MateriaEn física, la materia es todo aquello que se extiende en cierta región del espacio-tiempo, que posee energía y está sujeto acambios en el tiempo y a interacciones con instrumentos de medida. Se considera que es lo que forma la parte sensible de losobjetos perceptibles o detectables por medios físicos.

Etimológicamente, proviene del latín materia, que significa «sustancia de la que están hechas las cosas» y que también alude ala «madera dura del interior de un árbol»;1 la palabra está relacionada con māter («origen, fuente, madre»)2 y se correspondecon el griego hyle3 (de hylos: «bosque, madera, leña, material»)4 5 que es un concepto aristotélico de la teoría filosófica delhilemorfismo.6

El uso moderno del término va más allá de la noción clásica de sustancia, y los físicos denominan materia a cualquier entidadcuya presencia en una cierta región del espacio-tiempo conlleva que el tensor energía-impulso para dicha región es diferente decero.

Concepto de la materiaConcepto filosófico de la materia

Principio único o diversos de la materiaLa teoría atomista de la materiaHilemorfismoMaterialismoEstados de agregaciónLey de la conservación de la materia

Distribución de materia en el universoPropiedades intrínsecas de la materia

MasaMateria no-másicaMateria másica

Carga eléctricaImpenetrabilidadDualidad onda-partículaAntimateriaEspín

Niveles de organización de la materiaPartículas subatómicas

Materia bariónicaMateria degeneradaMateria extraña

Dos significados del término "materia extraña"

ÁtomosGeneralidades del núcleo atómicoGeneralidades de la nube electrónicaConfiguración electrónicaEnlaces atómicos

Teoría molecularGeneralidades de las moléculasInteracciones intermolecularesTeoría cinética molecular

Índice

Física de la materia condensadaCondensado de Bose–Einstein

Sistemas supramoleculares

Fenómenos de superficiePropiedades de la materia ordinaria

Propiedades generalesPropiedades extrínsecas o generalesPropiedades intrínsecas o específicasPropiedades químicas de la materia

Definición de materia en otros contextosMateria y Alma - Cuerpo y EspírituCiencias materiales y ciencias formalesÉticas materiales y éticas formales.Materia y forma en las obras artísticas

MisceláneaVéase tambiénReferenciasBibliografíaEnlaces externos

La definición común de materia es “algo que posee masa y volumen” (ocupa un espacio). 7 8

Por ejemplo, un coche, como se diría, que está hecho de materia, ya que ocupa espacio, y tiene masa.

La observación de que la materia ocupa espacio viene desde la antigüedad. Sin embargo, una explicación sobre por qué lamateria ocupa un espacio es reciente, y se argumenta como un resultado del Principio de exclusión de Pauli. 9 10

En física, se llama materia a cualquier tipo de entidad que es parte del universo, tiene energía asociada, es capaz deinteraccionar, es decir, es medible y tiene una localización espaciotemporal compatible con las leyes de la naturaleza.

Clásicamente se considera que la materia tiene tres propiedades que juntas la caracterizan: ocupa un lugar en el espacio, tienemasa y perdura en el tiempo.

En el contexto de la física moderna se entiende por materia cualquier campo, entidad, o discontinuidad traducible a fenómenoperceptible que se propaga a través del espacio-tiempo a una velocidad igual o inferior a la de la luz y a la que se pueda asociarenergía. Así todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energía pero solo algunas formas de materia tienen masa.

Dos ejemplos particulares donde el principio de exclusión relaciona claramente la materia con la ocupación de espacio son lasestrellas del tipo enana blanca y estrella de neutrones, discutidas más adelante.

Desde el comienzo de la filosofía, y en casi todas las culturas se encuentra este concepto vagamente formulado como lo quepermanece por debajo de las apariencias cambiantes de las cosas de la naturaleza. Según esa idea, todo lo observable está dadoen sus diversas y cambiantes apariencias en un soporte o entidad en la que radica el movimiento y cambio de las cosas: lamateria.

Concepto de la materia

Concepto filosófico de la materia

Principio único o diversos de la materia

Una cuestión filosófica importante fue si toda la materia o sustrato material tenía un principio único o tenía diversas fuentes.Que dicho sustrato sea uno solo, o varios principios materiales, (aire, fuego, tierra y agua), fue cuestión planteada por losfilósofos milesios; los eleatas, en cambio, cuestionaron la realidad del movimiento y, junto con los pitagóricos, fundamentaronel ser en un principio formal del pensamiento, dejando a la materia meramente como algo indeterminado e inconsistente, unno-ser.

Mayor trascendencia histórica ha tenido la teoría atomista de la antigüedad, puesta de nuevo en vigor por el mecanicismoracionalista en el siglo XVII y XVIII, que supuso el soporte teórico básico para el nacimiento de la ciencia física moderna.

Platón y sobre todo Aristóteles elaboraron el concepto de forma, correlativo y en contraposición a la materia, dándole a esta elcarácter metafísico y problemático que ha tenido a lo largo de la historia del pensamiento, al mismo tiempo que ha servidocomo concepto que se aplica en otros contextos.

Es Aristóteles quien elaboró el concepto de materia de manera más completa, si bien el aspecto metafísico quedó relegado a laescolástica.

Para Aristóteles, siguiendo la tradición de los milesios y de Platón, la característica fundamental de la materia es la receptividadde la forma. La materia puede ser todo aquello capaz de recibir una forma. Por eso ante todo la materia es potencia de seralgo, siendo el algo lo determinado por la forma.

En función de este concepto hay tantas clases de materias como clases de formas capaces de determinar a un ser. Puesto que elmovimiento consiste en un cambio de forma de la sustancia, el movimiento se explica en función de la materia como potenciay el acto como forma de determinación de la sustancia.

La materia, en tanto que sustancia y sujeto, es la posibilidad misma del movimiento. Hay tantas clases de materia cuantasposibles determinaciones de la sustancia en sus predicados.

Cuando las determinaciones son accidentales la materia viene dada por la situación de la sustancia en potencia respecto arecepción de una nueva forma. Así el estar sentado en acto es materia en potencia para estar de pie; el movimiento consiste enpasar de estar de pie en potencia, a estar de pie en acto.

El problema es la explicación del cambio sustancial que se produce en la generación y corrupción de la sustancia. Apareceaquí el concepto metafísico de materia prima, pura potencia de ser que no es nada, puesto que no tiene ninguna forma dedeterminación.

La tradicional fórmula escolástica por la que se suele definir la materia prima da idea de que realmente es difícil concebir unarealidad que se corresponda con dicho concepto: No es un qué (sustancia), ni una cualidad, ni una cantidad ni ninguna otracosa por las cuales se determina el ser. Una definición meramente negativa que incumple las leyes mismas de la definición.

El materialismo es la idea que postula que la materia es lo primario y que la conciencia existe como consecuencia de unestado altamente organizado de esta, lo que produce un cambio cualitativo.

En cuanto a la relación del pensamiento humano y el mundo que nos rodea y la cognoscibilidad de ese mundo, el materialismoafirma que el mundo es material y que existe objetivamente, independientemente de la conciencia. Según esta concepción, laconciencia y el pensamiento se desarrollan a partir de un nivel superior de organización de la materia, en un proceso de reflejode la realidad objetiva.

El materialismo también sostiene que la materia no ha sido creada de la nada, sino que existe en la eternidad y que el mundo ysus regularidades son cognoscibles por el humano, ya que es posible demostrar la exactitud de ese modo de concebir unproceso natural, reproduciéndolo nosotros mismos, creándolo como resultado de sus mismas condiciones y además poniéndoloal servicio de nuestros propios fines, dando al traste con la “cosa en sí, inasequible”.

La teoría atomista de la materia

Hilemorfismo

Materialismo

Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de laNASA, alrededor del 70% del contenido energético del Universoconsiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en suefecto sobre la expansión del Universo pero sobre cuyanaturaleza última no se sabe casi nada.

