La sustancia química más abundante del universo
Un elemento, tal y como se define en el capítulo 1 “Química, materia y medida”, es una sustancia que no puede descomponerse en sustancias químicas más simples. En la Tierra se conocen unos 90 elementos naturales. Gracias a la tecnología, los científicos han podido crear cerca de 30 elementos adicionales que no se dan en la naturaleza. En la actualidad, la química reconoce 118 elementos, algunos de los cuales se crearon átomo a átomo. La figura 2.1 “Muestras de elementos” muestra algunos de los elementos químicos.
La abundancia de los elementos es muy variable. En el universo en su conjunto, el elemento más común es el hidrógeno (alrededor del 90% de los átomos), seguido del helio (la mayor parte del 10% restante). Todos los demás elementos están presentes en cantidades relativamente minúsculas, por lo que podemos detectar.
En el planeta Tierra, sin embargo, la situación es bastante diferente. El oxígeno constituye el 46,1% de la masa de la corteza terrestre (la capa relativamente fina de roca que forma la superficie de la Tierra), sobre todo en combinación con otros elementos, mientras que el silicio representa el 28,5%. El hidrógeno, el elemento más abundante del universo, sólo representa el 0,14% de la corteza terrestre. La tabla 2.1 “Composición elemental de la Tierra” recoge la abundancia relativa de los elementos en la Tierra en su conjunto y en la corteza terrestre. La tabla 2.2 “Composición elemental del cuerpo humano” muestra la abundancia relativa de los elementos en el cuerpo humano. Si comparas la Tabla 2.1 “Composición elemental de la Tierra” y la Tabla 2.2 “Composición elemental de un cuerpo humano”, encontrarás disparidades entre el porcentaje de cada elemento en el cuerpo humano y en la Tierra. El oxígeno tiene el mayor porcentaje en ambos casos, pero el carbono, el elemento con el segundo mayor porcentaje en el cuerpo, es relativamente raro en la Tierra y ni siquiera aparece como una entrada separada en la Tabla 2.1 “Composición elemental de la Tierra”; el carbono forma parte del 0,174% que representa “otros” elementos. ¿Cómo concentra el cuerpo humano tantos elementos aparentemente raros?
Cómo el universo creó los elementos de la tabla periódica
Un elemento químico es una especie de átomos que tiene un número determinado de protones en su núcleo, incluida la sustancia pura formada únicamente por esa especie[1] A diferencia de los compuestos químicos, los elementos químicos no pueden descomponerse en sustancias más simples mediante ninguna reacción química. El número de protones en el núcleo es la propiedad que define a un elemento y se denomina número atómico (representado por el símbolo Z): todos los átomos con el mismo número atómico son átomos del mismo elemento[1] Casi toda la materia bariónica del universo está compuesta por elementos químicos (entre las raras excepciones están las estrellas de neutrones). Cuando diferentes elementos sufren reacciones químicas, los átomos se reorganizan en nuevos compuestos unidos por enlaces químicos. Sólo una minoría de elementos, como la plata y el oro, se encuentran sin combinar en forma de minerales de elementos nativos relativamente puros. Casi todos los demás elementos naturales se encuentran en la Tierra en forma de compuestos o mezclas. El aire es principalmente una mezcla de los elementos nitrógeno, oxígeno y argón, aunque también contiene compuestos como el dióxido de carbono y el agua.
El origen de los elementos
La composición química del Universo está dominada por el hidrógeno y el helio producidos en el Big Bang. Los aproximadamente 90 elementos químicos restantes se producen en las estrellas y constituyen sólo un pequeño porcentaje de la masa total. Los astrónomos denominan a estos elementos (todos excepto el hidrógeno y el helio) como metales, aunque esto incluye elementos como el carbono y el oxígeno que no se consideran metales en el sentido normal.
La abundancia de metales con respecto al hidrógeno se conoce como metalicidad. Mientras que el hidrógeno y el helio se encuentran en gran abundancia en todo el Universo, la metalicidad varía en función de la historia de la formación estelar en la región. La composición química del Sol nos da una idea de la composición química de la vecindad solar:
Las metalicidades más altas se encuentran en los centros de las galaxias. Por ejemplo, cerca del centro de la Vía Láctea se han observado estrellas con metalicidades de hasta tres veces el valor solar. Sin embargo, también hay estrellas con sólo una décima parte del valor solar. Estas estrellas se formaron al principio de la historia de la galaxia, antes de que el medio interestelar (y las siguientes generaciones de estrellas) se enriquecieran en metales por la acción de otras estrellas.
Cocinar los elementos químicos
Aproximadamente el 73% de la masa del universo visible está en forma de hidrógeno. El helio representa un 25% de la masa y todo lo demás sólo un 2%. Aunque la abundancia de estos elementos más masivos (“pesados”, A > 4) parece bastante baja, es importante recordar que la mayoría de los átomos de nuestros cuerpos y de la Tierra forman parte de esta pequeña porción de la materia del universo. Los elementos de baja masa, el hidrógeno y el helio, se produjeron en las condiciones calientes y densas del nacimiento del propio universo. El nacimiento, la vida y la muerte de una estrella se describen en términos de reacciones nucleares. Los elementos químicos que componen la materia que observamos en todo el universo se crearon en estas reacciones.
Hace aproximadamente 15.000 millones de años el universo comenzó como una región extremadamente caliente y densa de energía radiante, el Big Bang. Inmediatamente después de su formación, comenzó a expandirse y a enfriarse. La energía radiante produjo quarks-antiquarks y electrones-positrones, así como otros pares partícula-antipartícula. Sin embargo, cuando las partículas y antipartículas colisionaban en el gas de alta energía, se aniquilaban de nuevo en energía electromagnética. A medida que el universo se expandía, la energía media de la radiación se reducía. La creación y aniquilación de partículas continuó hasta que la temperatura se enfrió lo suficiente como para que la creación de pares dejara de ser energéticamente posible.
