Propiedades y cambios de la materia

¿Qué es la materia?

Una de las preguntas que siempre hemos tratado de responder es: ¿de qué estamos hechos?, ¿de qué se compone la materia?

Supongamos que tomamos un trozo de materia, un trozo de madera, por ejemplo. Si lo partimos, conseguiremos dos o más trozos o componentes. Ahora bien, ¿es esta la estructura fundamental de la materia? Seguramente no, pues es factible descomponer cada trozo por sí mismo.

¿A qué nos conduce este razonamiento?

Esto nos lleva a concluir que en algún momento, encontraremos el componente básico o ladrillo fundamental de la materia. La idea anterior recibe el nombre de teoría atomista. Esta tuvo sus primeros exponentes en la antigua Grecia. Por ejemplo, Leucipo (vivió alrededor del 450 a.C.) y su discípulo Demócrito (470-380 a.C.), quienes fueron los primeros filósofos griegos en plantear que la materia estaba compuesta de partículas fundamentales llamadas átomos (de un término griego que significa ‘sin división’) y que entre ellas existía vacío, o sea, nada.

Antes, otros filósofos daban algunas luces acerca de la composición fundamental de la materia. Entre estos podemos mencionar a Tales de Mileto (640-546 a.C.), quien planteaba que todo lo que existe proviene del agua. Asimismo, Anaxímenes (611-546 a.C.), quien decía que la materia primordial del mundo era el aire. Por otra parte, Heráclito (540-475 a.C.) planteaba que el fuego era el origen del Cosmos.

Hoy sabemos que la materia es un conglomerado de partículas, lo cual es también conocido como modelo corpuscular de la materia. En este sentido, uno de los desafíos de la física actual es encontrar los ladrillos fundamentales que componen la naturaleza.

En nuestra vida diaria, la materia se presenta en distintas formas o estados; estos son los que conocemos como estados de la materia. Cada estado está caracterizado por un ordenamiento especial de las partículas que lo componen. 
Así, en la naturaleza, la materia se encuentra en uno de estos tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

A partir de las características macroscópicas de cada estado de la materia, ¿podríamos inferir sus características microscópicas? Por lo general, frente a preguntas de este tipo los científicos tienden a construir modelos, y a partir de ellos intentan explicar la realidad.

Un modelo es una idealización o aproximación a lo que realmente sucede; es un conjunto de supuestos lo más simple posible, que estén de acuerdo con lo que observamos en el objeto sometido a estudio.

Los gases

Para entender el ordenamiento de las partículas en cada estado de la materia, procederemos a construir un modelo. Supondremos que las partículas en un material se comportan como niños jugando durante el recreo en su colegio.

Imaginemos que estamos en el patio y que podemos observar el juego de nuestros compañeros en cada lugar de este. Ahora, veamos si este modelo responde a las propiedades que observamos en los estado de la materia.

Supongamos que un grupo de nuestros compañeros se encuentra jugando al “pillarse”. ¿Cuál es el comportamiento de este grupo de niños? Lo que observamos es que cada niño corre azarosamente por el patio; es más, rara vez se tocan. Si pusiéramos a los niños en una habitación, veríamos que estos tienden a correr por todo el espacio disponible, razón por la cual la forma del grupo está definida tan solo por las paredes del lugar que los contiene (la habitación). Si los devolvemos al espacio abierto, constataríamos que la forma del grupo cambia constantemente, producto del deambular errático de cada uno de los niños. En efecto, son estas las características que observamos en un gas.

Si observas cuando alguien fuma, verás que el humo no adopta una forma particular. Sin embargo, si pides que echen el humo dentro de una botella, este ocupará todo el volumen disponible en el recipiente. En un gas, las interacciones entre partículas son muy limitadas, y en algunos casos estas se pueden considerar como cuerpos libres; es decir, sin ser sometidas a ningún tipo de interacción.

Los líquidos

Supongamos ahora que tomamos al grupo de niños y los hacemos jugar a la ronda. ¿Qué observamos? Cuando los niños juegan a la ronda sus movimientos individuales ya no son tan erráticos, pues las interacciones entre niños vecinos son más fuertes (de hecho, están tomados de la mano). Sin embargo, no se encuentran del todo ligados unos a otros, pues si existe un obstáculo la ronda se deforma de acuerdo con la forma de este.

Ahora, si ponemos al grupo en una habitación, observaremos que no tiende a utilizar todo el espacio disponible; es decir, la ronda tiene un “volumen” definido, aun cuando su forma está determinada por el recipiente que la contiene: si la habitación es cuadrada, la forma será circular, mientras que si la habitación es rectangular, la forma será más bien ovalada.