En el Tratado elemental de química (1789) de Antoine-Laurent de Lavoisier se mencionan los tres estados de agregación de lamateria conocidos hasta antes del descubrimiento del plasma en el siglo XIX: el sólido, el líquido y el estado "elástico yaeriforme"11 La palabra "gas" fue inventada por Jan Baptista van Helmont en 1648 para nombrar a lo que previamente seconocía como "aire". Todavía en 1774 puede observarse este uso, por ejemplo, en la obra Experimentos y observaciones sobrediferentes clases de aire de Joseph Priestley12 pero en el tratado de Lavoisier el término "gas" se utiliza extensivamente. Elplasma fue descubierto en 1879 por William Crookes, quien lo denominó "materia radiante".13 El término "plasma" seríausado por primera vez en 1929 por Irving Langmuir.14 Entre 1924 y 1925 se predijo el quinto estado de la materia porSatyendra Nath Bose y Albert Einstein, por lo cual sería llamado condensado de Bose-Einstein. El gas cuántico de Fermi fuecreado por primera vez en 1999 en el JILA de la Universidad de Colorado, al igual que el condensado molecular fermiónico,en 2003.15

Como hecho científico la idea de que la masa se conserva se remonta al químico Lavoisier, el científico francés consideradopadre de la Química moderna que midió cuidadosamente la masa de las sustancias antes y después de intervenir en unareacción química, y llegó a la conclusión de que la materia, medida por la masa, no se crea ni destruye, sino que solo setransforma en el curso de las reacciones. Sus conclusiones se resumen en el siguiente enunciado: En una reacción química, lamateria no se crea ni se destruye, solo se transforma. El mismo principio fue descubierto antes por Mijaíl Lomonosov, demanera que es a veces citado como ley de Lomonosov-Lavoisier, más o menos en los siguientes términos: La masa de unsistema de sustancias es constante, con independencia de los procesos internos que puedan afectarle, es decir, "La suma delos productos, es igual a la suma de los reactivos, manteniéndose constante la masa". Sin embargo, tanto las técnicas modernascomo el mejoramiento de la precisión de las medidas han permitido establecer que la ley de Lomonosov-Lavoisier, se cumplesolo aproximadamente.

La equivalencia entre masa y energía descubierta por Einstein obliga a rechazar la afirmación de que la masa convencional seconserva, porque masa y energía son mutuamente convertibles. De esta manera se puede afirmar que la masa relativistaequivalente (el total de masa material y energía) se conserva, pero la masa en reposo puede cambiar, como ocurre en aquellosprocesos relativísticos en que una parte de la materia se convierte en fotones. La conversión en reacciones nucleares de unaparte de la materia en energía radiante, con disminución de la masa en reposo; se observa por ejemplo en procesos de fisióncomo la explosión de una bomba atómica, o en procesos de fusión como la emisión constante de energía que realizan lasestrellas.

Según los modelos físicos actuales, solo aproximadamente el5% de nuestro universo está formado por materia másicaordinaria. Se supone que una parte importante de esta masasería materia bariónica formada por bariones y electrones,que solo supondrían alrededor de 1/1850 de la masa de lamateria bariónica. El resto de nuestro universo se compondríade materia oscura (23%) y energía oscura (72%).

A pesar de que la materia bariónica representa un porcentajetan pequeño, la mitad de ella todavía no se ha encontrado.Todas las estrellas, galaxias y gas observable forman menosde la mitad de los bariones que debería haber. La hipótesisprincipal sobre el resto de materia bariónica no encontrada esque, como consecuencia del proceso de formación deestructuras posterior al big bang, está distribuida enfilamentos gaseosos de baja densidad que forman una red portodo el universo y en cuyos nodos se encuentran los diversoscúmulos de galaxias. Recientemente (mayo de 2008) eltelescopio XMM-Newton de la agencia espacial europea haencontrado pruebas de la existencia de dicha red defilamentos.16

Estados de agregación

Ley de la conservación de la materia

Distribución de materia en el universo

En física, masa (del latín massa) es una magnitud que expresa la cantidad de materia de un cuerpo, medida por la inercia deeste, que determina la aceleración producida por una fuerza que actúa sobre él.17 Es una propiedad intrínseca de los cuerposque determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La unidad utilizada para medir la masa en el SistemaInternacional de Unidades es el kilogramo (kg).18

Una gran parte de la energía del universo corresponde a formas de materia formada por partículas o campos que no presentanmasa, como la luz y la radiación electromagnética, las dos formada por fotones. Junto con estas partículas no másicas, sepostula la existencia de otras partículas como el gravitón, el fotino y el gravitino, que serían todas ellas partículas sin masaaunque contribuyen a la energía total del universo.

La materia másica está organizada en varios niveles y subniveles. La materia másica puede ser estudiada desde los puntos devista macroscópico y microscópico. Según el nivel de descripción adoptado debemos adoptar descripciones clásicas odescripciones cuánticas. Una parte de la materia másica, concretamente la que compone los astros subenfriados y las estrellas,está constituida por moléculas, átomos, e iones. Cuando las condiciones de temperatura lo permite la materia se encuentracondensada.

La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas deatracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por loscampos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga ycampo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar lacarga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones.

Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistemaaislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo.

La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razoneshistóricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e.A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.19

Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad más elementalde carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10-19 culombios (C) y esconocida como carga elemental.20 El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según elnúmero de electrones que posea en exceso o en defecto.21

En física, la impenetrabilidad (de impenetrable) es la resistencia que opone una porción de materia que otra ocupe su mismolugar en el espacio. Ningún cuerpo puede ocupar al mismo tiempo el lugar de otro. Así mismo, la impenetrabilidad es laresistencia que opone un cuerpo a ser traspasado. Se encuentra en la categoría de propiedad general. Debe notarse que laimpenetrabilidad se refiere a la capacidad de la materia ordinaria para no ser penetrada por fragmentos de materia ordinaria.Esto es importante ya que por ejemplo la materia ordinaria puede ser fácilmente traspasada por partículas de materia no-ordinaria como los neutrinos, que pueden atravesar grandes capas de materia sin interaccionar con ella.

Volviendo al caso de la materia ordinaria, la impenetrabilidad depende del principio de exclusión de Pauli por el cual loselectrones, como partículas fermiónicas que son, se ven obligados a ocupar diferentes capas, con lo cual hacen que un átomoestable sea una estructura con amplia extensión en el espacio. Cuando dos fragmentos de materia ordinaria se aproximan entre

Propiedades intrínsecas de la materia

Masa

Materia no-másica

Materia másica

Carga eléctrica

Impenetrabilidad

sí, los respectivos átomos se acercan, pero debido a la restricción impuesta por el principio de Pauli, sus nubes electrónicas nopueden interpenetrarse de lo que resulta una repulsión efectiva. Esta es en último término la causa de la impenetrabilidad de lamateria ordinaria.

De acuerdo con la física clásica existen diferencias claras entre onda y partícula. Una partícula tiene una posición definida enel espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida ymasa nula. La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula es un fenómeno cuántico, biencomprobado empíricamente, por el cual muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unosexperimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros experimentos. Dado ese comportamientodual, es típico de los objetos mecanocúanticos, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas ycomo ondas exhiben el fenómeno de la interferencia.

Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no haydiferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. (StephenHawking, 2001)

Este es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido por Louis-Victor de Broglie, físicofrancés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral, inspirada en experimentos sobre la difracción de electrones,propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria,fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó graninterés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargo, Einstein reconoció suimportancia a raíz de sus resultados de los experimentos del efecto fotoeléctrico. En 1905, el mismo año que formuló su teoríade la relatividad especial, Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionarcorrectamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde seríanllamados fotones. En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz" mostrócómo la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característicapara cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einsteinrecibiría el Premio Nobel de Física en 1921. En 1929, De Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo.

A la mayor parte de las partículas de la naturaleza le corresponde una antipartícula que posee la misma masa, el mismo espín,pero contraria carga eléctrica. Algunas partículas son idénticas a su antipartícula, como por ejemplo el fotón, que no tienecarga. Pero no todas las partículas de carga neutra son idénticas a su antipartícula. Siempre hemos tenido la impresión de quelas leyes de la naturaleza parecían haber sido diseñadas para que todo fuese simétrico entre partículas y antipartículas hasta quelos experimentos de la llamada violación CP (violación carga-paridad) encontraron que la simetría temporal se violaba enciertos sucesos de la naturaleza. El exceso observado de bariones con respecto a los anti-bariones, en el universo, es uno de losprincipales problemas sin respuesta de la cosmología.

Los pares partícula-antipartícula pueden aniquilarse entre ellos si se encuentran en el estado cuántico apropiado. Estos estadospueden producirse en varios procesos. Estos procesos se usan en los aceleradores de partículas para crear nuevas partículas yprobar las teorías de la física de partículas. Los procesos de altas energías en la naturaleza pueden crear antipartículas, y éstosson visibles debido a los rayos cósmicos y en ciertas reacciones nucleares. La palabra antimateria se refiere a las antipartículaselementales, los compuestos de antipartículas hechos con estas (como el antihidrógeno) y formaciones mayores que puedenhacerse con ellos.

La antimateria es la extensión del concepto de antipartícula a la materia. Así, la antimateria es una forma de materia menosfrecuente que está constituida por antipartículas, en contraposición a la materia común, que está compuesta departículas.22 23 24 Por ejemplo, un antielectrón (un electrón con carga positiva, también llamado positrón) y un antiprotón (unprotón con carga negativa) podrían formar un átomo de antimateria, de la misma manera que un electrón y un protón formanun átomo de hidrógeno. El contacto entre materia y antimateria ocasiona su aniquilación mutua; esto no significa sudestrucción, sino una transformación que da lugar a fotones de alta energía, que producen rayos gamma, y otros parespartícula-antipartícula.

