Per tal d'estudiar la matèria i les seves propietats, podem classificar la matèria en dos tipus, segons si està constituïda per una única substància o bé per dues o més substàncies diferents.

L'aigua destil·lada que fem servir al laboratori o per a la planxa de vapor, l'oxigen que respirem, l'alumini amb què es fabriquen molts estris de cuina... són exemples de substàncies pures, ja que estan constituïdes per una única substància. Les substàncies pures tenen unes propietats característiques perfectament determinades. Per exemple, l'aigua pura és inodora, insípida, es fon a 0 ºC i bull a 100 ºC. 

La majoria de les vegades, però, el que trobem a la natura són mescles de dues o més substàncies diferents: l'aigua del mar, la sorra de la platja, l'aire... Les propietats d'una mescla depenen dels tipus de substàncies que la formen i de la quantitat que hi ha de cada substància. Estudiarem les mescles en el tema 3.

A la natura es produeixen canvis contínuament: el dia i la nit se succeeixen en girar la Terra al voltant del seu eix; a la primavera la neu de les muntanyes es fon mentre que a l'hivern l'aigua dels llacs d'alta muntanya es glaça; les plantes transformen el diòxid de carboni i l'aigua en matèria pròpia gràcies a la llum del Sol i alliberen oxigen a l'atmosfera...

Tots aquests processos són canvis, però tots són diferents, i els podem classificar en dos grans grups segons com afecten la matèria: canvis físics i canvis químics.

Canvis físics: els canvis d'estat

Els canvis en què la naturalesa de les substàncies no varia s'anomenen canvis físics.

Els canvis d'estat són, doncs, canvis físics, ja que no impliquen un canvi de substància: quan l'aigua líquida s'evapora, es forma vapor d'aigua, però continuem tenint la mateixa substància. 

Així mateix, són canvis físics els canvis de posició o de temperatura d'un cos, com també els processos de mescla o dissolució de substàncies. 

En tots els canvis físics podem tornar a recuperar l'estat inicial de la matèria per mitjà de procediments senzills.

Canvis químics: les reaccions químiques

Els canvis en què una o diverses substàncies es transformen en unes altres de noves s'anomenen canvis químics o reaccions químiques.

Quan es crema un tros de fusta, la fusta desapareix i es formen cendres i gasos. Un clau de ferro s'oxida amb l'oxigen de l'aire. Del tub d'escapament dels cotxes en surten diòxid de carboni i vapor d'aigua com a resultat de la reacció de la benzina amb l'oxigen. En tots aquests casos la naturalesa de la substància ha variat, i sovint és impossible tornar a recuperar les substàncies inicials; per això són canvis químics.

Molts metalls s'oxiden per l'acció de l'oxigen de l'aire i es formen òxids del metall. Per exemple, quan el ferro s'oxida es forma òxid de ferro (rovell), que té unes propietats molt diferents del ferro inicial. Aquesta reacció s'anomena oxidació.

Alguns materials (combustibles), en reaccionar amb l'oxigen, desprenen energia en forma de llum i calor. Aquesta reacció s'anomena combustió. Són combustibles el carbó, la fusta, el gas natural, la benzina...

Les reaccions químiques també es produeixen a l'interior dels éssers vius. En són exemples la fotosíntesi, la digestió dels aliments i la respiració.

Les substàncies que experimenten les reaccions químiques s'anomenen reactius, i les que s'obtenen com a conseqüència de les reaccions s'anomenen productes.

Per exemple, l'oxigen en estat gasós es pot fer reaccionar amb l'hidrogen en estat gasós i se n'obté aigua. L'oxigen i l'hidrogen són els reactius, mentre que l'aigua és el producte de la reacció.

Des de fa molt de temps, la humanitat ha intentat buscar resposta als fenòmens observats. Per exemple, podem observar que els tipus de matèria diferents tenen propietats diferents, tal com hem estudiat en el tema anterior, en què hem vist que el vidre és dur i el guix és tou.

Observem, a més, que el comportament de la matèria varia segons l'estat físic en què es troba; així, per exemple, un líquid es converteix en vapor en augmentar la temperatura. I ens preguntem: què ha passat amb el líquid que ja no veiem? Tenen alguna cosa en comú el líquid i el vapor?

