La materia es una sustancia que tiene inercia y ocupa espacio físico. Según la física moderna, la materia consiste en varios tipos de partículas, cada una con masa y tamaño.
Los ejemplos más conocidos de partículas materiales son el electrón, el protón y el neutrón. Combinaciones de estas partículas forman átomos. Existen más de 100 tipos diferentes de átomos, cada uno de los cuales constituye un elemento químico único. Una combinación de átomos forma una molécula. Los átomos y/o moléculas pueden unirse para formar un compuesto, estos a su vez se combinan con otros para formar tejidos o compuestos muy complejos.
Estados y fases de la materia
La materia puede existir en varios estados, también llamados fases. Los tres estados más comunes se conocen como sólidos, líquidos y gaseosos. Un solo elemento o compuesto de materia puede existir en más de uno de los tres estados, dependiendo de la temperatura y presión. Los estados menos familiares de la materia incluyen plasma, espuma y condensado. Estos estados se dan en condiciones especiales.
Diferentes tipos de materia pueden combinarse para formar sustancias que no se asemejan a ninguno de los “”ingredientes”” originales. Por ejemplo, el hidrógeno (un elemento gaseoso) y el oxígeno (otro elemento gaseoso) se combinan para formar agua (un compuesto líquido a temperatura ambiente). El proceso de tal combinación se llama reacción química. Una reacción química involucra interacciones entre los electrones de los átomos, pero no afecta el núcleo de los átomos.
En algunas situaciones, la materia se convierte en energía mediante reacciones atómicas, también conocidas como reacciones nucleares. Este tipo de reacción es fundamentalmente diferente de la reacción química porque implica cambios en los núcleos de los átomos. El ejemplo más común de una reacción atómica es la fusión de hidrógeno que ocurre dentro del sol. La inmensa presión dentro del sol, y dentro de otras estrellas, fuerza a los átomos de hidrógeno a formar átomos de helio. En este proceso, parte de la masa se convierte en energía según la fórmula.
Donde E es la energía en julios, m es la masa en kilogramos, y C es la velocidad de la luz, que es aproximadamente 2.99792 x 108 metros por segundo en el vacío.
En los últimos años, los científicos han confirmado la existencia de una sustancia llamada antimateria. El electrón tiene un gemelo antipartículas llamado positrón, con igual masa pero de carga eléctrica opuesta. Del mismo modo, el protón tiene un gemelo antimateria llamado antiprotón, y el neutrón tiene un gemelo antimateria llamado anti neutrón. Si una partícula de materia encuentra su antipartícula, ambas se convierten completamente en energía de acuerdo con la fórmula anterior, donde m es la masa combinada de la partícula y la antipartícula. Se han aislado pequeñas cantidades de antimateria en condiciones de laboratorio, pero nadie ha logrado aún crear una reacción controlada de materia/antimateria, o incluso una reacción incontrolada de tamaño significativo.
Química: La Ciencia Central
La química es a veces conocida como “la ciencia central” debido a su interconexión con una amplia gama de otras disciplinas como los campos de la ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas. La química y el lenguaje de los químicos juegan un papel vital en biología, medicina, ciencia de los materiales, ciencia forense, ciencias ambientales y muchos otros campos.
Los principios básicos de la física son esenciales para comprender muchos aspectos de la química, y existe una amplia superposición entre muchas subdisciplinas dentro de los dos campos, como la física-química y la química nuclear. Las matemáticas, la informática y la teoría de la información proporcionan herramientas importantes que nos ayudan a calcular, interpretar, describir y, dar sentido al mundo químico. La biología y la química convergen en la bioquímica, que es crucial para comprender los muchos factores y procesos complejos que mantienen vivos a los organismos vivos (como nosotros). La ingeniería química, la ciencia de los materiales y la nanotecnología combinan principios químicos y hallazgos empíricos para producir sustancias útiles, que van desde la gasolina hasta los tejidos y la electrónica. La agricultura, la ciencia de la alimentación, la ciencia veterinaria y la elaboración de cerveza y vino ayudan a proporcionar sustento en forma de alimentos y bebidas a la población mundial. La medicina, la farmacología, la biotecnología y la botánica identifican y producen sustancias que nos ayudan a mantenernos sanos. La ciencia ambiental, la geología, la oceanografía y la ciencia atmosférica incorporan muchas ideas químicas para ayudarnos a entender y proteger mejor nuestro mundo físico. Las ideas químicas se utilizan para ayudar a entender el universo en astronomía y cosmología.El conocimiento de la química es fundamental para comprender una amplia gama de disciplinas científicas.