Dualidad onda-partícula

Antimateria

Espín

Modelo estándar de partículas elementales.

El espín (del inglés spin 'giro, girar') es una propiedad física de las partículas elementales por el cual tienen un momentoangular intrínseco de valor fijo. El espín fue introducido en 1925 por Ralph Kronig e, independientemente, por GeorgeUhlenbeck y Samuel Goudsmit. La otra propiedad intrínseca de las partículas elementales es la carga eléctrica. El espínproporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. En contraste con la mecánica clásica, donde elmomento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico, que no sepuede relacionar de forma directa con una rotación en el espacio. La intuición de que el espín corresponde al momentoangular debido a la rotación de la partícula en torno a su propio eje solo debe tenerse como una imagen mental útil, puestoque, tal como se deduce de la teoría cuántica relativista, el espín no tiene una representación en términos de coordenadasespaciales, de modo que no se puede referir ningún tipo de movimiento. Eso implica que cualquier observador al hacer unamedida del momento angular detectará inevitablemente que la partícula posee un momento angular intrínseco total, difiriendoobservadores diferentes solo sobre la dirección de dicho momento, y no sobre su valor (este último hecho no tiene análogo enmecánica clásica)25 .

Una partícula subatómica es aquella que es más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta, asu vez, por otras partículas subatómicas.

Las partículas elementales son los constituyentes elementales de lamateria; más precisamente son partículas que no están constituidas porpartículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna.26

En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen laestadística de Fermi-Dirac. Los fermiones pueden ser elementales, comoel electrón, o compuestos, como el protón y el neutrón. En el Modeloestándar hay dos tipos de fermiones elementales: los leptones y losquarks, que se exponen a continuación27

Estos quarks y leptones interactúan mediante cuatro interaccionesfundamentales: gravedad, electromagnetismo, interacciones débiles, einteracciones fuertes. El Modelo estándar es actualmente la mejorexplicación de toda la física, pero a pesar de las décadas de esfuerzos, lagravedad aún no puede ser considerada en el nivel cuántico; solo esdescrito por la física clásica (véase gravedad cuántica y gravitón). 28 Lasinteracciones entre quarks y leptones son el resultado de un intercambiode partículas que transportan fuerza (como fotones) entre los quarks y losleptones. 29 Las partículas que transportan fuerza no son componentesbásicos de la materia. En consecuencia, masa y energía no siemprepueden relacionarse a materia. Por ejemplo, los portadores de la fuerzaeléctrica (fotones) poseen la energía (según la constante de Planck) y losportadores de la fuerza débil (los bosones W y Z) son masivos, pero ninguno es considerado tampoco como materia. 30 Sinembargo, aunque estas partículas no son consideradas como materia, contribuyen realmente a la masa total de los átomos o delas partículas subatómicas. 31 32 .

Los leptones son partículas de spin-{{ }}, lo que significa que son fermiones. Transportan una carga eléctrica de −1 e(leptones como los electrones) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los quarks, los leptones no transportan carga de color, lo quesignifica que no experimentan la interacción fuerte. Los leptones también sufren la desintegración radiactivo, por lo que estánsujetos a la interacción débil. Los leptones son partículas masivas, por lo que están sujetas a la gravedad.

Niveles de organización de la materia

Partículas subatómicas

Estructura de quarkde un protón: 2quarks arriba y 1quark abajo.

Propiedades de los leptones

Nombre Símbolo EspinCarga

eléctrica(e)

Masa (MeV/c2) Masa comparable a Antipartícula Antipartícula

símbolo

Leptones cargados33

Electrón e- −1 0.5110 1 electrón Antielectrón (positrón) e+

Muon m- −1 105.7 ~ 200 electrones Antimuón m+

Tauón t- −1 1,777 ~ 2 protones Antitauón t+

Neutrinos34

Neutrino delelectrón

v e 0 <0.000460

Menos de una milésima deun electrón

Antineutrino delelectrón

ve

Neutrino delmuon

v m 0 < 0.19 Menos de la mitad de unelectrón

Antineutrino delmuon

me

Neutrino delTauón

(o neutrino tau)v t 0 < 18.2 Menor que ~ 40 electrones

Antineutrino deltauón

(o antineutrino tau)te

Los quarks son partículas de spin 1/2, lo que implica que son fermiones. Transportan una carga eléctrica de −1/3|3 e (quarkstipo “abajo”) o +2/3 e (quarks tipo “arriba”). Por comparación, un electrón tiene una carga de -1 e. También transportan cargade color, que es el equivalente de la carga eléctrica para la interacción fuerte. Los quarks también sufren decaimientoradiactivo, lo que significa que están sujetas a la interacción débil. Los quarks son partículas masivas, y por lo tanto tambiénestán sujetos a la gravedad.

Propiedades de los quarks 35

Nombre Símbolo EspinCarga

eléctrica(e)

Masa( MeV/ c2) Masa comparable a Antipartícula

Símbolo dela

antipartícula

Quarks tipo arriba

Arriba (up) u + 1.5 to 3.3 ~ 5 electrones Antiarriba u

Encanto(charme) c + 1160 to 1340 ~ 1 protón Antiencanto c

Cima (Top) t + 169.100 to173.300

~ 180 protones o~ 1 átomo de

wolframioAnticima t

Quarks tipo Abajo

Abajo (down) d − 3.5 to 6.0 ~ 10 electrones Antiabajo d

Extraño(strange) s − 70 to 130 ~ 200 electrones Antiextraño s

Fondo (Bottom) b − 4.130 to 4.370 ~ 5 protones Antifondo b

.

Una partícula compuesta es una partícula subatómica que está formada por un conjunto de partículasmás elementales que forman juntas un estado ligado estable. Un hadrón (del griego ἁδρός, hadrós,"denso") es una partícula subatómica formada por quarks que permanecen unidos debido a lainteracción nuclear fuerte entre ellos. Antes de la postulación del modelo de quarks se definía a loshadrones como aquellas partículas que eran sensibles a la interacción fuerte. Como todas las partículassubatómicas, los hadrones tienen números cuánticos correspondientes a las representaciones del grupode Poincaré: JPC(m), donde J es el espín, P la paridad, C la paridad C, y m la masa. Además,pueden llevar números cuánticos de sabor como el isoespín, extrañeza, etc.

Materia bariónica

Los constituyentes básicos de la materiamásica conocida son los fermiones comolos "quarks" (púrpura) y "leptones"(verde). Los bosones (rojo) son "materiano-másica".

Tanto el modelo de quarks, como la evidencia empírica sugieren que los hadrones son partículas compuestas por quarks y/oantiquarks. Hay dos tipos de hadrones (sin contar los casos "exóticos"):

Los bariones están compuestos por tres quarks con cargas de color diferente, se dice que su carga de colorglobal es "neutra" o "blanca", al tener las tres cargas de color compensadas entre sí. Los neutrones yprotones también llamados conjuntamente nucleones son ejemplos de bariones. Los bariones aislados secomportan como fermiones.

Estas partículas tienen un número bariónico (B) diferente de cero, que es igual a +1 para los nucleones e igual a -1 para susantipartículas.

Los mesones están formados por un quark y un antiquark. Los piones son ejemplos de mesones, supresencia ha sido usada para explicar cómo permanecen unidos neutrones y protones en el núcleo atómico.Los mesones se comportan como bosones.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado nopueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, generalmente porqueson inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difícilesde producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, seproducen al azar por la acción de los rayos cósmicos al chocar con átomos de laatmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas, loscuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. Deesta manera, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizancientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es el gravitón; sin embargo,esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículasmodernos, ni en condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayoscósmicos).

Como partículas subatómicas, se clasifican también las partículas virtuales, queson partículas que representan un paso intermedio en la desintegración de unapartícula inestable, y por tanto, duran muy poco tiempo.

Los bariones son fermiones de interacción fuerte, y así están sujetos a laestadística de Fermi-Dirac. Entre los bariones están los protones y los neutrones,que se producen en el núcleo atómico, pero existen también otros muchosbariones inestables. El término barión se utiliza generalmente para referirse a triquarks (partículas compuestas de tres quarks).Se conocen bariones "exóticos" formados por cuatro quarks y un antiquark denominados pentaquarks, pero su existencia no esgeneralmente aceptada.

