Matter

• Distinguir conceptualmente entre materia y energía según el marco de la física moderna.
• Identificar y clasificar las propiedades físicas y químicas de la materia.
• Comprender los estados de agregación y transiciones de fase.
• Clasificar sustancias y mezclas según criterios químicos rigurosos.
• Aplicar métodos de separación basados en propiedades físicas diferenciales.
• Analizar sistemas químicos según sus límites e intercambios con el entorno.

Materia es cualquier entidad física que posee masa en reposo (rest mass) y ocupa volumen en el espacio-tiempo. Está constituida por partículas elementales (quarks, leptones) organizadas en átomos, iones o moléculas.

Criterio	Materia	Energía
Masa en reposo	Sí (excepto fotones)	No (fotones: m₀ = 0)
Ocupa volumen	Sí	No
Composición	Partículas con masa	Propiedad de sistemas físicos
Ejemplos	Agua, hierro, aire	Luz, calor, energía cinética

La relación fundamental establecida por Einstein (1905) en la Teoría de la Relatividad Especial:

$$E_0 = m_0 c^2$$

Donde:

• $E_0$ = energía en reposo (J)
• $m_0$ = masa en reposo (kg)
• $c$ = velocidad de la luz en vacío = $2.99792458 \times 10^8 \, \text{m/s}$

Para procesos con variación de masa:

$$\Delta E = \Delta m \cdot c^2$$

Tipo de proceso	$\Delta m$ detectable	Ejemplo
Físico/químico ordinario	No ($\Delta m < 10^{-9}$ g)	Combustión de 1 kg de carbón: $\Delta m \approx 3.7 \times 10^{-10}$ g
Nuclear	Sí ($\Delta m > 10^{-4}$ g)	Fisión de 1 g de U-235: $\Delta m \approx 0.09$ g → $E \approx 8.2 \times 10^{10}$ J

Estado	Estructura molecular	Propiedades macroscópicas	Ejemplo (H₂O)
Sólido	Ordenamiento cristalino o amorfo; vibración alrededor de posiciones fijas	Forma y volumen definidos; incompresible	Hielo (0°C)
Líquido	Ordenamiento de corto alcance; movilidad limitada	Volumen definido, forma variable; baja compresibilidad	Agua líquida (25°C)
Gaseoso	Movimiento caótico; colisiones elásticas	Forma y volumen variables; alta compresibilidad	Vapor (100°C)
Plasma	Gas ionizado ($> 99\%$ de partículas cargadas)	Conductividad eléctrica; respuesta a campos magnéticos	Sol, relámpagos, neones

Dependen de la cantidad de materia:

Propiedad	Símbolo	Unidad SI	Carácter
Masa	$m$	kilogramo (kg)	Aditiva
Volumen	$V$	metro cúbico (m³)	Aditiva
Energía interna	$U$	julio (J)	Aditiva
Entropía	$S$	J/K	Aditiva

Independientes de la cantidad:

Propiedad	Símbolo	Unidad	Ejemplo (H₂O a 4°C)
Densidad	$\rho$	kg/m³	1000 kg/m³
Punto de fusión	$T_f$	K	273.15 K
Punto de ebullición	$T_b$	K	373.15 K
Calor específico	$c_p$	J/(kg·K)	4184 J/(kg·K)
Índice de refracción	$n$	adimensional	1.333

🔑 Regla práctica: Si al dividir una muestra por la mitad la propiedad se reduce a la mitad → extensiva. Si permanece igual → intensiva.

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flowchart TD
    M[Materia] --> CM[Cuerpo Material]
    M --> EN[Energía<br>no es materia]
    
    CM --> SUST[Sustancia Pura]
    CM --> MEZ[Mezcla]
    
    SUST --> ELEM[Elemento<br>átomos del mismo Z]
    SUST --> COMP[Compuesto<br>composición fija]
    
    MEZ --> HOM[Homogénea<br>Solución]
    MEZ --> HET[Heterogénea<br>Fases visibles]
    
    ELEM --> MET[Metal<br>Fe, Cu, Au]
    ELEM --> NOM[No metal<br>O₂, C, S₈]
    ELEM --> SEM[Semimetal<br>Si, Ge]
    
    COMP --> ION[Compuesto iónico<br>NaCl, CaCO₃]
    COMP --> MOL[Compuesto molecular<br>H₂O, C₆H₁₂O₆]
    
    HOM --> SOL[Sólida<br>Aleaciones]
    HOM --> LIQ[Líquida<br>Agua salada]
    HOM --> GAS[Gaseosa<br>Aire]
    
    HET --> SUS[Suspensión<br>Agua turbia]
    HET --> COL[Coloide<br>Leche, gelatina]

Criterio	Sustancia pura	Mezcla
Composición	Fija y definida	Variable
Propiedades	Constantes bajo mismas condiciones	Dependen de proporciones
Separación	Requiere reacción química	Métodos físicos
Ejemplos	Agua destilada, oro puro	Agua de mar, aire

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Alotropía: Existencia de un elemento químico en dos o más formas estructurales distintas en el mismo estado físico, con propiedades físicas diferentes pero idéntica composición atómica.

Elemento	Formas alotrópicas	Diferencias clave
Carbono ©	Diamante, grafito, fullereno (C₆₀), nanotubos	Diamante: tetraédrico, aislante, 10 Mohs<br>Grafito: hexagonal, conductor, 1-2 Mohs
Oxígeno (O)	Dioxígeno (O₂), ozono (O₃)	O₂: incoloro, estable<br>O₃: azulado, oxidante fuerte
Fósforo (P)	Blanco (P₄), rojo (Pₙ), negro	Blanco: tóxico, inflamable espontáneamente<br>Rojo: estable, no tóxico
Azufre (S)	Rómbico (S₈), monoclínico (S₈)	Rómbico: estable <95.6°C<br>Monoclínico: estable 95.6-119°C

⚠️ Seguridad: El fósforo blanco es altamente tóxico (DL₅₀ ~1 mg/kg) y pirofórico (arde a 30°C en aire). Requiere almacenamiento bajo agua.

