Materia: origen, propiedades, estados y ejemplos

La materia es aquello que posee masa, ocupa un lugar en el espacio y es capaz de interactuar gravitatoriamente. Todo el universo está formado de materia, teniendo esta su origen justo después del Big Bang.

La materia está presente en cuatro estados: sólido, líquido, gaseoso y plasmático. Este último tiene muchas similitudes con el gaseoso pero, al tener particularidades únicas, lo convierten en la cuarta forma de agregación.

La materia está compuesta por átomos. Los átomos están formados por neutrones, protones y electrones

Las propiedades de la materia se dividen en dos categorías: generales y características. Las generales permiten distinguir la materia de lo que no lo es. Por ejemplo, la masa es una característica de la materia, así como la carga eléctrica, el volumen y la temperatura. Estas propiedades son comunes para cualquier sustancia.

A su vez, las características son las propiedades particulares mediante las cuales se distingue un tipo de materia de otra. A esta categoría pertenecen la densidad, el color, la dureza, la viscosidad, la conductividad, el punto de fusión, el módulo de compresibilidad y muchas más.

¿De qué está hecha la materia?

Los átomos son los bloques constitutivos de la materia. A su vez, los átomos están compuestos de protones, electrones y neutrones.

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una característica intrínseca de las partículas que componen la materia. Los protones poseen carga positiva y los electrones carga negativa, careciendo los neutrones de carga eléctrica.

En el átomo, los protones y electrones se encuentran en igual cantidad, por lo tanto el átomo -y la materia en general- suele encontrarse en estado neutro.

Ilustración que representa un átomo. Los protones y neutrones se encuentran en un mismo número en el núcleo. Los electrones se encuentran en distintos niveles orbitales alrededor del núcleo

Origen de la materia

El origen de la materia está en los momentos iniciales de la formación del universo, etapa en la que se empezaron a formar los elementos ligeros como el helio, el litio y el deuterio (un isótopo del hidrógeno).

NASA/WMAP Science Team/ Art by Dana Berry [Public domain]

A esta fase se la conoce como nucleosíntesis del Big Bang, el proceso de generación de núcleos atómicos a partir de sus constituyentes: protones y neutrones. Breves instantes después del Big Bang, el universo se fue enfriando y los protones y neutrones se unieron para conformar los núcleos atómicos.

Formación de estrellas y origen de elementos

Posteriormente, al formarse las estrellas, los núcleos de estas fueron sintetizando los elementos más pesados mediante procesos de fusión nuclear. De esta forma tuvo su origen la materia ordinaria, de la cual se forman todos los objetos que se conocen en el universo, incluyendo los seres vivos.

Sin embargo, los científicos actualmente creen que el universo no está constituido en su totalidad por materia ordinaria. La densidad existente de esta materia, no explica muchas de las observaciones cosmológicas, como la expansión del universo y la velocidad de las estrellas en las galaxias.

Las estrellas se mueven más rápido de lo que predice la densidad de materia ordinaria, por ello se postula la existencia de una materia no visible que es la responsable. Se trata de la materia oscura. 

También se postula la existencia de una tercera clase de materia, asociada a lo que se conoce como energía oscura. Recordemos que la materia y la energía son equivalentes, de acuerdo a lo señalado por Einstein.

Lo que describiremos a continuación se refiere exclusivamente a la materia ordinaria de la que estamos hechos, la que posee masa y otras características generales y muchas muy específicas, según el tipo de materia.

Propiedades de la materia

– Propiedades generales

Las propiedades generales de la materia son comunes a toda ella. Por ejemplo, un trozo de madera y uno de metal tienen masa, ocupan un volumen y se encuentran a una determinada temperatura. 

Masa, peso e inercia

Masa y peso son términos que se confunden con frecuencia. Sin embargo hay una diferencia fundamental entre ellos: la masa de un cuerpo es la misma -a menos que experimente un pérdida- pero el peso de ese mismo objeto puede cambiar. Sabemos que el peso en la Tierra y en la Luna no es el mismo, ya que la gravedad de la Tierra es mayor.

Por esto, la masa es una cantidad escalar, mientras que el peso es vectorial. Esto significa que el peso de un objeto tiene magnitud, dirección y sentido, porque es la fuerza con que la Tierra -o la Luna u otro objeto astronómico- atrae al objeto hacia su centro. Aquí la dirección y el sentido son “hacia el centro”, mientras que la magnitud corresponde a la parte numérica.

