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Materie macht alles sichtbar im bekannten Universum, von Porta-potties zu Supernovas. Und weil Materie niemals erschaffen oder zerstört wird, durchläuft sie unsere Welt. Atome, die vor Millionen von Jahren in einem Dinosaurier waren — und in einem Stern Milliarden von Jahren davor — können heute in dir sein.Materie ist alles, was Masse hat und Raum einnimmt. Es umfasst Moleküle, Atome, fundamentale Teilchen und jede Substanz, aus der diese Teilchen bestehen. Materie kann durch physikalische und chemische Veränderungen ihre Form verändern, aber durch jede dieser Veränderungen bleibt Materie erhalten. Die gleiche Menge an Materie existiert vor und nach der Veränderung — keine wird geschaffen oder zerstört. Dieses Konzept wird das Gesetz der Erhaltung der Masse genannt.Bei einer physikalischen Veränderung können sich die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes ändern, seine chemische Zusammensetzung jedoch nicht. Wasser besteht beispielsweise aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Wasser ist die einzige bekannte Substanz auf der Erde, die natürlich in drei Zuständen existiert: fest, flüssig und gasförmig. Um zwischen diesen Zuständen zu wechseln, muss Wasser physikalische Veränderungen erfahren. Wenn Wasser gefriert, wird es hart und weniger dicht, aber es ist immer noch chemisch gleich. Es gibt die gleiche Anzahl von Wassermolekülen, die vor und nach der Änderung vorhanden sind, und die chemischen Eigenschaften des Wassers bleiben konstant.
Um Wasser zu bilden, müssen Wasserstoff- und Sauerstoffatome jedoch chemische Veränderungen erfahren. Damit eine chemische Veränderung stattfinden kann, müssen Atome entweder Bindungen brechen und / oder Bindungen bilden. Die Addition oder Subtraktion atomarer Bindungen verändert die chemischen Eigenschaften der beteiligten Substanzen. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff sind zweiatomig — sie existieren natürlich als gebundene Paare (H2 bzw. O2). Unter den richtigen Bedingungen und mit genügend Energie brechen diese zweiatomigen Bindungen und die Atome verbinden sich zu H2O (Wasser). Chemiker schreiben diese chemische Reaktion wie folgt aus:
2H2 + O2 → 2H2O
Diese Gleichung besagt, dass zwei Moleküle Wasserstoff und ein Molekül Sauerstoff benötigt werden, um zwei Moleküle Wasser zu bilden. Beachten Sie, dass es auf beiden Seiten der Gleichung die gleiche Anzahl von Wasserstoffatomen und Sauerstoffatomen gibt. Bei chemischen Veränderungen, genau wie bei physikalischen Veränderungen, bleibt Materie erhalten. Der Unterschied besteht in diesem Fall darin, dass die Substanzen vor und nach der Änderung unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften haben. Wasserstoff und Sauerstoff sind Gase bei Standardtemperatur und -druck, während Wasser eine farblose, geruchlose Flüssigkeit ist. Ökosysteme haben viele chemische und physikalische Veränderungen auf einmal, und Materie ist in jedem einzelnen konserviert – keine Ausnahmen. Stellen Sie sich einen Strom vor, der durch eine Schlucht fließt – wie viele chemische und physikalische Veränderungen passieren zu einem bestimmten Zeitpunkt?
