Materia


En la física clásica y la química general, la materia es cualquier sustancia con masa y que ocupa un espacio al tener volumen.[1][2]​ Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos en última instancia por átomos, formados por partículas subatómicas que interactúan. En el uso cotidiano y científico, el término «materia» suele incluir los átomos y todo lo que esté formado por ellos, así como cualquier partícula (o partículas compuestas) que actúe como si tuviera masa en reposo y volumen. Sin embargo, esta noción de materia no incluye las partículas sin masa como los fotones u otros fenómenos energéticos u ondas como la luz o el calor.[1]: 21 [3]

La materia formada por átomos existe en varios estados (también conocidos como fases). Entre ellos se encuentran las fases clásicas de la vida cotidiana, como el sólido, el líquido y el gas —por ejemplo, el agua existe en forma de hielo, agua líquida y vapor gaseoso—, pero también son posibles otros estados, como el plasma, los condensados de Bose‑Einstein, los condensados fermiónicos y el plasma de cuarks‑gluones.[4]​ Normalmente, los átomos pueden imaginarse como un núcleo de protones y neutrones y una «nube» circundante de electrones en órbita que ocupan espacio.[5][6]​ Sin embargo, esto sólo es algo correcto porque las partículas subatómicas y sus propiedades se rigen por su naturaleza cuántica, lo que significa que no actúan como parecen actuar los objetos cotidianos, pueden actuar como ondas y como partículas. No tienen tamaños ni posiciones bien definidos. En el Modelo estándar de la física de partículas, la materia no es un concepto fundamental porque los constituyentes elementales de los átomos son entidades cuánticas que no tienen un «tamaño» o «volumen» inherente en ningún sentido ordinario de la palabra. Debido al principio de exclusión de Pauli y a otras interacciones fundamentales, algunas «partículas puntuales» conocidas como fermiones (cuarks, leptones), y muchos compuestos y átomos, se ven efectivamente obligados a mantener una distancia con otras partículas en condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos aparece como materia que ocupa espacio. Durante gran parte de la historia de las ciencias naturales, se ha contemplado la naturaleza exacta de la materia. La idea de que la materia estaba formada por bloques de construcción discretos, la llamada «teoría de las partículas de la materia», apareció de forma independiente en la antigua Grecia y en la antigua India en el i milenio a. C.[7]​ Entre los primeros filósofos que propusieron la «teoría de las partículas de la materia» se encuentran Kanada (ca. siglo VI a. C. o posterior),[8]Leucipo (~490 a. C.) y Demócrito (~470‑380 a. C.).[9]


El brillo púrpura del hidrógeno en su estado de plasma, el más abundante del universo
Distribución estimada de materia y energía oscura en el Universo, en la actualidad y en los momentos iniciales del universo[14]
Bajo la «definición basada en quarks y leptones», las partículas elementales y compuestas formados de cuarks (en púrpura) y leptones (en verde) serían la «materia»; mientras los bosones «izquierda» (en rojo) no serían materia. Sin embargo, la energía de interacción inherente a partículas compuestas (por ejemplo, gluones, que implica a los neutrones y los protones) contribuye a la masa de la materia ordinaria.
Estructura de cuarks de un protón: 2 cuarks arriba (up) y 1 cuark abajo (down).
Comparación entre la enana blanca IK 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.
Diagrama de fase de una sustancia típica a un volumen fijo. El eje vertical es la presión y el horizontal la temperatura. La línea verde marca el punto de congelación (por encima de la línea verde es sólido, por debajo es líquido), y la línea azul el punto de ebullición (por encima es líquido y por debajo es gas). Así, por ejemplo, a mayor t, es necesario una mayor p para mantener la sustancia en fase líquida. Las tres fases, líquido, gas y sólido, pueden coexistir en el punto triple. Por encima del punto crítico, no hay diferencia detectable entre las fases. La línea de puntos muestra el comportamiento anómalo del agua: el hielo se funde a una temperatura constante con el aumento de la presión.[51]
Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de la NASA, 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.
Estructura de quark de un protón: 2 quarks arriba y 1 quark abajo.
Diagrama de Segrè, 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.
Configuración de los orbitales sp². El carbono con hibridación sp2 se une con 3 átomos (dos enlaces simples y un doble enlace)
enlace σ entre dos átomos: localización de la densidad electrónica.
Dos orbitales p formando un orbital π.
La temperatura de un gas monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse. En esta animación, la relación del tamaño de los átomos de helio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950 atmósferas. Estos átomos a temperatura ambiente tienen una cierta velocidad media (aquí reducida dos billones de veces).
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.
Diagrama de energía de Gibbs del butano en función del ángulo diedro.
Muestra de lectura de bromometano (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 de bromometano.
Solvatación de un ion de sodio con agua.
Estructura del 2.2.2‑Criptando que encapsula un catión de potasio (violeta). En estado cristalino, obtenida mediante difracción de rayos X.[127]
Estructura del complejo de inclusión 3:1de urea 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).[130]
Clatrato de metano en plena combustión.