Para expresar la masa basta un número y una unidad. Por ejemplo se habla de un kilo de maíz, o una tonelada de acero. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la unidad para la masa es el kilogramo.

Otra cosa que sabemos con certeza, por la experiencia cotidiana, es que es más difícil mover objetos muy masivos que a los más ligeros. A estos últimos les resulta más fácil cambiar de movimiento. Se trata de una propiedad de la materia llamada inercia, la cual se mide a través de la masa.

Volumen

La materia ocupa una cierta cantidad del espacio, la cual no es ocupada por alguna otra materia. Esta es por lo tanto, impenetrable, lo cual quiere decir que ofrece resistencia a que otra materia ocupe el mismo lugar.

Por ejemplo al empapar una esponja, el líquido se ubica en los poros de la esponja, sin ocupar el mismo sitio que ella. Lo mismo ocurre con las rocas porosas y fracturadas que contienen petróleo.

Temperatura

Los átomos se organizan en moléculas para darle estructura a la materia, pero una vez logrado, estas partículas no se encuentran en equilibrio estático. Al contrario, tienen un movimiento vibratorio característico, que depende entre otras cosas de la disposición que tengan. 

Este movimiento está asociado a la energía interna de la materia, la cual se mide a través de la temperatura.

– Propiedades características

Son numerosas y su estudio contribuye a caracterizar las distintas interacciones que la materia es capaz de establecer. Una de las más importantes es la densidad: un kilo de hierro y otro de madera pesan lo mismo, pero el kilo de hierro ocupa menos volumen que el kilo de madera.

La densidad es la relación entre la masa y el volumen que ocupa. Cada material tiene una densidad que le es característica, si bien no es invariable, ya que la temperatura y la presión pueden ejercer importantes modificaciones.

Otra propiedad muy particular es la elasticidad. No todos los materiales tienen el mismo comportamiento cuando se los estira o comprime. Algunos oponen mucha resistencia, otros en cambio son fácilmente deformables.

De esta manera tenemos numerosas propiedades de la materia que caracterizan su comportamiento ante infinidad de situaciones.

Estados de la materia

Agua en estado líquido, sólido y gaseoso.

La materia se nos presenta en estados de agregación, según sea la fuerza cohesiva entre las partículas que la componen. De esta manera se tienen cuatro estados que ocurren de manera natural:

-Sólidos

-Líquidos

-Gases

-Plasma

Sólidos

La materia en estado sólido tiene una forma muy bien definida, ya que las partículas constituyentes están altamente cohesionadas. Además tiene una buena respuesta elástica, ya que cuando se deforma, la materia en estado sólido tiende a volver a su estado original.

Líquidos

Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene, pero aún así, poseen un volumen bien definido, ya que las uniones moleculares, si bien más flexibles que en los sólidos, aún brindan suficiente cohesión.

Gases

La materia en estado gaseoso se caracteriza porque sus partículas constituyentes no están unidas con fuerza. De hecho poseen gran movilidad, y por eso los gases carecen de forma y se expanden hasta llenar el volumen del recipiente que los contiene.

Los tres estados más conocidos de la materia. 

Plasma

El plasma es materia en estado gaseoso y además ionizada. Ya con anterioridad se había mencionado que, por lo general, la materia está en estado neutro, pero en el caso del plasma, uno o más electrones se han separado del átomo y lo han dejado con carga neta.

Aunque el plasma es el menos familiar de los estados de la materia, lo cierto es que abunda en el universo. Por ejemplo, en la atmósfera exterior de la Tierra existe el plasma, así como en el Sol y las demás estrellas.

En el laboratorio es posible crear plasma calentando un gas hasta que los electrones se separan de los átomos, o también bombardeando el gas con radiación de alta energía.

Ejemplos de materia

Objetos comunes

Cualquier objeto común está hecho de materia, como:

• Un libro

• Una silla

• Una mesa

• La madera

• El vidrio.

Materia elemental

En la materia elemental nos encontramos los elementos que componen la tabla periódica de los elementos, los cuales son la parte más elemental de la materia. Todos los objetos que componen la materia pueden descomponerse en estos elementos pequeños.

• Aluminio

• Bario

• Argón

• Boro

• Calcio

• Galio

• Indio.

Materia orgánica

Es la materia creada por organismos vivientes y basada en la química del carbono, un elemento ligero y con facilidad para formar enlaces covalentes. Los compuestos orgánicos son largas cadenas de moléculas con mucha versatilidad y la vida se sirve de ellos para llevar a cabo sus funciones.

