La materia es el «material» que compone el universo: todo lo que ocupa espacio y tiene masa es materia.
Toda la materia está formada por átomos, que a su vez están formados por protones, neutrones y electrones.
Los átomos se unen para formar moléculas, que son los bloques de construcción de todos los tipos de materia, según la Universidad Estatal de Washington. Tanto los átomos como las moléculas se mantienen unidos por una forma de energía potencial llamada energía química. A diferencia de la energía cinética, que es la energía de un objeto en movimiento, la energía potencial es la energía almacenada en un objeto.
Las cinco fases de la materia
Existen cuatro estados naturales de la materia: Sólidos, líquidos, gases y plasma. El quinto estado son los condensados de Bose-Einstein creados por el hombre.
Sólidos
En un sólido, las partículas están muy juntas, por lo que no se mueven mucho. Los electrones de cada átomo están en constante movimiento, por lo que los átomos tienen una pequeña vibración, pero están fijos en su posición. Debido a esto, las partículas de un sólido tienen una energía cinética muy baja.
Los sólidos tienen una forma definida, así como masa y volumen, y no se ajustan a la forma del recipiente en el que se colocan. Los sólidos también tienen una alta densidad, lo que significa que las partículas están muy juntas.
Líquidos
En un líquido, las partículas están más sueltas que en un sólido y pueden fluir unas alrededor de otras, dando al líquido una forma indefinida. Por lo tanto, el líquido se ajustará a la forma de su recipiente.
Al igual que los sólidos, los líquidos (la mayoría de los cuales tienen una densidad menor que los sólidos) son increíblemente difíciles de comprimir.
Gases
En un gas, las partículas tienen mucho espacio entre ellas y tienen una gran energía cinética. Un gas no tiene forma ni volumen definidos. Si no está confinado, las partículas de un gas se extenderán indefinidamente; si está confinado, el gas se expandirá hasta llenar su recipiente. Cuando un gas se somete a presión reduciendo el volumen del recipiente, el espacio entre las partículas se reduce y el gas se comprime.
El plasma
El plasma no es un estado común de la materia aquí en la Tierra, pero puede ser el estado más común de la materia en el universo, según el Laboratorio Jefferson. Las estrellas son esencialmente bolas de plasma sobrecalentadas.
El plasma está formado por partículas altamente cargadas con una energía cinética extremadamente alta. Los gases nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) se utilizan a menudo para hacer señales luminosas utilizando la electricidad para ionizarlos al estado de plasma.
Condensado de Bose-Einstein
El condensado de Bose-Einstein (BEC) fue creado por científicos en 1995. Utilizando una combinación de láseres e imanes, Eric Cornell y Carl Weiman, científicos del Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) en Boulder, Colorado, enfriaron una muestra de rubidio a unos pocos grados del cero absoluto. A esta temperatura extremadamente baja, el movimiento molecular está muy cerca de detenerse. Como casi no se transfiere energía cinética de un átomo a otro, los átomos comienzan a agruparse. Ya no hay miles de átomos separados, sólo un «superátomo».
Un BEC se utiliza para estudiar la mecánica cuántica a nivel macroscópico. La luz parece ralentizarse al pasar por un BEC, lo que permite a los científicos estudiar la paradoja partícula/onda. Un BEC también tiene muchas de las propiedades de un superfluido, o un fluido que fluye sin fricción. Los BEC también se utilizan para simular las condiciones que podrían existir en los agujeros negros.
Pasar de fase
Añadir o quitar energía a la materia provoca un cambio físico al pasar la materia de un estado a otro. Por ejemplo, añadir energía térmica (calor) al agua líquida hace que se convierta en vapor (un gas). Y la eliminación de energía del agua líquida hace que se convierta en hielo (un sólido). Los cambios físicos también pueden ser causados por el movimiento y la presión.