Betrachten wir zunächst das Wasser. Bei vielen Canyonbächen kommt das Wasser aus höheren Lagen und entspringt als Schnee. Natürlich ist das nicht, wo das Wasser begann — es ist auf der ganzen Welt gefahren worden, seit die Erde zum ersten Mal Wasser hatte. Aber im Zusammenhang mit dem Canyon Stream begann es in den Bergen als Schnee. Der Schnee muss sich physisch verändern – schmelzen -, um sich dem Strom anzuschließen. Wenn das flüssige Wasser durch den Canyon fließt, kann es verdampfen (eine weitere physikalische Veränderung) in Wasserdampf. Wasser ist ein sehr klares Beispiel dafür, wie Materie durch unsere Welt kreist, häufig ihre Form ändert, aber nie verschwindet.Betrachten Sie als nächstes die Pflanzen und Algen, die in und entlang des Baches leben. In einem Prozess namens Photosynthese wandeln diese Organismen Lichtenergie von der Sonne in chemische Energie um, die in Zuckern gespeichert ist. Die Lichtenergie erzeugt jedoch nicht die Atome, aus denen diese Zucker bestehen — das würde das Gesetz der Massenerhaltung brechen —, sondern liefert einfach Energie für eine chemische Veränderung. Die Atome stammen aus Kohlendioxid in der Luft und Wasser im Boden. Lichtenergie ermöglicht es diesen Bindungen, zu brechen und sich zu reformieren, um Zucker und Sauerstoff zu produzieren, wie in der chemischen Gleichung für die Photosynthese gezeigt:
6CO2 + 6H2O + Licht → C6H12O6 (Zucker)+ 6O2
Diese Gleichung besagt, dass sich sechs Kohlendioxidmoleküle mit sechs Wassermolekülen zu einem Zuckermolekül und sechs Sauerstoffmolekülen verbinden. Wenn Sie alle Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome auf beiden Seiten der Gleichung addieren würden, wären die Summen gleich; Materie bleibt bei dieser chemischen Veränderung erhalten.Wenn Tiere in und um den Bach diese Pflanzen fressen, nutzen ihre Körper die gespeicherte chemische Energie, um ihre Zellen anzutreiben und sich zu bewegen. Sie nutzen die Nährstoffe in ihrer Nahrung, um zu wachsen und ihren Körper zu reparieren — die Atome für neue Zellen müssen von irgendwoher kommen. Jede Nahrung, die in den Körper eines Tieres gelangt, muss entweder seinen Körper verlassen oder Teil davon werden; Keine Atome werden zerstört oder erzeugt.Materie wird auch während physikalischer und chemischer Veränderungen im Gesteinskreislauf konserviert. Wenn sich ein Bach tiefer in eine Schlucht gräbt, verschwinden die Felsen des Canyonbodens nicht. Sie werden vom Bach erodiert und in kleinen Stücken, den sogenannten Sedimenten, abtransportiert. Diese Sedimente können sich am Ende des Baches am Grund eines Sees oder Teiches absetzen und sich im Laufe der Zeit in Schichten aufbauen. Das Gewicht jeder zusätzlichen Schicht verdichtet die darunter liegenden Schichten und fügt schließlich so viel Druck hinzu, dass sich neues Sedimentgestein bildet. Dies ist eine physikalische Veränderung für das Gestein, aber unter den richtigen Bedingungen kann sich das Gestein auch chemisch verändern. In beiden Fällen bleibt die Materie im Gestein erhalten.
Die Quintessenz ist: Materie durchläuft das Universum in vielen verschiedenen Formen. Bei jeder physikalischen oder chemischen Veränderung erscheint oder verschwindet Materie nicht. Atome, die in den Sternen erschaffen wurden (vor sehr, sehr langer Zeit), bilden jedes lebende und nicht lebende Ding auf der Erde — sogar Sie. Es ist unmöglich zu wissen, wie weit und durch welche Formen deine Atome gereist sind, um dich zu machen. Und es ist unmöglich zu wissen, wo sie als nächstes landen werden.Dies ist nicht die ganze Geschichte der Materie, aber es ist die Geschichte der sichtbaren Materie. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass etwa 25 Prozent der Masse des Universums aus dunkler Materie besteht — Materie, die nicht gesehen werden kann, aber durch ihre Gravitationseffekte nachgewiesen werden kann. Die genaue Natur der dunklen Materie muss noch bestimmt werden. Weitere 70 Prozent des Universums sind eine noch mysteriösere Komponente namens dunkle Energie, die der Schwerkraft entgegenwirkt. „normale“ Materie macht also höchstens fünf Prozent des Universums aus.