Antimateria

Es un tipo de materia en la cual los electrones tienen carga positiva (positrones) y los protones (antiprotones) tienen carga negativa. Los neutrones, si bien neutros en carga, también tienen su antipartícula llamada anti-neutrón, hecho de antiquarks. 

Las partículas de antimateria tienen la misma masa que las de materia y se producen en la naturaleza.En los rayos cósmicos, la radiación que procede del espacio exterior, se han detectado positrones desde 1932. Y en los laboratorios se han producido antipartículas de toda clase, mediante el uso de aceleradores nucleares.

Inclusive se creó un anti-átomo artificial, compuesto de un positrón orbitando a un antiprotón. No perduró durante mucho tiempo, ya que la antimateria se aniquila en presencia de la materia, produciendo energía.

Materia oscura

La materia de la que se compone la Tierra también se encuentra en el resto del universo. Los núcleos de las estrellas actúan como gigantescos reactores de fisión en los cuales se crean continuamente átomos más pesados que el hidrógeno y el helio.

Sin embargo, como hemos dicho anteriormente, el comportamiento del universo hace pensar en una densidad mucho mayor de la que se observa. La explicación puede estar en un tipo de materia que no se ve, pero que produce unos efectos que sí se pueden observar y que se traducen en fuerzas gravitatorias más intensas de lo que produce la densidad de materia observable.

Se cree que la materia y la energía oscura forman hasta un 90% del universo (la primera aportando un 25% del total). Así pues, tan solo un 10% de materia ordinaria y el resto sería energía oscura, que estaría distribuida en forma homogénea por todo el universo.

¿De dónde nace la materia?

Todo lo que vemos, desde nuestros cuerpos hasta nuestros coches y las estrellas está hecho de materia. ¿Qué es la materia?

Dónde nace la materia

La teoría de Big Bang explica de donde nace la materia. partiendo de que el universo fue originariamente una partícula hiperconcentrada, que contenía toda la energía y la materia que conocemos, muy densamente acumulada. El hecho de que el universo esté lleno de masa es algo que los físicos no se pueden explicar, ya que se crearon cantidades iguales de materia y antimateria en el nacimiento del universo. Pero a medida que la temperatura fue bajando y el universo se fue agrandando aparecieron nuevas estructuras que dieron lugar a la materia tal cual la conocemos hoy.

El principio hasta el fin del universo: desde donde nace la materia

El universo ideó los primeros elementos a los pocos minutos de su nacimiento, a través del proceso de nucleosíntesis del Big Bang. Hace unos 2500 años, el filósofo griego Demócrito estableció por primera vez que los objetos estaban hechos de átomos. Hasta que surgió hace unos 200 años el trabajo del químico y físico inglés John Dalton que desarrolló la teoría del átomo.

A mediados del siglo XIX, los científicos comenzaron a clasificar a los elementos que se encuentran comúnmente en la Tierra. Los astrónomos se equiparon de telescopios con una mira espectroscópica para saber de qué está hecho en realidad el universo y de dónde nace la materia.   

El principal objetivo de los primeros espectroscopios era obviamente el Sol. Cuando los astrónomos observaron nuestro astro rey durante un eclipse de Luna, encontraron una línea espectral misteriosa que no correspondía a ningún elemento habitual en la Tierra. La sustancia se denominó helio, que en griego significa sol.

Los primeros objetivos tenían en la mira también a las estrellas y nebulosas planetarias, pero finalmente el objetivo se extendió hacia todos los objetos astronómicos.

Hoy sabemos por el estudio del cielo profundo, que algunos elementos comunes que se encuentran en la Tierra han existido desde un principio de la vida en el cosmos. Creados en los primeros minutos del universo a través del proceso del Big Bang y determinando también cómo nace la materia.

Orígenes elementales

El universo no creó todos los elementos al mismo tiempo, ya que cada uno tiene diferentes vías de formación. Si nos vamos a los primeros momentos de formación del mundo hasta que nace la materia, encontraremos que estaba dominado por los bloques de construcción atómicos más pequeños.

Tiempo después unas millonésimas de segundos de su nacimiento, el universo formó protones (hidrógeno) y neutrones a medida que se expandía y enfriaba rápidamente.

Esto es parte del desarrollo de la confirmación de la historia del origen de nuestro cosmos, así como también de todo el proceso de nucleosíntesis del Big Bang.

Se trata de un gran ejemplo de como la astronomía permite a los científicos sondear los primeros momentos del universo, durante el breve período de tiempo en que se formó la primera materia.