Materia y propiedades

  

Fig. 1. Aristóteles

Algunos filosofos griegos se preguntaban si la materia era continua o discontinua. Aristóteles creía que la materia era continua y, por tanto, se podía, hipotéticamente, dividir indefinidamente en 

partículas cada vez más pequeñas. Leucippus y Demócrito sostenían que la materia era discontinua y, por tanto, tenía un final. Es decir, la subdivisión de la materia daría como resultado unas partículas indivisibles e indestructibles denominadas átomos. La palabra átomo proviene del griego que significa indivisible. 

En la actualidad, la fisión nuclear ha demostrado que el átomo es divisible y destructible en el sentido de que se transforma en otro átomo o átomos, emisión de partículas y liberación de energía. 

En una reacción química ordinaria, los átomos reaccionantes aparecen en los productos de la reacción sin alteración de su núcleo atómico. Es decir, las reacciones químicas ordinarias dependen de la estructura electrónica de los átomos reaccionantes y no del núcleo atómico. De los electrones más externos del átomo dependen los enlaces interátomicos y las reacciones de oxidación y reducción.

Fig. 2. Demócrito

Estas teorías eran especulativas o no tenían fundamentos científicos, es decir, eran teorías no basadas sobre el método científico.

La existencia del átomo fue aceptada por grandes científicos como, por 

ejemplo, Robert Boyle (1661), Isaac Newton (1687; 1704)... 

Dalton, basado sobre la aceptación de la existencia del átomo, propuso su teoría conocida como la teoría atómica de Dalton (1803-1808) para explicar las Leyes Ponderales de la Química. La teoría de Dalton consiste de los siguientes postulados: el átomo es una esfera maciza, todos los átomos de un mismo elemento son iguales en propiedades y masa, los átomos de diferentes elementos son diferentes en propiedades y masa, las reacciones químicas son la combinación de átomos en una relación de números enteros y secillos, los átomos no se destruyen en una reacción química. 

Fig. 3. John Dalton

  Amadeo Avogadro (1776-1856), para explicar las reacciones químicas entre los gases, supuso que las últimas partículas de las sustancias elementales no son los átomos sino agregados de átomos que denominó moléculas. Propone el principio de que en volúmenes iguales de gases, medidos a las mismas condiciones de presión y temperatura, hay el mismo número de moléculas. J. J. Thomson (1856-1940) determina la relación carga/masa del electrón. Robert Millikan (1909) determina la carga del electrón. Ernest Rutherford (1871-1937) descubre el núcleo atómico y el protón al investigar la dispersión de partículas alfa. L. de Broglie (1924) mediante reflexiones matemáticas concluye que la materia posee comportamiento dual de corpúsculo y onda. Este comportamiento dual de la materia se ha utilizado para explicar el efecto fotoeléctrico, la difracción de la luz, difracción de electrones... Niels Bohr (1885-1962) explica el espectro del átomo de hidrógeno. Utiliza un modelo planetario para el átomo, donde los electrones giraban en órbitas circulares. Arnold Sommerfeld (1868-1951) propone órbitas elípticas y circulares para los electrones. James Chadwick (1932) descubre al neutrón. Henri Becquerel (1852-1908) descubre la radioactividad... Todas estas investigaciones permitieron obtener datos empíricos que  dieron origen a las determinaciones del número de moléculas presentes en un mol de gas, carga y masa de las partículas fundamentales, y la realización de modelos atómicos y moleculares para explicar la constitución de la materia y la estructura del átomo. 

Basados sobre estos estudios, la segunda ley de Newton, la ecuación de Einstein y otros estudios podemos definir la materia de la siguiente manera.
Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee masa, formada por la unión de átomos y moléculas, es interconvertible en energía (la interconversión de materia en energía está dada por la ecuación de Einstein), es ponderable (se puede medir), por si misma no modifica su estado de reposo o de movimiento (posee inercia), el espacio que ocupa un material en un momento dado no puede ser ocupado por otro material en ese momento, es transformable mediante métodos físicos y químicos ordinarios, pero no se puede destruir mediante estos métodos (en las reacciones químicas se conserva la materia, pero en reacciones de fisión y fusión nuclear se transforma en energía) y tiene comportamiento dual de corpúsculo y onda. 

Ecuación de Einstein. 

                            

E es energía, m masa y c es la velocidad de la luz. 

c = 299 792 458 m/s

La materia tiene volumen, es decir, el espacio ocupado por la materia es el volumen. 

La masa es la cantidad de materia que existe. De la fuerza que se necesita para vencer la inercia de la materia (inercia es la resistencia que ejerce la materia a modificar su estado de reposo o de movimiento) se obtiene la idea de masa. La masa de la materia es proporcional a la inercia de la materia, y queda definida como m=F/a. F es fuerza, m es masa y a es aceleración. Las partículas relativistas poseen una masa en reposo y otra masa en movimiento. Para partículas no relativistas la masa se puede considerar independiente de la velocidad.

^{m = m_o / √[1- (v/c)2]}

m es la masa a la velocidad v, m_o es la masa en reposo y c es la velocidad de la luz. 

La materia está formada por materiales, es decir, los constituyentes de la materia son los materiales.

Las propiedades son atributos o cualidades que caracterizan a los materiales. Las propiedades pueden ser físicas y químicas. Las propiedades físicas no requieren de la transformación del material en otro material distinto para medirlas, ya  que no dependen de la estructura electrónica de los constituyentes de la materia. Por ejemplo, mediante el cambio de estado reversible de sólido a líquido se puede medir la temperatura de fusión o la temperatura de congelación.
Las propiedades físicas pueden ser extensivas, específicas y condiciones. Las extensivas dependen de la cantidad de materia y, por tanto, no pueden ser utilizadas para identificar un material. Ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el volumen, la fuerza, el peso...
Las propiedades específicas son propiedades que no dependen de la cantidad y, por tanto, pueden utilizarse para identificar a los materiales. Ejemplos de propiedades específicas son densidad, color, solubilidad, temperatura normal de fusión y ebullición...
Las condiciones son propiedades que cambian en la misma muestra. Por ejemplo, la presión, la temperatura, el estado de reposo o de movimiento...
El peso es una propiedad extensiva que depende de la gravedad del lugar, y se mide con el dinamómetro. La masa de la materia es una propiedad extensiva por depender de la cantidad de materia. La masa se mide con una balanza.
La relación entre la masa y el volumen es la densidad (d=m/V). La densidad es una propiedad física específica por no depender de la cantidad de materia, pero depende de la temperatura, y debe ser especificada al reportar la densidad. La densidad se puede medir con diferentes instrumentos como, por ejemplo, densímetro, densitómetro, balanza para densidad de gases... La densidad de los gases depende de la temperatura y la presión, y ambas deben ser especificadas al reportar un valor de densidad. Los líquidos son prácticamente incomprensibles, debido a que se requieren presiones muy elevadas para provocar una pequeña variación de volumen y, por tanto, de densidad.
Las propiedades químicas dependen de la estructura electrónica de los materiales, y para medirlas es requerido cambiar la estructura electrónica de estos materiales mediante una reacción química, es decir, requieren de un método que transforme los materiales en otros distintos. Estos métodos se denominan destructivos, pero la materia se conserva.
Ejemplos de propiedades químicas son la combustión, oxidación, halogenación... La materia provista de forma y tamaño se denomina cuerpo.