L'observació dels canvis que ens envolten sovint ens porta a preguntar-nos sobre quina és la constitució de la matèria, i potser així podrem entendre el seu comportament. Aquest tema continua sent, avui dia, un camp de recerca important per part dels científics.

La teoria cinètica

Gràcies als avenços tecnològics i als experiments científics amb la matèria, a final del segle xix es va aconseguir establir un model que explicava el comportament de la matèria en estat gasós. A partir d'aquest model es va desenvolupar la teoria cinètica, que explica com és la matèria i ens permet interpretar les característiques dels diferents estats físics. La teoria cinètica és una re-presentació teòrica de la realitat que està plenament acceptada per la comunitat científica i ens permet explicar els fenòmens observats.

D'acord amb la teoria cinètica, sabem que:

• • Cada substància està formada per partícules pròpies, que són característiques d'aquesta substància.
• • Les partícules que formen la matèria es mouen contínuament. Aquest moviment varia amb la temperatura: si augmenta, les partícules vibren o es mouen més de pressa.

Els estats de la matèria

Així, gràcies a la teoria cinètica, podem diferenciar els tres estats de la matèria segons com es troben les seves partícules:

Sòlid		En els sòlids, les partícules estan juntes i ordenades, però vibren.	Les partícules estan juntes i unides per forces molt fortes que les mantenen en una posició fixa i només poden vibrar; per això tenen forma pròpia. Com que no hi ha espais buits entre les partícules, els sòlids són incompressibles.
Líquid		En els líquids, les partícules estan juntes i desordenades, i canvien de posició, però sense arribar a separar-se gaire.	Les partícules estan juntes, però les forces que les uneixen són més dèbils; per això es poden desplaçar les unes sobre les altres i diem que els líquids flueixen. A més, poden canviar de forma i adaptar-se al recipient que els conté. Les partícules desordenades no s'arriben a separar gaire; per això són incompressibles.
Gas		En els gasos, les partícules estan molt separades i desordenades i es mouen lliurement de manera contínua, xocant entre elles i amb les parets del recipient que les conté.	Les forces que uneixen les partícules són molt dèbils, de manera que es poden moure en totes direccions i ocupar tot el volum del recipient. A més, les partícules estan separades i deixen espais buits entre elles; per això són compressibles.

Els canvis d'estat

La matèria canvia d'estat en variar la temperatura a una pressió determinada. Aquest canvi es pot entendre a partir de la teoria cinètica.

Canvis d'estat

Quan augmentem la temperatura d'un sòlid, les partícules que el formen vibren més ràpidament, fins que arriba un moment en què se separen i es poden desplaçar. En aquest punt les partícules poden adoptar la forma del recipient que les conté; és a dir, tenim un líquid. Si continuem augmentant la temperatura d'aquest líquid, les partícules van adquirint velocitat fins que arriba un moment en què trenquen les forces que les mantenen unides, de manera que se separen les unes de les altres, xoquen entre elles i ocupen el màxim d'espai possible; és a dir, tenim un gas.

Així doncs, l'aigua sòlida, l'aigua líquida i l'aigua en estat gasós estan formades per les mateixes partícules, però a causa de la variació de la temperatura o de la pressió, aquestes partícules es disposen i es mouen d'una manera diferent en l'espai.
 

Les diferents propietats observades en la matèria ens porten a preguntar-nos sobre la seva constitució. Si poguéssim agafar una substància qualsevol i dividir-la en trossos cada vegada més petits, fins a on podríem arribar?

Fa 2.500 anys, els savis de l'antiga Grècia ja es feien aquesta pregunta. I, a partir de l'observació, van deduir que la matèria estava formada per petites partícules invisibles el moviment de les quals originava els canvis observats. Aquestes partícules ja no es podien dividir en trossos més petits. Les van anomenar àtoms (del grec atomos, indivisible).

Si bé en un principi només es podia imaginar l'existència dels àtoms, actualment i gràcies a les observacions i als experiments realitzats pels científics amb la matèria, els avenços tecnològics han permès demostrar-ne l'existència.

Així, avui dia, tot i que no ho podem veure directament amb els ulls, sabem que la matèria està constituïda per partícules molt petites, els àtoms.