La materia bariónica es la parte del universo que está hecha de bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universono incluye la energía oscura, la materia oscura, los agujeros negros o las diversas formas de materia degenerada, como lasestrellas enanas blancas y estrellas de neutrones. La radiación de microondas observada por el Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe (WMAP), sugiere que solo un 4,6% de la parte del universo dentro de la gama de los mejores telescopios(es decir, la materia que puede ser visible porque la luz puede llegar a nosotros de ella), está hecho de materia bariónica.Alrededor de un 23% es materia oscura, y alrededor de un 72% es energía oscura 36

En física, “materia degenerada” se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura próxima al ceroabsoluto. 37 El principio de exclusión de Pauli, exige que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno con spinarriba y otro con spin abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan los niveles suficientes para dar cabida atodos los fermiones disponibles, y para el caso de muchos fermiones la máxima energía cinética, llamada Energía de Fermi, yla presión del gas se hacen muy grandes y dependen del número de fermiones en lugar del valor de la temperatura, a diferenciade los estados normales de la materia.

La materia degenerada se cree que ocurre durante la evolución de estrellas pesadas. 38

La demostración por Chandrasekhar de que las estrellas enana blanca tienen una masa máxima permitida por el principio deexclusión provocó una revolución en la teoría de la evolución de las estrellas. 39 La materia degenerada incluye la parte deluniverso que está compuesto por estrellas de neutrones y enanas blancas.

Materia degenerada

Una comparación entre la enana blanca IKPegasi B (centro), su compañero de claseA, IK Pegasi A (izquierda) y el Sol(derecha). Esta enana blanca tiene unatemperatura superficial de 35,500 K.

La “materia extraña” es una forma particular de materia de quarks, generalmenteconsiderado como un "líquido" de quarks quark arriba, quark abajo y quarkextraño. Esto debe compararse con la materia nuclear, que es un líquido deneutrones y protones (que sí están compuestos de quarks arriba y abajo), y con lamateria no extraña de quarks, que es un líquido de quarks que contiene solo losquarks arriba y abajo. A una densidad suficientemente alta, la materia extraña seespera que sea superconductor de color. Se ha sugerido que la materia extraña seproduce en el núcleo de las estrellas de neutrones, o, más especulativamente, enforma de gotas aisladas, que pueden variar en tamaño desde femtometros(Strangelets) a kilómetros (estrellas de quarks).

En física de partículas y astrofísica, el término se utiliza de dos maneras, una másamplia y la otra más específica.

1. El significado más amplio es solo materia de quarks que contiene tres sabores de quarks: arriba, abajo, yextraño. En esta definición, hay una presión crítica y una densidad crítica asociada, y cuando la materianuclear (hecha de protones y neutrones) se comprime más allá de esta densidad, los protones y neutronesse disocian en los quarks, obteniéndose materia de quarks (probablemente materia extraña).

2. El sentido más restringido es materia de quarks que es más estable que la materia nuclear. La idea de queesto podría ocurrir es la "hipótesis de la materia extraña" de Bodmer40 y Witten.41

En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado fundamental de la materia es siempre materia de quarks. Losnúcleos que se ven en la materia que nos rodea, que son gotitas de la materia nuclear, son en realidad metaestable, y dado eltiempo suficiente (o el estímulo externo a la derecha) se desintegraría en gotas de materia extraña, p.ej. strangelets ".

Un átomo es la unidad fundamental estructural de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico.42 Unasustancia química43 es una clase particular de materia homogénea constituida por átomos ya sean libres o enlazados entre síen proporciones definidas44 .45 46

La estructura fundamental de un átomo se encuentra constituida por un núcleo bariónico de protones y neutrones, y una nubeorbital de electrones atraídos debido a la fuerza electromagnética.

Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente, la fuerza nuclear, que esgeneralmente más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. Bajo ciertascircunstancias, más acentuado cuanto mayor número de protones tenga el átomo, la fuerza electromagnética repelente sevuelve más fuerte que la fuerza nuclear y los nucleones pueden ser expulsados o desechados del núcleo, dejando tras de sí unelemento diferente: desintegración nuclear que resulta en transmutación nuclear.

El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los átomos de cobrecontienen 29 protones. El número de neutrones define el isótopo del elemento.47

Los núcleos atómicos tienen algún tipo de estructura interna, por ejemplo los neutrones y protones parecen estar orbitandounos alrededor de los otros, hecho que se manifiesta en la existencia del momento magnético nuclear. Sin embargo, losexperimentos revelan que el núcleo se parece mucho a una esfera o elipsoide compacto de 10-15 m (= 1 fm), en el que ladensidad parece prácticamente constante. Naturalmente el radio varía según el número de protones y neutrones, siendo losnúcleos más pesados y con más partículas algo más grandes.

Los núcleos atómicos se comportan como partículas compuestas a energías suficientemente bajas. Además, la mayoría denúcleos atómicos por debajo de un cierto peso atómico y que además presentan un equilibrio entre el número de neutrones y elnúmero de protones (número atómico) son estables. Sin embargo, sabemos que los neutrones aislados y los núcleos con

Materia extraña

Dos significados del término "materia extraña"

Átomos

Generalidades del núcleo atómico

(1)

(2)

Diagrama de Segrè, en rojo los núcleos estables,en otros colores los núcleos inestables coloreadossegún el período de desintegración. Obsérveseque un ligero exceso de neutrones favorece laestabilidad en átomos pesados.

demasiados neutrones (o demasiados protones) son inestables oradiactivos.

La explicación de esta estabilidad de los núcleos reside en la existenciade los piones. Aisladamente los neutrones pueden sufrir vía interaccióndébil la siguiente desintegración:

Sin embargo, dentro del núcleo atómico la cercanía entre neutrones yprotones hace que sean mucho más rápidas, vía interacción fuerte lasreacciones:

Una capa electrónica,48 capa de electrones o cubierta de electronesdesigna a la distribución de un orbital alrededor del núcleo de un átomo.Cada capa puede contener un cierto número máximo de electrones y estáasociada con un particular rango de energía en función de su distancia al núcleo. En un átomo estable, para que una cierta capapueda contener electrones, es necesario que todas las interiores a ella estén completamente ocupadas. Los electrones en la capapoblada más externa, llamada capa de valencia y que es la única que puede encontrarse parcialmente vacía, determinan laspropiedades químicas del átomo.

El modelo atómico de Schrödinger concebía originalmente los electrones como ondas de materia. Así la ecuación seinterpretaba como la ecuación ondulatoria que describía la evolución en el tiempo y el espacio de dicha onda material. Mástarde Max Born propuso una interpretación probabilística de la función de onda de los electrones. Esa nueva interpretación escompatible con los electrones concebidos como partículas cuasipuntuales cuya probabilidad de presencia en una determinadaregión viene dada por la integral del cuadrado de la función de onda en una región. Es decir, en la interpretación posterior delmodelo, este era modelo probabilista que permitía hacer predicciones empíricas, pero en el que la posición y la cantidad demovimiento no pueden conocerse simultáneamente, por el principio de incertidumbre. Así mismo, el resultado de ciertasmediciones no están determinadas por el modelo, sino solo el conjunto de resultados posibles y su distribución deprobabilidad.

Un orbital atómico es la región del espacio definido por una determinada solución particular, espacial e independiente deltiempo, a la ecuación de Schrödinger para el caso de un electrón sometido a un potencial coulombiano. La elección de tresnúmeros cuánticos en la solución general señalan unívocamente a un estado monoelectrónico posible.

Estos tres números cuánticos hacen referencia a la energía total del electrón, el momento angular orbital y la proyección delmismo sobre el eje z del sistema del laboratorio y se denotan por

Un orbital también puede representar la posición independiente del tiempo de un electrón en una molécula, en cuyo caso sedenomina orbital molecular.

La combinación de todos los orbitales atómicos dan lugar a la corteza electrónica, representada por el modelo de capas, el cualse ajusta a cada elemento químico según la configuración electrónica correspondiente. Por simplicidad, se recogen las formasde la parte angular de los orbitales, obviando los nodos radiales, que siempre tienen forma esférica.

Generalidades de la nube electrónica

El orbital s tiene simetría esférica alrededor del núcleo atómico. En la figura siguiente se muestran dos formas alternativas pararepresentar la nube electrónica de un orbital s: en la primera, la probabilidad de encontrar al electrón (representada por ladensidad de puntos) disminuye a medida que nos alejamos del centro; en la segunda, se representa el volumen esférico en queel electrón pasa la mayor parte del tiempo y por último se observa el electrón.

La forma geométrica de los orbitales p es la de dos esferas achatadas hacia el punto de contacto (el núcleo atómico) yorientadas según los ejes de coordenadas. En función de los valores que puede tomar el tercer número cuántico ml (-1, 0 y 1)se obtienen los tres orbitales p simétricos respecto a los ejes X, Z e y. Análogamente al caso anterior, los orbitales p presentann-2 nodos radiales en la densidad electrónica, de modo que al incrementarse el valor del número cuántico principal laprobabilidad de encontrar el electrón se aleja del núcleo atómico. El orbital "p" representa también la energía que posee unelectrón y se incrementa a medida que se aleja entre la distancia del núcleo y el orbital.

