Wat materie is

Een astronaut op de Maan weegt een zesde van wat ze op aarde weegt, maar haar massa verandert helemaal niet.

Scheikundigen beschrijven materie in één korte zin: alles wat ruimte inneemt en massa heeft. Een baksteen is materie, en het water in een glas ook. Lucht is eveneens materie, ook al zie je haar niet. Blaas in een ballon en hij zet uit, want de lucht die je erin duwt heeft ruimte nodig. Licht, geluid en warmte zijn geen materie. Ze dragen energie, maar hebben zelf geen massa en vullen geen vat.

Massa is niet hetzelfde als gewicht

Massa meet hoeveel materie een voorwerp bevat. Je bepaalt haar met een balans door het voorwerp te vergelijken met standaardmassa's, of door te kijken hoeveel kracht nodig is om het voorwerp te versnellen: een auto vraagt veel meer duw dan een fiets. Gewicht is de aantrekkingskracht van de zwaartekracht op die massa. Het is evenredig met de massa, maar hangt af van waar je bent. De zwaartekracht van de Maan is ongeveer een zesde van die van de aarde, dus een astronaut weegt daar ongeveer een zesde zo veel. Haar massa, de hoeveelheid van haar, blijft precies gelijk. In een baan om de aarde voelt ze zich misschien gewichtloos, maar massaloos is ze nooit.

Drie alledaagse toestanden

Op aarde komt materie meestal voor in een van drie toestanden. Een vaste stof is stijf en houdt haar eigen vorm; een lepel blijft een lepel, of hij nu in een la ligt of in een kopje. Een vloeistof stroomt en neemt de vorm aan van het vat, maar de zwaartekracht geeft haar een vlak bovenoppervlak. In een baan om de aarde, waar het water en het ruimtevaartuig samen vrij vallen, trekt niets dat oppervlak vlak en trekt een klont water zichzelf tot een bol. Een gas vult het hele vat en neemt zowel de vorm als het volume ervan aan. Druk je een vaste stof of vloeistof samen, dan verandert het volume nauwelijks; druk je een gas samen, dan krimpt het sterk.

Er is een vierde toestand die op aarde zeldzaam is maar in het heelal veel voorkomt. Een plasma is een gas waarin veel deeltjes een elektrische lading dragen. Sterren bestaan eruit, en je ziet het ook in bliksem, in plasmasnijders en in sommige oudere televisieschermen. Sommige dingen lijken tot meer dan één toestand te behoren. Zand stroomt als een vloeistof, maar elke korrel is een vaste stof. Een wolk drijft als een gas, maar het is lucht met kleine druppels vloeibaar water of stukjes ijs.

Materie gaat niet verloren als ze verandert

Als ijs smelt of water kookt, verschijnt of verdwijnt de stof niet. De totale hoeveelheid materie blijft gelijk bij een overgang van toestand en bij een chemische reactie. Dit is de wet van behoud van massa. In het dagelijks leven is dat lastig te zien, omdat een deel van de producten meestal als gas ontsnapt, maar in een afgesloten vat laat de balans geen verandering zien. Een waterkoker lijkt water te verliezen als hij kookt; het water is er nog steeds, als damp verspreid door de keuken.

Het model in deze cursus verklaart dit allemaal met deeltjes: atomen of moleculen die voortdurend bewegen. In een vaste stof zitten ze vast op hun plek en kunnen ze alleen trillen. In een vloeistof raken ze elkaar nog, maar glijden ze langs elkaar. In een gas zitten ze ver uit elkaar en vliegen ze in rechte lijnen tot ze ergens tegenaan botsen. De temperatuur geeft aan hoe snel ze bewegen. De kinetische gastheorie zegt het precies: de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes is evenredig met de temperatuur in kelvin.