¿Cuáles son algunos cambios en la materia que son esenciales para la vida cotidiana?
Digerir y asimilar alimentos, sintetizar polímeros que se utilizan para fabricar ropa, recipientes, utensilios de cocina y tarjetas de crédito, y refinar petróleo crudo en gasolina y otros productos son sólo algunos ejemplos. A medida que avanzan en este curso, descubrirán muchos ejemplos diferentes de cambios en la composición y estructura de la materia, cómo clasificar estos cambios y cómo ocurrieron, sus causas, los cambios en la energía que los acompaña, y los principios y leyes involucradas. A medida que usted aprenda sobre estas cosas, aprenderá química, el estudio de la composición, propiedades e interacciones de la materia. La práctica de la química no se limita solo a los libros o laboratorios de química: ocurre cuando alguien está involucrado en cambios en la materia o en condiciones que pueden llevar a tales cambios.
Los dominios de la química
Los químicos estudian y describen el comportamiento de la materia y la energía en tres dominios diferentes: macroscópico, microscópico y simbólico. Estos dominios proporcionan diferentes maneras de considerar y describir el comportamiento químico.
Macro es una palabra griega que significa “grande“, el dominio macroscópico nos resulta familiar: es el reino de las cosas cotidianas que son lo suficientemente grandes como para ser percibidas directamente por la vista o el tacto humano. En la vida diaria, esto incluye los alimentos que comes y la brisa que sientes en tu cara. El dominio macroscópico incluye la química diaria y de laboratorio, donde observamos y medimos propiedades físicas y químicas, o cambios como la densidad, solubilidad e inflamabilidad.
El dominio microscópico de la química es casi siempre visitado en la imaginación. Algunos aspectos de los dominios microscópicos son visibles a través de un microscopio, como una imagen magnificada de grafito o bacterias. Los virus, por ejemplo, son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista, pero cuando estamos padeciendo un resfriado, se nos recuerda lo reales que son.
Sin embargo, la mayoría de los sujetos en el dominio microscópico de la química (tales como átomos y moléculas) son demasiado pequeños para ser vistos incluso con microscopios estándar y a menudo deben ser ilustrados en la mente. Otros componentes del dominio microscópico incluyen iones y electrones, protones y neutrones, y enlaces químicos, cada uno de los cuales es demasiado pequeño para ser visto. Este dominio incluye los átomos metálicos individuales en un alambre, los iones que componen un cristal de sal, los cambios en las moléculas individuales que resultan en un cambio de color, la conversión de moléculas de nutrientes en tejido y energía, y la evolución del calor como enlaces que mantienen a los átomos juntos son creados.
El dominio simbólico contiene el lenguaje especializado utilizado para representar componentes de los dominios macroscópico y microscópico. Símbolos químicos (como los utilizados en la tabla periódica), fórmulas químicas y ecuaciones químicas forman parte del dominio simbólico, al igual que los gráficos y dibujos. También podemos considerar los cálculos como parte del dominio simbólico. Estos símbolos juegan un papel importante en la química porque ayudan a interpretar el comportamiento del dominio macroscópico en términos de los componentes del dominio microscópico. Uno de los desafíos para los estudiantes que aprenden química es reconocer que los mismos símbolos pueden representar cosas diferentes en los dominios macroscópico y microscópico, y una de las características que hace fascinante a la química es el uso de un dominio que debe ser imaginado para explicar el comportamiento en un dominio que puede ser observado.