Los orbitales d tienen orientaciones más diversas. Cuatro de ellos tienen forma de 4 lóbulos de signos alternados (dos planosnodales, en diferentes orientaciones del espacio), y el último es un doble lóbulo rodeado por un anillo (un doble cono nodal).Siguiendo la misma tendencia, presentan n-3 nodos radiales. Este tiene 5 orbitales y corresponde al número cuántico l(azimutal)

La ecuación de Pauli, o ecuación de Schrödinger-Pauli, es una generalización o reformulación de la ecuación deSchrödinger para partículas de espín 1/2 que tiene en cuenta la interacción entre el espín y el campo electromagnético. Estaecuación es el límite no relativista de la ecuación de Dirac y puede usarse para describir electrones para los cuales los efectosrelativistas de la velocidad pueden despreciarse. En general, un efecto de apantallamiento es aquel capaz de atenuar unafuerza o interacción. En física atómica, el efecto pantalla sobre los electrones más externos de un átomo se describe como laatenuación de la fuerza atractiva neta sobre el electrón, debido a la presencia de otros electrones en capas inferiores y delmismo nivel energético. El efecto pantalla es una barrera de electrones de un mismo nivel, los cuales ejercen fuerzas derepulsión sobre electrones de mayor nivel, disminuyendo así la probabilidad de encontrar estos electrones en niveles inferiores.Cada nivel produce efecto de cola pantalla; a mayor número de electrones mayor es el efecto de pantalla.

Dentro de la física cuántica este efecto es la interferencia que existe entre la última orbita de un átomo y su núcleo.

La llamada ecuación de Dirac es la versión relativista de la ecuación de ondas de la mecánica cuántica y fue formulada porPaul Dirac en 1928. Da una descripción de las partículas elementales de espín ½, como el electrón, y es completamenteconsistente con los principios de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad especial. Además de dar cuenta del espín,la ecuación predice la existencia de antimateria.

La configuración electrónica indica la manera en la cual los electrones se estructuran, comunican u organizan en un átomo deacuerdo con el modelo de capas electrónicas, en el cual las funciones de ondas del sistema se expresan como un átomo oatómicamente un producto de orbitales antisimetrizadas.49 50 La configuración electrónica es importante ya que determina laspropiedades de combinación química de los átomos y por lo tanto su posición en la tabla periódica de los elementos.

De acuerdo con la mecánica cuántica, los electrones pueden pasar de un orbital atómico a otro ya sea emitiendo o absorbiendoun cuanto de energía, en forma de fotón. Esta transición de un orbital a otro con diferentes energías explican diversosfenómenos de emisión y absorción de radiación electromagnética por parte de los átomos.

Los gases nobles son un grupo de elementos químicos con propiedades muy similares: por ejemplo, bajo condicionesnormales, son gases monoatómicos inodoros, incoloros y presentan una reactividad química muy baja. Se sitúan en elgrupo 18 (VIIIA)51 de la tabla periódica (anteriormente llamado grupo 0).

Las propiedades de los gases nobles pueden ser explicadas por las teorías modernas de la estructura atómica: a su capaelectrónica de electrones valentes se la considera completa,52

La energía de ionización o potencial de ionización (Ei) es la energía necesaria para separar un electrón en su estadofundamental de un átomo de un elemento en estado gaseoso.53 La reacción puede expresarse de la siguiente forma:

.

En este caso se forma un ion monoatómico de carga positiva (catión monoatómico)

La afinidad electrónica (Eea) se define como la energía liberada cuando un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental(en su menor nivel de energía) captura un electrón y forma un ion mononegativo:

Dado que se trata de energía liberada, pues normalmente al insertar un electrón en un átomo predomina la fuerza atractiva delnúcleo, tiene signo negativo. En los casos en los que la energía sea absorbida, cuando ganan las fuerzas de repulsión, tendránsigno positivo.

También podemos recurrir al proceso contrario para determinar la primera afinidad electrónica, ya que sería la energíaconsumida en arrancar un electrón a la especie aniónica mononegativa en estado gaseoso de un determinado elemento;evidentemente la entalpía correspondiente Eea tiene signo negativo, salvo para los gases nobles y metales alcalinotérreos. Esteproceso equivale al de la energía de ionización de un átomo, por lo que la Eea sería por este formalismo la energía deionización de orden cero.

Esta propiedad nos sirve para prever qué elementos generarán con facilidad especies monoatómicas aniónicas estables.

Configuración electrónica

Un enlace químico es el proceso químico responsable de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas,54 y queconfiere estabilidad a los compuestos químicos diatómicos y poliatómicos. La explicación de tales fuerzas atractivas es un áreacompleja que está descrita por las leyes de la química cuántica.

Un enlace iónico o electrovalente es el resultado de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, esdecir,un par anión-catión.55 . La atracción electrostática entre los iones de carga opuesta causa que se enlacen. Para que unenlace iónico se genere es necesario que la diferencia (delta) de electronegatividades sea mayor que 1.7 o igual. (Escala dePauling; de acuerdo al Triángulo de Van Arkel-Ketelaar).56

Cabe resaltar que ningún enlace es totalmente iónico, siempre habrá una contribución en el enlace que se le pueda atribuir a lacompartición de los electrones en el mismo enlace (covalencia).57 El modelo del enlace iónico es una exageración que resultaconveniente ya que muchos datos termodinámicos se pueden obtener con muy buena precisión si se piensa que los átomos soniones y no hay compartición de electrones.

Un enlace covalente está implícito en la estructura de Lewis indicando electrones compartidos entre los átomos. Un enlacecovalente entre dos átomos se produce cuando estos átomos se unen, para alcanzar el octeto estable, compartiendo electronesdel último nivel58 (excepto el hidrógeno que alcanza la estabilidad cuando tiene 2 electrones). La diferencia deelectronegatividad entre los átomos no es lo suficientemente grande como para que se produzca una unión de tipo iónica. Paraque un enlace covalente se genere es necesario que la diferencia de electronegatividad entre átomos sea menor a 1.7.59

En química, la teoría del enlace de valencia (TEV) explica la naturaleza de un enlace químico en una molécula, en términosde las valencias atómicas.60 La teoría del enlace de valencia se resume en la regla de que el átomo central en una moléculatiende a formar pares de electrones, en concordancia con restricciones geométricas, según está definido por la regla del octeto.La teoría del enlace de valencia está cercanamente relacionada con la teoría de los orbitales moleculares.

Un aspecto importante de la teoría del enlace de valencia es la condición de máximo solapamiento que conduce a la formaciónde los enlaces posibles más fuertes. Esta teoría se usa para explicar la formación de enlaces covalentes en muchas moléculas.

Por ejemplo, en el caso de la molécula F2, el enlace F-F está formado por el solapamiento de orbitales p de dos átomos deflúor diferentes, cada uno conteniendo un electrón desapareado. Dado que la naturaleza de los orbitales es diferente en lasmoléculas de H2 y F2, la fuerza de enlace y la longitud de enlace diferirán en ambas moléculas.

En una molécula de HF, el enlace covalente está formado por el solapamiento del orbital 1s del H y 2p del F, cada unoconteniendo un electrón desapareado. La compartición mutua de los eletrones entre H y F resulta en la formación de un enlacecovalente entre ambos.

En química, se conoce como hibridación a la interacción de orbitales atómicos dentro de un átomo para formar nuevosorbitales híbridos. Los orbitales atómicos híbridos son los que se superponen en la formación de los enlaces, dentro de lateoría del enlace de valencia, y justifican la geometría molecular.

Configuración de losorbitales sp². El carbonocon hibridación sp2 seune con 3 átomos (dosenlaces simples y undoble enlace)

El enlace sigma (enlace σ) es el tipo más fuerte de enlace químico covalente, incluso más fuerte que el enlace pi, el cual formael doble enlace. El orbital sigma se define de forma más clara para moléculas diatómicas usando el lenguaje y las herramientasde la simetría de grupos.

Enlaces atómicos

enlace σ entre dos átomos: localizaciónde la densidad electrónica.

Los enlaces pi (enlaces π) son enlaces químicos covalentes donde dos lóbulos de un orbital involucrado en el enlace solapancon dos lóbulos del otro orbital involucrado. Estos orbitales comparten un plano nodal que pasa a través de los núcleosinvolucrados.

Dos orbitales p formando un orbitalπ.

