticadas aplicaciones, como elcuarzo de lososciladores o lossemiconductores de los dispositivos electrónicos.
Lossólidos pueden ser clasificados de acuerdo a la naturaleza delenlace entre sus componentes atómicos o moleculares. La clasificación tradicional distingue cuatro tipos de enlace:[116]
Este estado de la materia fue descubierto porSatyendra Nath Bose, que envió su trabajo sobre estadísticas de los fotones aEinstein para comentar. Tras la publicación del documento de Bose, Einstein extendió su tratamiento a un número de partículas fijas (átomos) y predijo este quinto estado de la materia en 1925. Los condensados de Bose‑Einstein fueron realizados experimentalmente por primera vez por varios grupos diferentes en 1995 para el rubidio, el sodio y el litio, utilizando una combinación de láser y de refrigeración por evaporación.[117]La condensación de Bose‑Einstein para el hidrógeno atómico se logró en 1998.[118]El condensado de Bose‑Einstein es un líquido similar alsuperfluido que se produce a bajas temperaturas en el que todos los átomos ocupan el mismo estado cuántico. En sistemas de baja densidad, que se produce en o por debajo de 10−5 K.[118]
Laquímica supramolecular es la rama de laquímica que estudia las interacciones supramoleculares, esto quiere decir entremoléculas. Su estudio está inspirado por la biología y está basada en los mecanismos de la química orgánica e inorgánica sintética.
Laquímica supramolecular estudia elreconocimiento molecular y la formación deagregados supramoleculares lo que nos da paso para comprender e interfasear el mundo biológico, los sistemas complejos y la nanotecnología. La química supramolecular se define como:
"La química supramolecular es la química de los enlaces intermoleculares, cubriendo las estructuras y funciones de las entidades formadas por asociación de dos o más especies químicas" J‑M‑ Lehn[119]
"La química supramolecular se define como la química más allá de la molecular, una química de interacciones intermoleculares diseñadas" F. Vögtle[120]
Los agregados supramoleculares que son objeto de estudio por la química supramolecular son muy diversos, pudiendo abarcar desde sistemas biológicos donde intervienen un número elevado de moléculas que se organizan espontáneamente formando estructuras más grandes,[121] como monocapas,bicapas,micelas,[122]complejos enzimáticos ylipoproteínas, hasta conjuntos de pocas moléculas que sufren un fenómeno deautoensamblaje molecular,[123] como loscatenanos,rotaxanos, poliedros moleculares y otras arquitecturas afines.
Lasolvatación es el proceso de formación de interacciones atractivas entremoléculas de undisolvente con moléculas oiones de unsoluto.[124] En la disolución los iones del soluto se dispersan y son rodeados por moléculas de solvente, lo mismo ocurre en las moléculas del solvente.[125]
Solvatación de union desodio conagua.Estructura del2.2.2‑Criptando que encapsula un catión de potasio (violeta). En estado cristalino, obtenida mediante difracción de rayos X.[126]
Loscriptandos son una familia de ligandos multidentados sintéticos bi‑ y policíclicos que poseen afinidad por una variedad de cationes.[127] ElPremio Nobel de Química de 1987 fue otorgado aDonald J. Cram,Jean‑Marie Lehn —quien primero los estudio en 1969— yCharles J. Pedersen por sus trabajos que permitieron descubrir y determinar los usos de criptandos yéteres de corona, dando comienzo al campo de laquímica supramolecular.[128] El término criptando implica que el ligando retiene substratos en unacripta, recluyendo al invitado como en un entierro. Estas moléculas son los análogos tridimensionales de loséteres de corona pero son más selectivos y atrapan a los iones con fuerzas mayores. Los complejos resultantes son lipofílicos.
Estructura del complejo de inclusión 3:1deurea y 1,6‑diclorohexano. El marco está compuesto por moléculas de urea que están unidas por enlaces de hidrógeno, dejando aproximadamente canales hexagonales en los que se alinean las moléculas del clorocarbon (el oxígeno es de color rojo, el nitrógeno es azul, el cloro es verde).[129]Clatrato demetano en plena combustión.
Unclatrato,estructura de clatrato ocompuesto de clatrato (dellatínclathratus, "rodeado o protegido, enrejado") es unasustancia química formada por una red de un determinado tipo demolécula, que atrapa y retiene otro tipo de molécula.
Un hidrato gaseoso es, por ejemplo, un tipo especial de clatrato en el que lamolécula de agua forma una estructura capaz de contener ungas.Un clatrato es un sistema supramolecular de inclusión en el cual moléculas del tamaño conveniente (2‑9 Angstrom) quedan atrapadas en las cavidades que aparecen en la estructura de otro compuesto.