Una manera útil de entender los tres dominios es a través de la sustancia esencial como lo es el agua. El agua es un líquido a temperaturas moderadas, se congela para formar un sólido a temperaturas más bajas, y a temperaturas elevadas se transforma en un gas. Pero algunas propiedades del agua caen en el dominio microscópico: lo que no podemos observar a simple vista. La descripción del agua como compuesto: Está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, y la explicación de la congelación y ebullición en términos de atracciones entre las moléculas, está dentro del dominio microscópico. La fórmula H2O, que puede describir el agua a nivel macroscópico o microscópico, es un ejemplo del dominio simbólico. Las abreviaturas (g) de gas, (s) de sólido y (l) de líquido también son simbólicas.
La alquimia y la materia a través de la historia
A lo largo de la historia humana, las personas han tratado de convertir la materia en formas más útiles. Nuestros antepasados de la Edad de Piedra moldearon, y le dieron forma a pedazos de piedras para convertirlos en útiles herramientas. Estos esfuerzos implicaron cambiar la forma de una sustancia sin cambiar la sustancia misma. Pero a medida que aumentaba nuestro conocimiento, los seres humanos comenzaron a cambiar la composición de las sustancias, por ejemplo: la arcilla se convertía en cerámica, las pieles en prendas de vestir, los minerales de cobre se transformaban en herramientas y armas, y el grano se transformaba en pan.
Los humanos comenzaron a practicar la química cuando aprendieron a controlar el fuego y a usarlo para cocinar, hacer alfarería (Arte y técnica de fabricar objetos de barro cocido) y fundir metales. Posteriormente, comenzaron a separar y utilizar componentes específicos de la materia. Una variedad de medicamentos como el aloe y el opio fueron aislados de las plantas. Se extrajeron colorantes, como el añil y la purpura de Tiro, de la materia vegetal y animal. Los metales se combinaban para formar aleaciones, por ejemplo: el cobre y el estaño se mezclaban para hacer bronce y las técnicas de fundición más elaboradas producían hierro. Los jabones se preparan combinando los álcalis (conjunto de sustancias producidas a partir de los metales alcalinos) con las grasas. El alcohol fue producido por fermentación y purificado por destilación.
Los intentos por comprender el comportamiento de la materia se remontan a más de 2500 años. Ya en el siglo VI a.C., los filósofos griegos discutieron un sistema en el que el agua era la base de todas las cosas. Seguramente habras leido o escuchado hablar sobre el postulado griego de que la materia consiste en cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Posteriormente, una amalgama de tecnologías químicas y especulaciones filosóficas se extendió desde Egipto, China y el Mediterráneo oriental por medio de alquimistas, que trataron de transformar “metales básicos” como el plomo en “metales nobles” como el oro, y de crear elixires para curar enfermedades y extender la vida.
Este retrato muestra el taller de un alquimista. Aunque la alquimia hizo algunas contribuciones útiles para manipular la materia, no era científica según los estándares modernos.
De la alquimia vinieron las progresiones históricas que llevaron a la química moderna: el aislamiento de las drogas de fuentes naturales, la metalurgia y la industria de tintes. Hoy en día, la química continúa profundizando nuestro entendimiento y mejorando nuestra habilidad para dominar y controlar el comportamiento de la materia. Este esfuerzo ha sido tan exitoso que muchas personas no se dan cuenta ni de la posición central de la química entre las ciencias ni de la importancia y universalidad de la química en la vida cotidiana.
Resumen: La química y La materia
La química se ocupa de la composición, estructura y propiedades de la materia, y de las formas en que se pueden interconvertir varias formas de materia. Por lo tanto, ocupa un lugar central en el estudio y la práctica de la ciencia y la tecnología. Los químicos usan el método científico para realizar experimentos, plantear hipótesis, formular leyes y desarrollar teorías para que puedan comprender mejor el comportamiento del mundo natural. Para ello operan en los dominios macroscópico, microscópico y simbólico. Los químicos miden, analizan, purifican y sintetizan una amplia variedad de sustancias que son importantes para nuestras vidas.
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