La materia y sus propiedades físicas

Para entender el mundo que nos rodea, lo primero es comprender qué es la materia. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio (tiene volumen). Desde las estrellas en el cielo hasta el aire que respiras o el lápiz con el que escribes, todo es materia.

Es importante distinguir entre dos conceptos:

• Cuerpo: Es una porción limitada de materia con una forma determinada (por ejemplo, una silla o un vaso).
• Sustancia: Es el tipo de materia del que está hecho un cuerpo (por ejemplo, madera, vidrio o hierro).

Todo lo que podemos tocar, ver o medir físicamente es materia, mientras que los sentimientos o las ideas no lo son.

En la naturaleza, la materia se presenta principalmente en tres estados, dependiendo de cómo se agrupen sus componentes:

1. Sólido: Tienen una forma y un volumen constantes. No cambian de aspecto aunque los movamos de sitio (como una piedra).
2. Líquido: Tienen un volumen fijo, pero su forma es variable. Se adaptan al recipiente que los contiene (como el agua en una jarra).
3. Gaseoso: No tienen forma ni volumen propios. Son variables, pues tienden a ocupar todo el espacio disponible y se pueden comprimir (como el aire dentro de un globo).

¿Por qué existen diferentes estados? La ciencia nos explica que la materia está formada por partículas pequeñísimas que no vemos a simple vista.

• Partículas en movimiento: Las partículas siempre se están moviendo o vibrando.
• Espacio y fuerzas:
  • En los sólidos, las partículas están muy juntas y fuertemente unidas.
  • En los líquidos, están un poco más separadas y pueden deslizarse unas sobre otras.
  • En los gases, están muy alejadas y se mueven libremente a gran velocidad.

La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. No debemos confundirla con el tamaño; un objeto pequeño puede tener mucha masa si es muy denso.

• Unidades: La unidad principal es el kilogramo (kg), aunque para objetos pequeños usamos el gramo (g).
• Instrumentos: Para medir la masa utilizamos la balanza o la báscula.

El volumen es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.

• Unidades: En los líquidos solemos usar el litro (l) o el mililitro (ml). En ciencia, también se usa el metro cúbico ($m^3$).
• Instrumentos: Se utilizan recipientes graduados como probetas, vasos de precipitados o pipetas.

Para medir el volumen de un sólido irregular, podemos sumergirlo en una probeta con agua y ver cuánto sube el nivel del líquido.

Si tenemos dos bolas del mismo tamaño (mismo volumen), una de corcho y otra de hierro, notaremos que la de hierro pesa mucho más. Esto ocurre porque la masa depende del material del que está hecho el objeto. Esta relación nos ayuda a entender por qué algunos objetos son más "pesados" que otros a pesar de ocupar el mismo espacio.

La densidad es una propiedad específica que nos permite identificar sustancias. Se calcula mediante la fórmula:

$\text{Densidad} = \frac{\text{Masa}}{\text{Volumen}}$

• Flotabilidad: Un objeto flota en el agua si su densidad es menor que la del agua ($1\text{ g/cm}^3$). Si es mayor, se hunde. Cada sustancia pura tiene una densidad única que la distingue de las demás.

Los sólidos tienen características especiales según cómo reaccionan a las fuerzas:

• Dureza: Es la resistencia a ser rayado. El diamante es el material más duro.
• Fragilidad: Es la facilidad con la que un material se rompe sin deformarse (como el vidrio).
• Elasticidad: La capacidad de un cuerpo para deformarse cuando se aplica una fuerza y recuperar su forma original al cesar la fuerza (como una goma elástica).

• Conductividad térmica: Algunos materiales, como los metales, transmiten muy bien el calor. Otros, como la madera o el plástico, son aislantes.
• Conductividad eléctrica: Es la capacidad de dejar pasar la corriente eléctrica. Los cables son de cobre (conductor) y están forrados de plástico (aislante) para protegernos.

Son aquellas que percibimos con los sentidos:

• Brillo y color: El oro es amarillo y brillante; el carbón es negro y mate.
• Textura: Puede ser suave, rugosa o áspera.
• Transparencia: Los objetos pueden ser transparentes (pasa la luz), translúcidos (pasa algo de luz) u opacos (no pasa la luz).

Cuando aplicamos calor a un cuerpo, su temperatura sube y puede cambiar de estado:

1. Fusión: Paso de sólido a líquido (el hielo se derrite).
2. Vaporización: Paso de líquido a gas. Puede ocurrir de forma lenta (evaporación) o rápida (ebullición).

• Punto de fusión: Temperatura exacta a la que un sólido se vuelve líquido (0 ºC para el agua).
• Punto de ebullición: Temperatura a la que un líquido hierve (100 ºC para el agua).

Cuando la materia pierde calor, ocurren los procesos inversos:

1. Solidificación: De líquido a sólido (hacer cubitos de hielo).
2. Condensación: De gas a líquido (el vaho en un espejo).
3. Sublimación inversa: Paso directo de gas a sólido sin pasar por líquido.

El calor no solo cambia el estado, también cambia el tamaño:

• Dilatación: Aumento de volumen al calentar un cuerpo (las vías del tren se diseñan con huecos para esto).
• Contracción: Disminución de volumen al enfriar un cuerpo.

Es vital distinguir estos dos procesos:

• Cambio físico: La composición de la materia no cambia. El agua congelada sigue siendo agua. Los cambios físicos suelen ser reversibles.
• Cambio químico: La sustancia se transforma en otra diferente. Ejemplos: la combustión (quemar madera produce cenizas) o la oxidación (el hierro se convierte en óxido).

La materia se presenta en la naturaleza de dos formas:

• Sustancias puras: Formadas por un solo tipo de materia (oro, oxígeno, agua destilada). Sus propiedades son siempre las mismas.
• Mezclas: Unión de dos o más sustancias puras. La mayoría de las cosas que vemos son mezclas (aire, leche, rocas).

1. Mezclas homogéneas (Disoluciones): Sus componentes no se pueden distinguir a simple vista. Ejemplo: agua con sal, el aire o el bronce.
2. Mezclas heterogéneas: Sus componentes se distinguen fácilmente. Ejemplo: una ensalada, granito o agua con arena.

Para separar los componentes de una mezcla sin cambiar su naturaleza, usamos:

• Filtración: Para separar un sólido de un líquido usando un filtro (arena y agua).
• Decantación: Para separar sustancias de distinta densidad (agua y aceite).
• Evaporación: Se calienta la mezcla hasta que el líquido se evapora, dejando el sólido (salinas).
• Destilación: Para separar dos líquidos con distintos puntos de ebullición.
• Separación magnética: Uso de imanes para separar metales como el hierro de otras sustancias.