De acuerdo con esto, podemos decir que la ronda de niños posee un comportamiento parecido al de los líquidos, pues un líquido posee un volumen definido, pero no así una forma definida. Esto se debe a que en el líquido, al igual que en la ronda, las interacciones entre partículas cobran importancia, pero no son lo suficientemente fuertes como para mantener al conglomerado completamente unido. Las interacciones se dan a primeros vecinos, lo que significa que existen interacciones mayoritariamente entre una partícula y sus vecinas más cercanas, pero no así con todo el resto de las partículas. En el modelo de la ronda, cada niño interactúa con su vecino tomándole la mano, mas no le toma la mano al que sigue a su vecino.

Si el líquido se encuentra en un recipiente, supongamos un vaso de vidrio, entonces las interacciones a los primeros vecinos se dan a lo largo de todo el líquido; sin embargo, en la frontera líquido-pared del vaso ocurre algo un tanto distinto, pues las últimas partículas deben interactuar con sus partículas vecinas y con la pared del vaso, generando así una interacción conocida como tensión superficial. Cuando el material en la frontera es un gas, las partículas del líquido no alcanzan a interactuar con este y solo interactúan entre sí. Es por esto que las gotas de agua adquieren su forma característica en los bordes de un recipiente o en la superficie de una mesa. Si el material en la frontera forma parte de un recipiente, las partículas del líquido interactúan con este y tienden a adherírsele. Es por esto que los líquidos suben por las paredes de un capilar o tubo muy delgado, o bien, tienen la forma curvada típica que se presenta en los bordes de un vaso. También este mismo efecto es el responsable de que algunos insectos livianos puedan pararse sobre el agua sin hundirse. En este caso, la tensión superficial hace las veces de cama elástica y sostiene el peso del insecto.

Los sólidos

¿Qué sucede si ahora los niños se aprietan y comienzan a jugar abrazados? Dada esta situación (que el grupo se encuentra apretado), las interacciones entre los niños son mucho más fuertes. El grupo ya no se deforma frente a un obstáculo y ocupa un espacio definido. Este es el caso de los sólidos, los cuales se caracterizan porque las interacciones entre partículas son tan fuertes que prácticamente la distancia entre ellas se mantiene constante. Esto trae como consecuencia que los sólidos conservan su volumen y forma.

En este tipo de materiales, las partículas interactúan y se ordenan esencialmente de dos formas:

- Cuando el material tiene una estructura ordenada y periódica, es decir, cuando cada partícula se encuentra en un lugar específico y la misma estructura se repite a lo largo de todo el material, hablamos de un sólido cristalino. Este es el caso de la sal de mesa común (cuya nomenclatura química es NaCl, cloruro de sodio), en la cual las partículas de cloro y sodio se encuentran alternadas a lo largo de las esquinas de las caras de un cubo. 

- Si, por el contrario, el ordenamiento es azaroso y desordenado, hablamos de un sólido amorfo. Tal es el caso del vidrio.

La materia y sus propiedades

Las propiedades extensivas se relacionan con la estructura química externa; es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. Por ejemplo: peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etcétera. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver más con la estructura química interna de la materia, como la temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración, índice de refracción, entre otros aspectos.

Las propiedades intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura, es decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de molécula, como, por ejemplo, el agua, que está formada solo por moléculas de agua (H2O), o el azúcar, que sólo la conforman moléculas de sacarosa (C12H22O11).

Sólido, líquido y gaseoso

La materia normalmente presenta tres estados o formas: sólida, líquida o gaseosa. Sin embargo, existe un cuarto estado, denominado estado plasma, el cual corresponde a un conjunto de partículas gaseosas eléctricamente cargadas (iones), con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos, es decir, globalmente neutro.

El estado sólido se caracteriza por su resistencia a cualquier cambio de forma, lo que se debe a la fuerte atracción que hay entre las moléculas que lo constituyen; es decir, las moléculas están muy cerca unas de otras.

En el estado líquido, las moléculas pueden moverse libremente unas respecto de otras, ya que están un poco alejadas entre ellas. Los líquidos, sin embargo, todavía presentan una atracción molecular suficientemente firme como para resistirse a las fuerzas que tienden a cambiar su volumen.