Fusión y congelación
Cuando se aplica calor a un sólido, sus partículas comienzan a vibrar más rápido y se alejan. Cuando la sustancia alcanza una determinada combinación de temperatura y presión, su punto de fusión, el sólido comenzará a fundirse y se convertirá en líquido.
Cuando dos estados de la materia, como el sólido y el líquido, se encuentran en la temperatura y la presión de equilibrio, el calor adicional que se añada al sistema no hará que la temperatura general de la sustancia aumente hasta que toda la muestra alcance el mismo estado físico. Por ejemplo, si ponemos hielo en un vaso de agua y lo dejamos a temperatura ambiente, el hielo y el agua acabarán alcanzando la misma temperatura. A medida que el hielo se derrita por el calor procedente del agua, permanecerá a cero grados centígrados hasta que todo el cubito se derrita antes de seguir calentándose.
Cuando se elimina el calor de un líquido, sus partículas se ralentizan y comienzan a asentarse en un lugar dentro de la sustancia. Cuando la sustancia alcanza una temperatura suficientemente fría a una determinada presión, el punto de congelación, el líquido se convierte en un sólido.
La mayoría de los líquidos se contraen al congelarse. El agua, sin embargo, se expande cuando se congela y se convierte en hielo, haciendo que las moléculas se separen más y disminuya la densidad, razón por la cual el hielo flota sobre el agua.
Añadir sustancias adicionales, como la sal en el agua, puede alterar tanto el punto de fusión como el de congelación. Por ejemplo, si se añade sal a la nieve, disminuirá la temperatura a la que se congela el agua en las carreteras, haciéndola más segura para los conductores.
También hay un punto, conocido como punto triple, en el que existen simultáneamente sólidos, líquidos y gases. El agua, por ejemplo, existe en los tres estados a una temperatura de 273,16 Kelvin y una presión de 611,2 pascales.
Sublimación
Cuando un sólido se convierte directamente en gas sin pasar por una fase líquida, el proceso se conoce como sublimación. Esto puede ocurrir cuando la temperatura de la muestra se incrementa rápidamente por encima del punto de ebullición (vaporización instantánea) o cuando una sustancia se «liofiliza» enfriándola en condiciones de vacío para que el agua de la sustancia sufra una sublimación y se elimine de la muestra. Unas pocas sustancias volátiles experimentan la sublimación a temperatura y presión ambiente, como el dióxido de carbono congelado o el hielo seco.
La vaporización
Es la conversión de un líquido en un gas y puede producirse mediante la evaporación o la ebullición.
Debido a que las partículas de un líquido están en constante movimiento, chocan frecuentemente entre sí. Cada colisión también hace que se transfiera energía, y cuando se transfiere suficiente energía a las partículas cercanas a la superficie, éstas pueden salir completamente de la muestra como partículas de gas libres. Los líquidos se enfrían al evaporarse porque la energía transferida a las moléculas de la superficie, que provoca su escape, se lleva con ellas.
El líquido hierve cuando se añade suficiente calor a un líquido para que se formen burbujas de vapor por debajo de la superficie. Este punto de ebullición es la temperatura y la presión a la que un líquido se convierte en gas.
La condensación y la deposición
La condensación se produce cuando un gas pierde energía y se une para formar un líquido. Por ejemplo, el vapor de agua se condensa en agua líquida.
La deposición se produce cuando un gas se transforma directamente en un sólido, sin pasar por la fase líquida. El vapor de agua se convierte en hielo o escarcha cuando el aire que toca un sólido, como una brizna de hierba, es más frío que el resto del aire.
Recursos adicionales:
- Mira: Creación de un condensado de Bose-Einstein, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
- Aprende de dónde procede la materia del universo, de Ask an Astronomer de la Universidad de Cornell.
- Lee más sobre la materia, los elementos y los átomos, de la Khan Academy.
Este artículo fue actualizado el 21 de agosto de 2019 por la colaboradora de Live Science Rachel Ross.