El enlace de coordinación o coordinado, igual conocido como enlace covalente dativo o enlace bipolar, es un enlacecovalente en el que cada par de electrones compartido por dos átomos es aportado por uno de ellos. El átomo que aporta el parde electrones se denomina dador, y el que lo recibe, receptor.61

La teoría de los orbitales moleculares (TOM), es un método para determinar el enlace químico en el que los electrones noestán asignados a enlaces individuales entre átomos, sino que se mueven bajo la influencia de los núcleos de toda lamolécula.62

los orbitales moleculares son regiones del espacio que contienen la densidad electrónica definida por funciones matemáticasque describen el comportamiento ondulatorio que pueden tener los electrones en las moléculas. Estas funciones pueden usarsepara calcular propiedades químicas y físicas tales como la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio. Eltérmino orbital fue presentado por primera vez en inglés por Robert S. Mulliken en 1932 como abreviatura de «función deonda orbital de un electrón» (one-electron orbital wave function63 ) a partir de una traducción de la palabra alemana utilizadaen 1925 por Erwin Schrödinger, 'Eigenfunktion'. Desde entonces se considera un sinónimo a la región del espacio generadacon dicha función. Los orbitales moleculares se construyen habitualmente por combinación lineal de orbitales atómicoscentrados en cada átomo de la molécula. Utilizando los métodos de cálculo de la estructura electrónica, como por ejemplo, elmétodo de Hartree-Fock o el de los campos autoconsistente (self-consistent field, SCF), se pueden obtener de formacuantitativa.

La teoría de campo cristalino (TCC) es un modelo teórico que describe la estructura electrónica de aquellos compuestos delos metales de transición que pueden ser considerados compuestos de coordinación. La teoría de campo cristalino explicaexitosamente algunas de las propiedades magnéticas, colores, entalpías de hidratación y estructuras de espinela (octaédrica) delos complejos de los metales de transición, pero no acierta a describir las causas del enlace. La TCC fue desarrollada por losfísicos Hans Bethe y John Hasbrouck van Vleck64 en la década de 1930. La TCC fue posteriormente combinada con lateoría de orbitales moleculares para producir la teoría del campo de ligandos que aunque resulta un poco más complejatambién es más ajustada a la realidad, ya que se adentra además en la explicación del proceso de formación del enlace químicoen los complejos metálicos.

Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones devalencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí.65

Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de líneastridimensionales que adquieren estructuras tales como: la típica de empaquetamiento compacto de esferas (hexagonalcompacta), cúbica centrada en las caras o la cúbica centrada en el cuerpo.

Teoría molecular

Una molécula es un grupo eléctricamente neutro y suficientemente estable de al menos dos átomos en una configuracióndefinida, unidos por enlaces químicos fuertes (covalentes o enlace iónico).66 67 68 69 70 71

En este estricto sentido, las moléculas se diferencian de los iones poliatómicos. La geometría molecular se refiere a ladisposición tridimensional de los átomos que constituyen una molécula. Determina muchas de las propiedades de lasmoléculas, reactividad, polaridad, fase, color, magnetismo, actividad biológica, etc. Actualmente, el principal modelo es lateoría de repulsión de pares de electrones de valencia (TRPEV), empleada internacionalmente por su gran predictibilidad.

La simetría molecular describe la simetría de las moléculas y utiliza este criterio para su clasificación. La simetría moleculares un concepto fundamental en química, pues muchas de las propiedades químicas de una molécula, como su momento dipolary las transiciones espectroscópicas permitidas (basadas en reglas de selección como la regla de Laporte) pueden predecirse oser explicadas a partir de la simetría de la molécula. Aunque existen varios marcos teóricos en los que la simetría molecularpuede estudiarse, la teoría de grupos es el principal. Existen muchas técnicas para establecer empíricamente la simetríamolecular, incluyendo la cristalografía de rayos X y varias formas de espectroscopia.

La topología molecular es una parte de la química matemática y trata de la descripción algebraica de los compuestosquímicos, permitiendo una caracterización única y fácil de los mismos. La topología no es sensible a los detalles de un campoescalar, y con frecuencia se puede determinar mediante cálculos simplificados. Los campos escalares como la densidad deelectrones, el campo de Madelung, el campo covalente y el potencial electrostático se pueden utilizar para establecer el modelode topología.72

Una macromolécula es una molécula de gran tamaño creada comúnmente a través de la polimerización de subunidades máspequeñas (monómeros). Por lo general, se componen de miles, o más, de átomos. Pueden ser tanto orgánicas comoinorgánicas y las más comunes en bioquímica son biopolímeros (ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y polifenoles) ygrandes moléculas no poliméricas (como lípidos y macrociclos).73 Son macromoléculas sintéticas los plásticos comunes y lasfibras sintéticas, así como algunos materiales experimentales, como los nanotubos de carbono.74 75

En mecánica cuántica, bajo la interpretación probabilística, las partículas no pueden ser consideradas puntuales, sino que seencuentran deslocalizadas espacialmente antes de realizar una medida sobre su posición. La densidad electrónica es unadistribución que determina la probabilidad espacial de una o más partículas idénticas.

La polarizabilidad es la tendencia relativa de una distribución de cargas, tal como la nube electrónica de un átomo omolécula, a ser distorsionada de su forma normal por un campo eléctrico externo, que puede ser causado por la presencia deun ion cercano o un dipolo. La polarización electrónica es un desplazamiento de las cargas en presencia de un campo eléctricoexterno, es decir en un átomo neutro la nube electrónica se reorienta de tal manera que el átomo se distorsiona ligeramente ypierde su simetría. La dificultad al analizar estos fenómenos varia en el tratamiento de la interacción de muchos cuerpos.

La polarizabilidad electrónica está definida como la razón del momento dipolar inducido de un átomo al campo eléctrico que produce dicho momento dipolar. Una Fuerza intermolecular se refiere a las interacciones que existen entre las

moléculas conforme a su naturaleza. Generalmente, la clasificación es hecha de acuerdo a la polaridad de las moléculas queestán interaccionando, o sobre la base de la naturaleza de las moléculas, de los elementos que la conforman.76

La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer a densidad electrónica, cuando forma un enlace químico enuna molécula.77 También debemos considerar la distribución de densidad electrónica alrededor de un átomo determinadofrente a otros distintos, tanto en una especie molecular como en sistemas o especies no moleculares.

Al formarse una molécula de modo enlace covalente el par de electrones tiende a desplazarse hacia el átomo que tiene mayorelectronegatividad. Esto origina una densidad electrónica asimétricas entre los núcleos que forman el enlace, al cual se ledenomina como enlace covalente polar. (se forma un dipolo eléctrico). El enlace es más polar cuanto mayor sea la diferenciaentre las electronegatividades de los átomos que se enlazan. La polaridad química es una propiedad de las moléculas derivadade la suma vectorial de los momentos dipolos de los enlaces covalentes polares de una molécula. Esta propiedad estáíntimamente relacionada con otras propiedades como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, las fuerzasintermoleculares, etc.

Generalidades de las moléculas

Interacciones intermoleculares

Las interacciones débiles no covalentes se les llama "débiles" porque representan la energía que mantienen unidas a lasespecies moleculares y que son considerablemente más débiles que los enlaces covalentes. Las interacciones no covalentesfundamentales son:

La fuerza por puente de hidrógenoLas fuerzas de Van der Waals, que podemos clasificar a su vez en:

ion-dipolo.dipolo - dipolo.dipolo - dipolo inducido.Fuerzas de dispersión de London conocidas como dipolo instantáneo-dipolo instantáneo, provocadaspor la .

La teoría cinética de los gases es una teoría física y química que explica el comportamiento y propiedades macroscópicas delos gases (ley de los gases ideales), a partir de una descripción estadística de los procesos moleculares microscópicos.

La temperatura de un gas monoatómico es unamedida relacionada con la energía cinéticapromedio de sus moléculas al moverse. En estaanimación, la relación del tamaño de los átomosde helio respecto a su separación se conseguiríabajo una presión de 1950 atmósferas. Estosátomos a temperatura ambiente tienen una ciertavelocidad media (aquí reducida dos billones deveces).

Esta rama de la física describe las propiedades térmicas de los gases. Estos sistemas contienen números enormes de átomos omoléculas, y la única forma razonable de comprender sus propiedades térmicas con base en la mecánica molecular, esencontrar determinadas cantidades dinámicas de tipo promedio y relacionar las propiedades físicas observadas del sistema conestas propiedades dinámicas moleculares en promedio. Las técnicas para relacionar el comportamiento macroscópico global delos sistemas materiales con el comportamiento promedio de sus componentes moleculares constituyen la mecánica estadística.

El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con susdimensiones. Por lo tanto, ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y seconsideran masas puntuales.Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en forma aleatoria, condiferentes velocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia con el tiempo.Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto se conserva tanto el momento lineal como laenergía cinética de las moléculas.Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que las fuerzaseléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzasimpulsivas que surgen durante el choque.El gas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas.