En cambio, en el estado gaseoso, las moléculas están muy dispersas y se mueven libremente, sin ofrecer ninguna oposición a las modificaciones en su forma y muy poca a los cambios de volumen. Como resultado, un gas que no está encerrado tiende a difundirse indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad.

La mayoría de las sustancias son sólidas a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas medias y gaseosas a temperaturas altas; pero los estados no siempre están claramente diferenciados. Puede ocurrir que se produzca una coexistencia de fases cuando una materia está cambiando de estado; es decir, en un momento determinado se pueden apreciar dos estados al mismo tiempo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua llega a los 100ºC (en estado líquido) se evapora, es decir, alcanza el estado gaseoso; pero aquellas moléculas que todavía están bajo los 100ºC, se mantienen en estado líquido.

Cambios físicos y químicos de la materia

Si tomamos, por ejemplo, un vaso con agua (estado líquido), observaremos que el agua ocupa el espacio interno del vaso. Luego, si colocamos en un recipiente el agua contenida en el vaso y la calentamos, veremos que en cierto momento comienzan a observarse burbujas en la superficie, y el agua en estado líquido pasa a ser vapor de agua (estado gaseoso). Este evento, que es común observar en nuestra vida diaria, corresponde a un cambio de estado de la materia.

El agua, tanto en estado líquido como en estado gaseoso, presenta la misma composición química (H2O). Los cambios de estado de cualquier material en los que su composición química permanece invariable se denominan cambios físicos.

Ahora, si tenemos agua mezclada con azúcar (agua azucarada) y la calentamos hasta evaporar toda el agua posible, en el recipiente queda el azúcar; es decir, se obtienen los materiales iniciales: agua (ahora en forma de vapor) y azúcar. Así, cuando mezclamos dos materiales y podemos separarlos por procedimientos físicos, entonces el cambio ocurrido también es un cambio físico. Otros tipos de cambios físicos pueden ser patear una pelota o romper una hoja de papel. En todos los casos podría cambiar la forma, como cuando cortas el papel, pero la sustancia se mantiene, es decir, el papel sigue estando ahí.

Pero existe otro tipo de cambio que sí modifica la estructura química de uno o más materiales. Es el que se conoce como cambio químico. Este sucede cuando el material experimenta una transformación en su estructura química, como consecuencia de su interacción o relación con la estructura química de otro material, transformándose ambas estructuras. Esto da como resultado la formación de un nuevo material con características diferentes a las iniciales; es decir, ocurrió una reacción química.

Las frutas, como las manzanas, pueden conservarse por refrigeración, que hace más lento el proceso de oxidación.

Haz el siguiente experimento.
- Corta una manzana en tres trozos.
- Cubre con papel plástico uno de los trozos.
- Otro trozo imprégnalo con jugo de limón.
- El tercero, déjalo descubierto expuesto al aire.

Observa lo que sucede después de unas horas. El trozo de manzana cubierto con el plástico no se oscureció. Tampoco el trozo de la manzana impregnada con jugo de limón se alteró. Es más, seguirá en buen estado, ya que el jugo de limón contiene vitamina C (ácido ascórbico), la cual actúa como antioxidante; es decir, evita que el oxígeno reaccione con la manzana y retarda el envejecimiento. El tercer trozo, al estar sin jugo de limón y sin plástico (es decir, al estar expuesto al oxígeno del aire) se oscureció, evidenciando una reacción de oxidación, la misma que corresponde a un cambio de estado de tipo químico.

En el experimento de la manzana se puede apreciar un cambio químico, ya que sus constituyentes externos reaccionaron con el oxígeno del aire y se produjo un oscurecimiento por la reacción de oxidación o envejecimiento. Su estructura interna cambió y ya sólo es posible recuperarla por medios físicos, por ejemplo, cortar la parte oxidada.

En la naturaleza, la mayoría de las alteraciones que se producen son cambios químicos, como la combustión, la pudrición, la fermentación, la digestión de los alimentos, etcétera.

Sin embargo, también existen otros tipos de transformaciones químicas, como cuando se quema basura, o uno fundamental, que es la respiración, donde hay una reacción química.

Así como la manzana, otras frutas experimentan las mismas modificaciones, como, por ejemplo, el plátano y la palta. Tú mismo puedes repetir el experimento usando otras frutas o verduras, haciendo comparaciones y verificando lo que sucede. Incluso puedes invitar a tus amigos para que cada uno elija una fruta o verdura y después comparen y discutan los resultados de cada uno.

Así, aplicarás también el método científico (observación, problema, hipótesis y experimentación).