• Alotropía: Aplica solo a elementos.
• Polimorfismo: Aplica a compuestos (ej.: CaCO₃ como calcita o aragonito).

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Tipo	Tamaño de partícula	Estabilidad	Ejemplos
Solución verdadera	< 1 nm	Termodinámicamente estable	Agua salada, aire
Coloide	1 nm – 1 µm	Cinéticamente estable	Leche, gelatina, humo
Suspensión	> 1 µm	Inestable (sedimenta)	Agua turbia, jarabe

• Efecto Tyndall: Dispersión de luz por partículas coloidales.
• Movimiento browniano: Agitación aleatoria de partículas.
• Electroforesis: Migración en campo eléctrico (partículas cargadas).

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Método	Principio físico	Aplicación típica	Ejemplo
Filtración	Tamaño de partícula	Sólido + líquido	Café con filtro
Destilación simple	Diferencia de $T_b$	Sólido disuelto en líquido	Agua salada → agua pura
Destilación fraccionada	Diferencias pequeñas de $T_b$	Líquidos miscibles	Petróleo → fracciones
Cromatografía	Afinidad por fases	Mezclas complejas	Pigmentos vegetales
Extracción líquido-líquido	Solubilidad diferencial	Compuestos orgánicos	Cafeína del café
Cristalización	Solubilidad vs. temperatura	Purificación de sólidos	Azúcar de caña
Centrifugación	Densidad + fuerza centrífuga	Suspensiones finas	Separación de sangre
Magnetismo	Propiedades magnéticas	Metales ferrosos	Separación Fe de arena

La separación se basa en la distribución diferencial entre:

• Fase estacionaria (sólido o líquido adsorbido)
• Fase móvil (líquido o gas que arrastra los componentes)

Factor de retención ($R_f$):

$$R_f = \frac{\text{distancia recorrida por el compuesto}}{\text{distancia recorrida por el solvente}}$$

💡 Aplicación moderna: La cromatografía de gases (GC) y líquidos de alta resolución (HPLC) son esenciales en farmacología, forense y control de calidad.

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Un sistema químico es una porción del universo delimitada conceptual o físicamente para su estudio, separada del entorno por una frontera real o imaginaria.

Tipo de sistema	Intercambio de materia	Intercambio de energía	Ejemplo real
Abierto	Sí	Sí	Vaso con agua hirviendo
Cerrado	No	Sí	Matraz sellado con reacción exotérmica
Aislado	No	No	Calorímetro de bomba ideal (aproximación)

• Fase ($\phi$): Región homogénea con propiedades uniformes (sólida, líquida, gaseosa).
• Componente ($C$): Sustancia química independiente necesaria para describir la composición.

Ejemplos:

• Agua líquida + hielo: $\phi = 2$, $C = 1$ → sistema bifásico unitario
• Agua + aceite + sal disuelta: $\phi = 2$ (líquidos inmiscibles), $C = 3$ → sistema bifásico ternario

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• Atkins, P., & de Paula, J. (2022). Physical Chemistry (12ª ed.). Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780198855153.001.0001
• Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., & Woodward, P. M. (2018). Chemistry: The Central Science (14ª ed.). Pearson.
• Einstein, A. (1905). “Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?” Annalen der Physik, 18(13), 639–641. https://doi.org/10.1002/andp.19053231314
• IUPAC. (2019). Compendium of Chemical Terminology (Gold Book). https://goldbook.iupac.org

• Chang, R., & Goldsby, K. A. (2016). Chemistry (12ª ed.). McGraw-Hill.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2018). Inorganic Chemistry (5ª ed.). Pearson.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2021). General Chemistry: Principles and Modern Applications (12ª ed.). Pearson.

• Scerri, E. R. (2020). “The Periodic Table and the Turn to Practice in Philosophy of Chemistry”. Foundations of Chemistry, 22(1), 1–15. https://doi.org/10.1007/s10698-019-09344-1
• Needham, P. (2013). “Substance and Time”. En The Oxford Handbook of Philosophy of Chemistry. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780199603995.013.0003

• Khan Academy. (2023). Chemistry Library. https://www.khanacademy.org/science/chemistry
• LibreTexts Chemistry Library. (2023). Physical Chemistry. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps
• Royal Society of Chemistry. (2023). Education Resources. https://edu.rsc.org/resources

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La materia constituye la base física del universo observable, organizada jerárquicamente desde partículas subatómicas hasta estructuras macroscópicas complejas. Su estudio requiere distinguir con precisión:

1. Materia ≠ Energía: Son conceptos relacionados pero ontológicamente distintos; la equivalencia $E=mc^2$ describe conversibilidad, no identidad.
2. Clasificación rigurosa: Sustancias puras (elementos/compuestos) vs. mezclas (homogéneas/heterogéneas) según criterios composicionales y de separabilidad.
3. Propiedades como herramientas: Las propiedades intensivas permiten identificar sustancias; las extensivas cuantifican cantidades.
4. Métodos de separación: Basados en diferencias físicas, son fundamentales en laboratorio e industria para obtener sustancias puras.
5. Sistemas como modelo: El enfoque termodinámico (sistema/entorno/frontera) permite analizar procesos químicos de forma cuantitativa.