Teoría cinética molecular

El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase.La ley de Graham establece que las velocidades de difusión y efusión de los gases son inversamenteproporcionales a las raíces cuadradas de sus respectivas masas molares:

Siendo las velocidades y las masas molares.

La efusión es el flujo de partículas de gas a través de orificios estrechos o poros. Se hace uso de este principio en el método deefusión de separación de isótopos. El fenómeno de efusión está relacionado con la energía cinética de las moléculas. Gracias asu movimiento constante, las partículas de una sustancia se distribuyen uniformemente en el espacio libre. Si hay unaaglomeración mayor de partículas en un punto habrá más choques entre sí, por lo que hará que se muevan hacia las regionesde menor número: las sustancias se efunden de una región de mayor aglomeración a una región de menor aglomeración.

La imagen de la izquierda muestra efusión,donde la imagen de la derecha muestradifusión. La efusión se produce a través de unorificio más pequeño que la trayectoria libremedia de las partículas en movimiento,mientras que la difusión ocurre a través de unaabertura en la cual las partículas múltiplespueden fluir a través simultáneamente.

Un gas real, en oposición a un gas ideal o perfecto, es un gas que exhibe propiedades que no pueden ser explicadasenteramente utilizando la ley de los gases ideales. Para entender el comportamiento de los gases reales, lo siguiente debe sertomado en cuenta:

- efectos de compresibilidad- capacidad calorífica específica variable- fuerzas de Van der Waals- efectos termodinámicos del no-equilibrio- cuestiones con disociación molecular y reacciones elementales con composición variable.

El análisis conformacional es la exploración de todos los confórmeros que se pueden obtener de una molécula dada al realizartorsiones alrededor de enlaces sencillos (grados de libertad conformacionales), observando los cambios en la energía molecularasociados a esas torsiones.

Muestra de lectura de bromometano (CH3 Br), quemuestra picos alrededor de 3000, 1300, y 1000cm−1 (en el eje horizontal).

Animación 3D del estiramiento simétricode los enlaces C – H de bromometano.

Diagrama de energía de Gibbs del butano en función del ángulo diedro.

El término macromolécula se refería originalmente a las moléculas que pesaban más de 10 000 dalton de masa atómica,78 aunque pueden alcanzar millones de UMAs.

La espectroscopia infrarrojaexplota el hecho de que lasmoléculas absorben lasfrecuencias que soncaracterísticas de suestructura. Estasabsorciones ocurren enfrecuencias de resonancia ,es decir, la frecuencia de laradiación absorbidacoincide con la frecuenciade vibración. Las energíasse ven afectadas por laforma de las superficies deenergía potencial molecular,las masas de los átomos y el

acoplamiento vibrónico asociado. En particular, en las aproximaciones deBorn-Oppenheimer y las armónicas, es decir, cuando el hamiltonianomolecular correspondiente al estado fundamental electrónico se puede aproximar mediante un oscilador armónico en lavecindad de la geometría molecular de equilibrio, las frecuencias resonantes se asocian con los modos normalescorrespondientes a La superficie de energía potencial del estado fundamental de la electrónica molecular. Las frecuencias deresonancia también están relacionadas con la fuerza del enlace y la masa de los átomos en cada extremo del mismo. Por lotanto, la frecuencia de las vibraciones está asociada con un modo de movimiento normal particular y un tipo de enlaceparticular.

La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las características físicas macroscópicas de lamateria. En particular, se refiere a las fases “condensadas” que aparecen siempre en que el número de constituyentes en unsistema sea extremadamente grande y que las interacciones entre los componentes sean fuertes. Los ejemplos más familiares defases condensadas son los sólidos y los líquidos, que surgen a partir de los enlaces y uniones causados por interaccioneselectromagnéticas entre los átomos.

Los cuerpos sólidos están formados por átomos densamente empaquetados con intensas fuerzas de interacción entre ellos. Losefectos de interacción son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas,magnéticas y ópticas de los sólidos.

Excepto el vidrio y las sustancias amorfas, cuya estructura no aparece ordenada sino desorganizada, toda la materia sólida seencuentra en estado cristalino. En general, se presenta en forma de agregado de pequeños cristales (o policristalinos) como enel hielo, las rocas muy duras, los ladrillos, el hormigón, los plásticos, los metales muy proporcionales, los huesos, etc.

Física de la materia condensada

También pueden constituir cristales únicos de dimensiones minúsculas como el azúcar o la sal, las piedras preciosas y lamayoría de los minerales, de los cuales algunos se utilizan en la tecnología moderna por sus sofisticadas aplicaciones, como elcuarzo de los osciladores o los semiconductores de los dispositivos electrónicos.

Los sólidos pueden ser clasificados de acuerdo a la naturaleza del enlace entre sus componentes atómicos o moleculares. Laclasificación tradicional distingue cuatro tipos de enlace:79

Enlace covalente, que forma sólidos de red covalente (algunas veces simplemente denominados "sólidoscovalentes").Enlace iónico, que forma sólidos iónicos.Enlace metálico, que forma sólidos metálicos.Enlace intermolecular débil, que forma sólidos moleculares.

Este estado de la materia fue descubierto por Satyendra Nath Bose, que envió su trabajo sobre estadísticas de los fotones aEinstein para comentar. Tras la publicación del documento de Bose, Einstein extendió su tratamiento a un número de partículasfijas (átomos), y predijo este quinto estado de la materia en 1925. Los condensados de Bose-Einstein fueron realizadosexperimentalmente por primera vez por varios grupos diferentes en 1995 para el rubidio, el sodio y el litio, utilizando unacombinación de láser y de refrigeración por evaporación .80 La condensación de Bose–Einstein para el hidrógeno atómico selogró en 1998 .81 El condensado de Bose-Einstein es un líquido similar al superfluido que se produce a bajas temperaturas enel que todos los átomos ocupan el mismo estado cuántico. En sistemas de baja densidad, que se produce en o por debajo de10−5 K .81

La química supramolecular es la rama de la química que estudia las interacciones supramoleculares, esto quiere decir entremoléculas. Su estudio está inspirado por la biología y está basada en los mecanismos de la química orgánica e inorgánicasintética.

La química supramolecular estudia el reconocimiento molecular y la formación de agregados supramoleculares lo que nosda paso para comprender e interfasear el mundo biológico, los sistemas complejos y la nanotecnología.La químicaSupramolecular se define como:

"La química supramolecular es la química de los enlaces intermoleculares, cubriendo las estructuras y funciones de lasentidades formadas por asociación de dos o más especies químicas" J-M- Lehn82

"La química supramolecular se define como la química más allá de la molecular, una química de interaccionesintermoleculares diseñadas" F. Vögtle83

Los agregados supramoleculares que son objeto de estudio por la química supramolecular son muy diversos, pudiendo abarcardesde sistemas biológicos donde intervienen un número elevado de moléculas que se organizan espontáneamente formandoestructuras más grandes,84 como monocapas, bicapas, micelas,85 complejos enzimáticos y lipoproteínas, hasta conjuntos depocas moléculas que sufren un fenómeno de autoensamblaje molecular,86 como los catenanos, rotaxanos, poliedrosmoleculares y otras arquitecturas afines.

La solvatación es el proceso de formación de interacciones atractivas entre moléculas de un disolvente con moléculas o ionesde un soluto.87 En la disolución los iones del soluto se dispersan y son rodeados por moléculas de solvente, lo mismo ocurreen las moléculas del solvente.88

Condensado de Bose–Einstein

Sistemas supramoleculares

Estructura del 2.2.2-Criptando queencapsula un catión de potasio(violeta). En estado cristalino,obtenida mediante difracción derayos X.89

Estructura del complejo de inclusión3:1de urea y 1,6-diclorohexano. Elmarco está compuesto pormoléculas de urea que están unidaspor enlaces de hidrógeno, dejandoaproximadamente canaleshexagonales en los que se alineanlas moléculas del clorocarbon (eloxígeno es de color rojo, el nitrógenoes azul, el cloro es verde).92

Clatrato de metano en plenacombustión.

Solvatación de un ion de sodio conagua.

Los criptandos son una familia de ligandos multidentados sintéticos bi- y policíclicosque poseen afinidad por una variedad de cationes.90 El Premio Nobel de Química de1987 fue otorgado a Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn —quien primero los estudioen 1969—, y Charles J. Pedersen por sus trabajos que permitieron descubrir ydeterminar los usos de criptandos y éteres de corona, dando comienzo al campo de laquímica supramolecular.91 El término criptando implica que el ligando retienesubstratos en una cripta, recluyendo al invitado como en un entierro. Estas moléculasson los análogos tridimensionales de los éteres de corona pero son más selectivos yatrapan a los iones con fuerzas mayores. Los complejos resultantes son lipofílicos.

