Composición química de la materia. Estados de agregación.
Sistemas de unidades y conversión de unidades.
Estructura del átomo: núcleo (protones y neutrones) y nube de electrones.
Aspectos básicos de los elementos: nombre, número atómico, número másico, masa atómica. Isótopos.
Composición química de la materia. Estados de agregación
La materia se define como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa [1]. Es todo lo que nos rodea y puede ser percibido por nuestros sentidos o detectado por instrumentos científicos. La materia está compuesta por partículas fundamentales llamadas átomos y moléculas, que son las unidades básicas que determinan sus propiedades y comportamiento [2].
Los átomos son las unidades más pequeñas de un elemento que conservan sus propiedades químicas. Están compuestos por un núcleo central que contiene protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones [3]. Los protones tienen carga eléctrica positiva, los neutrones son eléctricamente neutros y los electrones tienen carga negativa. El número de protones en el núcleo de un átomo determina la identidad del elemento químico al que pertenece [4].
Las moléculas son agrupaciones de dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Estos enlaces pueden ser covalentes, iónicos o metálicos, dependiendo de cómo se comparten o transfieren los electrones entre los átomos [5]. Las moléculas pueden estar formadas por átomos del mismo elemento (moléculas homonucleares) o por átomos de diferentes elementos (moléculas heteronucleares). Las propiedades de las moléculas dependen de su composición, estructura y tipo de enlaces químicos presentes [6].
La materia puede existir en diferentes estados de agregación, que son sólido, líquido y gaseoso. Cada estado de agregación tiene características distintas en términos de volumen, forma e interacciones intermoleculares [7]. Estas diferencias se deben a la disposición y el comportamiento de las partículas (átomos o moléculas) que componen la materia en cada estado.
En el estado sólido, las partículas están estrechamente empaquetadas y vibran en posiciones fijas, lo que resulta en una forma y volumen definidos [8]. Las fuerzas intermoleculares entre las partículas son fuertes, lo que les da a los sólidos su rigidez y estructura definida. Ejemplos de sólidos incluyen metales, minerales, madera y la mayoría de los materiales cotidianos que nos rodean.
En el estado líquido, las partículas tienen mayor libertad de movimiento pero aún están relativamente cerca entre sí [9]. Las fuerzas intermoleculares son más débiles que en los sólidos, lo que permite que los líquidos fluyan y adopten la forma del recipiente que los contiene, manteniendo un volumen constante. Los líquidos tienen la capacidad de fluir debido a que sus partículas pueden deslizarse unas sobre otras. Ejemplos de líquidos incluyen agua, aceite, leche y la mayoría de las bebidas que consumimos.
En el estado gaseoso, las partículas están ampliamente separadas y se mueven de manera caótica, lo que hace que los gases no tengan forma ni volumen fijos y puedan expandirse para llenar completamente el recipiente que los contiene [10]. Las fuerzas intermoleculares entre las partículas de un gas son muy débiles, lo que les permite moverse libremente y separarse entre sí. Ejemplos de gases incluyen el aire que respiramos, el dióxido de carbono, el helio y el vapor de agua.
Figura 1. Estados de agregación de la materia.
Las transiciones entre estos estados de agregación ocurren mediante procesos físicos que implican la absorción o liberación de energía térmica [11]. Cuando un sólido se calienta, las partículas vibran con más energía hasta que las fuerzas intermoleculares se debilitan lo suficiente como para permitir que las partículas se muevan más libremente, lo que resulta en la fusión del sólido y su transición al estado líquido. Si se continúa calentando el líquido, las partículas ganan aún más energía cinética y eventualmente tienen suficiente energía para superar las fuerzas intermoleculares y escapar de la superficie del líquido, lo que resulta en la evaporación y la transición al estado gaseoso [12].
Por otro lado, cuando un gas se enfría, las partículas pierden energía cinética y se mueven más lentamente. A medida que se reduce la temperatura, las fuerzas intermoleculares comienzan a atraer a las partículas entre sí, lo que resulta en la condensación del gas y su transición al estado líquido. Si se continúa enfriando el líquido, las partículas pierden aún más energía y eventualmente se ordenan en posiciones fijas, lo que resulta en la solidificación y la transición al estado sólido [13].
Estos cambios de estado implican la absorción o liberación de energía térmica, lo que afecta la energía cinética y potencial de las partículas y, por lo tanto, su disposición e interacciones. La energía cinética está relacionada con el movimiento de las partículas, mientras que la energía potencial está relacionada con la posición de las partículas y las fuerzas intermoleculares entre ellas [14].
Además de los tres estados de agregación principales (sólido, líquido y gaseoso), la materia también puede existir en otros estados, como el plasma y el condensado de Bose-Einstein. El plasma es un estado de la materia en el que los electrones se separan de los átomos, formando un gas ionizado que es altamente conductivo y responde a campos electromagnéticos [15]. Los plasmas se encuentran en las estrellas, los relámpagos y las lámparas de neón. El condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se forma cuando ciertas partículas, llamadas bosones, se enfrían a temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En este estado, las partículas exhiben propiedades cuánticas macroscópicas y se comportan como una sola entidad coherente [16].
La comprensión de la composición química de la materia y sus estados de agregación es fundamental para el estudio de la química y otras ciencias relacionadas. Esta comprensión nos permite explicar y predecir el comportamiento de las sustancias, así como desarrollar nuevos materiales y tecnologías que aprovechan las propiedades únicas de la materia en sus diferentes formas [17].
En resumen, la materia está compuesta por átomos y moléculas, las unidades básicas que determinan sus propiedades y comportamiento. Puede existir en diferentes estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso), cada uno con características distintas en términos de volumen, forma e interacciones intermoleculares. Las transiciones entre estos estados implican la absorción o liberación de energía térmica y afectan la disposición y el comportamiento de las partículas que componen la materia. El estudio de la composición química de la materia y sus estados de agregación es esencial para comprender el mundo que nos rodea y desarrollar soluciones a los desafíos científicos y tecnológicos que enfrentamos.
Referencias
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[11] Chang, R., & Overby, J. (2019). Chemistry (13th ed.). McGraw-Hill Education. https://doi.org/10.1021/ed100900v
[12] Atkins, P., de Paula, J., & Keeler, J. (2018). Atkins' Physical Chemistry (11th ed.). Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780198769866.001.0001
[13] Silberberg, M. S., & Amateis, P. G. (2020). Principles of General Chemistry (4th ed.). McGraw-Hill Education. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c00805
[14] McQuarrie, D. A., & Simon, J. D. (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach. University Science Books. https://doi.org/10.1021/ed076p571
[15] Gurnett, D. A., & Bhattacharjee, A. (2017). Introduction to Plasma Physics: With Space, Laboratory and Astrophysical Applications (2nd ed.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781139226059
[16] Pitaevskii, L., & Stringari, S. (2016). Bose-Einstein Condensation and Superfluidity. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198758884.001.0001
[17] Fahlman, B. D. (2018). Materials Chemistry (3rd ed.). Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1255-0
Figura 2. Viaje al corazón de la materia: ¿de qué estamos hechos?
Figura 3. Sistemas internacional de unidades.
Figura 4. Estructura del átomo.
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