La ciencia de las superficies es el estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfase de dos fases, incluyendo interfases sólido‑líquido, sólido‑gas, sólido‑vacío, líquido‑gas. Es una ciencia interdisciplinar con campos superpuestos de la química de superficies y física de superficies. Como ciencia es un subcampo de la ciencia de materiales. La física de superficies estudia los cambios físicos que ocurren en las interfaces. Algunos de los aspectos que estudia esta rama de la física incluyen las reconstrucciones superficiales; las transiciones electrónicas plasmones y acústicas en las superficies fonones; la epitaxia; la emisión electrónica; el tunelamiento electrónico; el ensamble de superficies o la formación de nanoestructuras.
Laadsorción es unproceso por el cualátomos,iones omoléculas degases,líquidos osólidos disueltos son atrapados o retenidos en una superficie,[130][131] en contraposición a laabsorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, la adsorción es un proceso en el cual, por ejemplo, un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente).[131] El proceso inverso a la adsorción se conoce comodesorción.
La nucleación puede hacer referencia a diferentes disciplinas y es un proceso clave para entender el procesamiento térmico de los polímeros, aleaciones y algunas cerámicas. En química y biofísica, la nucleación puede hacer referencia a la formación de multímeros, que son intermediarios en los procesos de polimerización. Se cree que este tipo de proceso es el mejor modelo para procesos como la cristalización y la amiloidogénesis.
En física y química un coloide, sistema coloidal, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema conformado por dos o más fases, normalmente una fluida (líquido) y otra dispersa en forma de partículas generalmente sólidas muy finas, de diámetro comprendido entre 10−9 y 10−5 m. La fase dispersa es la que se halla en menor proporción. Normalmente la fase continua es líquida, pero pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentran en otros estados de agregación de la materia.
Las propiedades generales presentan los sistemas materiales básicos sin distinción y por tanto no permiten diferenciar una sustancia de otra. A algunas de las propiedades generales se les da el nombre de extensivas, pues su valor depende de la cantidad de materia, tal es el caso de lamasa, elpeso,volumen. Otras, las que no dependen de la cantidad de materia sino de la sustancia de que se trate, se llaman intensivas. El ejemplo paradigmático de magnitud intensiva de la materia másica es ladensidad.
Son las cualidades que nos permiten reconocer a la materia, como laextensión, o lainercia. Son aditivas debido a que dependen de la cantidad de la muestra tomada. Para medirlas definimos magnitudes, como lamasa, para medir la inercia, y elvolumen, para medir la extensión (no es realmente una propiedad aditiva exacta de la materia en general, sino para cada sustancia en particular, porque si mezclamos por ejemplo 50 ml de agua con 50 ml de etanol obtenemos un volumen de disolución de 96 ml).Hay otras propiedades generales, como lainteracción, que se mide mediante lafuerza. Todo sistema material interacciona con otros en forma gravitatoria, electromagnética o nuclear. También es una propiedad general de la materia suestructura corpuscular, lo que justifica que la cantidad se mida para ciertos usos enmoles.
Son las cualidades de la materia independientes de la cantidad que se trate, es decir, no dependen de la masa. No son aditivas y, por lo general, resultan de la composición de dos propiedades extensivas. El ejemplo perfecto lo proporciona ladensidad, que relaciona la masa con el volumen. Es el caso también delpunto de fusión, elpunto de ebullición, el coeficiente desolubilidad, elíndice de refracción, elmódulo de Young, etc.
Son aquellas propiedades distintivas de las sustancias que se observan cuando reaccionan, es decir, cuando se rompen o se forman enlaces químicos entre los átomos, formándose con la misma materia sustancias nuevas distintas de las originales. Las propiedades químicas se manifiestan en los procesos químicos (reacciones químicas), mientras que las propiamente llamadas propiedades físicas, se manifiestan en los procesos físicos, como elcambio de estado, la deformación, el desplazamiento, etc.
Elkilogramo es una unidad de la cantidad de materia, corresponde a la masa de un dm³ (1 litro) de agua pura a 4 °C de temperatura. A partir de esta medida, se creó un bloque de platino e iridio de la misma masa que se denominó kilogramo patrón. Este se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas deSèvres (Francia).
Latemperatura es una magnitud que indica el grado de agitación térmica de una sustancia. Asimismo, cuando dos sustancias que están en contacto tienen distintas temperaturas, se produce una transferencia de energía térmica (en forma de calor) hasta igualar ambas temperaturas. En el momento en que se igualan las temperaturas se dice que estas dos sustancias están en equilibrio térmico.
Los tres elementos químicos más abundantes en el universo son H, He y C; algunas de sus propiedades más importantes son:
Hidrógeno (H2): densidad = 0, 0899 kg/m³ Teb = ‑252, 9 °C, Tf =‑259, 1 °C.
Helio (He): densidad = 0, 179 kg/m³ Teb = ‑268, 9 °C, Tf = ‑272, 2 °C.
Carbono (C): densidad = 2267 kg/m³ Teb = 4027 °C, Tf = 3527 °C.
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