Un clatrato, estructura de clatrato ocompuesto de clatrato (del latín clathratus,"rodeado o protegido, enrejado") es unasustancia química formada por una red de undeterminado tipo de molécula, que atrapa yretiene otro tipo de molécula.

Un hidrato gaseoso es, por ejemplo, un tipoespecial de clatrato en el que la molécula deagua forma una estructura capaz de contenerun gas. Un clatrato es un sistemasupramolecular de inclusión en el cualmoléculas del tamaño conveniente (2-9Angstrom) quedan atrapadas en las cavidadesque aparecen en la estructura de otrocompuesto.

La ciencia de las superficies es el estudio delos fenómenos físicos y químicos que ocurrenen la interfase de dos fases, incluyendo

interfases sólido-líquido, sólido-gas, sólido-vacío, líquido-gas. Es una cienciainterdisciplinaria con campos superpuestos de la química de superficies y física desuperficies. Como ciencia es un subcampo de la ciencia de materiales. La física desuperficies estudia los cambios físicos que ocurren en las interfaces. Algunos de losaspectos que estudia esta rama de la física incluyen las reconstrucciones superficiales;las transiciones electrónicas plasmones y acústicas en las superficies fonones; la epitaxia; la emisión electrónica; eltunelamiento electrónico; el ensamble de superficies; la formación de nanoestructuras.

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son atrapados oretenidos en una superficie,93 94 en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, la adsorción esun proceso en el cual, por ejemplo, un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con unasuperficie sólida (adsorbente).94 El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

Fenómenos de superficie

La nucleación puede hacer referencia a diferentes disciplinas, y es un proceso clave para entender el procesamiento térmico delos polímeros, aleaciones y algunas cerámicas. En química y biofísica, la nucleación puede hacer referencia a la formación demultímeros, que son intermediarios en los procesos de polimerización. Se cree que este tipo de proceso es el mejor modelopara procesos como la cristalización y la amiloidogénesis.

En física y química un coloide, sistema coloidal, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema conformado por dos omás fases, normalmente una fluida (líquido) y otra dispersa en forma de partículas generalmente sólidas muy finas, de diámetrocomprendido entre 10-9 y 10-5 m.1 La fase dispersa es la que se halla en menor proporción. Normalmente la fase continua eslíquida, pero pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentran en otros estados de agregación de la materia.

Las propiedades generales presentan los sistemas materiales básicos sin distinción y por tal motivo no permiten diferenciar unasustancia de otra. Algunas de las propiedades generales se les da el nombre de extensivas, pues su valor depende de lacantidad de materia, tal es el caso de la masa, el peso, volumen. Otras, las que no dependen de la cantidad de materia sino de lasustancia de que se trate, se llaman intensivas. El ejemplo paradigmático de magnitud intensiva de la materia másica es ladensidad.

Son las cualidades que nos permiten reconocer a la materia, como la extensión, o la inercia. Son aditivas debido a quedependen de la cantidad de la muestra tomada. Para medirlas definimos magnitudes, como la masa, para medir la inercia, y elvolumen, para medir la extensión (no es realmente una propiedad aditiva exacta de la materia en general, sino para cadasustancia en particular, porque si mezclamos por ejemplo 50 ml de agua con 50 ml de etanol obtenemos un volumen dedisolución de 96 ml). Hay otras propiedades generales como la interacción, que se mide mediante la fuerza. Todo sistemamaterial interacciona con otros en forma gravitatoria, electromagnética o nuclear. También es una propiedad general de lamateria su estructura corpuscular, lo que justifica que la cantidad se mida para ciertos usos en moles.

Son las cualidades de la materia independientes de la cantidad que se trate, es decir no dependen de la masa. No son aditivas y,por lo general, resultan de la composición de dos propiedades extensivas. El ejemplo perfecto lo proporciona la densidad, querelaciona la masa con el volumen. Es el caso también del punto de fusión, del punto de ebullición, el coeficiente desolubilidad, el índice de refracción, el módulo de Young, etc.

Son aquellas propiedades distintivas de las sustancias que se observan cuando reaccionan, es decir, cuando se rompen o seforman enlaces químicos entre los átomos, formándose con la misma materia sustancias nuevas distintas de las originales. Laspropiedades químicas se manifiestan en los procesos químicos (reacciones químicas), mientras que las propiamente llamadaspropiedades físicas, se manifiestan en los procesos físicos, como el cambio de estado, la deformación, el desplazamiento, etc.

Ejemplos de propiedades químicas:

Cáusticidad de las Base

Corrosividad de ácidosPoder calorífico o energía calóricaAcidezAlcalinidadReactividad

Propiedades de la materia ordinaria

Propiedades generales

Propiedades extrínsecas o generales

Propiedades intrínsecas o específicas

Propiedades químicas de la materia

Definición de materia en otros contextos

Una de las formas de consideración de la materia ha sido en su oposición con el alma. Según esta oposición la materia hacereferencia a lo "inerte", lo que no tiene vida.

En esta oposición el alma denota principio de "vida" como capacidad de automovimiento95 y en el caso de los animales, almenos los animales superiores, capacidad de conciencia; siendo exclusivo del hombre la capacidad de autoconcienciaentendida como espíritu y libertad.

El hecho religioso ha concedido históricamente a esta oposición una dimensión cultural importantísima. Pero la ciencia, alprescindir de cualquier dimensión metafísica o religiosa, no puede hacerse eco de esta distinción.

Las matemáticas y la lógica son ciencias formales porque no tienen ningún objeto material de estudio sino la “formas” válidasde inferencia. Por eso su mejor expresión es simbólica, sin contenido. Las demás ciencias en cuanto que tienen un objeto deestudio concreto son ciencias materiales.

Kant introdujo lo que llamó éticas materiales y éticas formales. Las primeras consisten en establecer los imperativos acerca delo que hay que hacer, es decir, tienen contenido. Las segundas no dicen lo que se tiene que hacer sino la “forma” en que sedebe actuar en cualquier circunstancia.

En las obras de arte, literatura, cine, pintura etc. suele distinguirse entre el contenido de que se trata (tema artístico, temaliterario) y la forma en que el tema es tratado. Al primer aspecto se le considera como la materia y al segundo la formapropiamente dicha en la que consiste el arte.96

También se denomina "materia" al material del que la obra de arte está hecho y que determina su técnica: materia pictórica(óleo, temple, fresco, etc.), materia escultórica (bronce, mármol, madera, etc.), materia arquitectónica o materiales deconstrucción (adobe, ladrillo, mampostería, sillares, madera, hierro, cristal, etc.)

Particularmente en pintura, la "materia" se opone al "soporte", en expresiones como "óleo sobre lienzo", "temple sobre tabla","técnica mixta sobre papel", etc.

El kilogramo es una unidad de la cantidad de materia, corresponde a la masa de un dm³ (1 litro) de aguapura a 4 °C de temperatura. A partir de esta medida, se creó un bloque de platino e iridio de la misma masaque se denominó kilogramo patrón. Este se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas deSèvres (Francia).La cantidad de materia también puede ser estimada por la energía contenida en una cierta región delespacio, tal como sugiere la fórmula E = m. c² que da la equivalencia entre masa y energía establecida por lateoría de la relatividad de Albert Einstein."Tabla de densidades" en [kg/m³]: Osmio 22300, Oro 19300 - Hierro 7960 - Cemento 3000 - Agua 1000 -Hielo 920 - Madera 600 a 900 - Aire 1, 29.La temperatura es una magnitud que indica el grado de agitación térmica de una sustancia. Asimismo,cuando dos sustancias que están en contacto tienen distintas temperaturas se produce una transferencia deenergía térmica (en forma de calor) hasta igualar ambas temperaturas. En el momento en que se igualan lastemperaturas se dice que estas dos sustancias están en equilibrio térmico.Los tres elementos químicos más abundantes en el universo son H, He y C; algunas de sus propiedadesmás importantes son:

Hidrógeno (H2): Densidad = 0, 0899 kg/m³ Teb = -252, 9 °C, Tf =-259, 1 °C.Helio (He): Densidad = 0, 179 kg/m³ Teb = -268, 9 °C, Tf = -272, 2 °C.

Materia y Alma - Cuerpo y Espíritu

Ciencias materiales y ciencias formales

Éticas materiales y éticas formales.

Materia y forma en las obras artísticas

Miscelánea

Carbono (C): Densidad = 2267 kg/m³ Teb = 4027 °C, Tf = 3527 °C.

AntimateriaMateria oscuraMaterialMaterialismo

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Véase también

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Bibliografía

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