Els àtoms són unes partícules tan petites que en 1 mm de matèria cabrien, aproximadament, 10.000.000 d'àtoms posats l'un al costat de l'altre.

Tot i que les dimensions dels àtoms són extraordinàriament petites, s'ha aconseguit detectar-los i estudiar-los utilitzant un tipus de microscopi especial: el microscopi d'efecte túnel.

Els àtoms es poden continuar dividint encara més? La resposta és que sí. Els àtoms estan formats per partícules més petites anomenades partícules subatòmiques, però aquestes partícules ja no conserven les propietats característiques de la matèria.

Un àtom és la unitat més petita de matèria que manté les seves propietats característiques.

Així doncs, els àtoms d'un metall com ara l'or són diferents dels àtoms d'un altre metall, per exemple l'alumini, i també diferents dels àtoms de sofre, una substància no metàl·lica. Això determina que els diversos tipus de substàncies tinguin propietats característiques molt diferents. Per exemple, el que diferencia els àtoms de l'or dels àtoms de l'alumini o del sofre és la quantitat de partícules subatòmiques que els constitueixen.

Quan en augmentar la temperatura es fon un metall, com per exemple el ferro, els àtoms que el formen es disposen d'una manera diferent en l'espai, però això no canvia la seva constitució. De fet, els àtoms de ferro són iguals tant si el material es troba en estat sòlid com si està fos.

Els elements químics

Al nostre entorn hi ha molta matèria, i nosaltres mateixos som matèria. Ara sabem que la matèria està formada per àtoms, i que aquests, tot i que estan formats pel mateix tipus de partícules subatòmiques, no són tots iguals.

Al començament del tema hem vist que la matèria es pot classificar en substàncies pures i mescles. Les substàncies pures, al seu torn, estan constituïdes per àtoms, i aquests àtoms poden ser iguals o diferents. Això ens permet fer una nova classificació de les substàncies pures en elements i compostos.

Cada tipus d'àtom correspon a un element químic diferent i rep un nom determinat. Se'n coneixen més de cent de diferents. Alguns exemples d'elements són el ferro, l'hidrogen, el coure, el carboni, l'or, l'oxigen, el calci, etc.

La majoria d'elements es troben a la natura formant part de la matèria (en les roques, l'aire, els éssers vius...). N'hi ha alguns, pocs, que es troben en estat pur, i d'altres s'han obtingut als laboratoris. Actualment encara se'n descobreixen i se'n sintetitzen de nous. Els elements es representen per mitjà de símbols, que generalment estan formats per una lletra majúscula o bé dues lletres, la primera majúscula i la segona minúscula.

Elements químics a prop nostre
El mercuri és un metall líquid que durant molt de temps s’ha utilitzat en els termòmetres. Però ara els termòmetres són digitals perquè el mercuri és un element molt tòxic.	L’heli és un gas molt lleuger, menys dens que l’aire. S’utilitza per inflar globus i zepelins publicitaris, i també globus d’investigació atmosfèrica o per fer fotografies aèries.	El carboni es pot trobar a la natura formant substàncies tan diferents com ara el carbó o el diamant, depenent de la disposició dels seus àtoms en l’espai.
L’alumini és un metall lleuger i molt mal·leable. El seu ús més popular és com a embalatge d’aliments, però s’utilitza molt en la construcció, en la indústria automobilística i en aeronàutica.	El sofre és un element d’una olor característica que es troba en zones volcàniques. S’utilitza en la indústria química per fabricar àcid sulfúric, que es fa servir en les bateries dels cotxes i en la fabricació de fertilitzants.	La plata és un metall poc abundant, dúctil, mal·leable i molt bon conductor elèctric. S’utilitza molt en joieria i en les indústries fotogràfica, química i electrònica.

Com que els àtoms són tan petits, necessitem disposar d'un model que els representi i ens ajudi a entendre la composició de la matèria. Per representar els àtoms s'utilitzen esferes de diferents colors i mides. Cada color representa un àtom en concret (els colors van ser escollits per convenció) i les mesures de les esferes són proporcionals a les mesures dels àtoms simbolitzats. Aquest conjunt d'esferes que utilitzem per representar els àtoms i les diferents substàncies que formen s'anomena model molecular.

A més, els models moleculars també ens permeten representar els canvis químics que pateixen les substàncies en les reaccions.