Las nueve musas
Elemento

El concepto de elemento; mezcla y combinación

En la ilusión de cualquier adolescente—chico o chica—, que comience a interesarse por el conocimiento de los cambios materiales de las cosas de su alrededor, la cabeza le bulle por hacer experimentos en agua que cambien de color, fabricar pólvora para hacer bombas caseras, fabricar bombas fétidas con las que bromear con sus coleguis, etc…, aunque no es la única posibilidad.

concepto de elemento
Robert Boyle

La química es la ciencia que explica o intenta explicar los cambios relacionados con la estructura de los átomos que forman la materia, de la que están hechas todas las cosas, desde el agua del mar a los tejidos de una camiseta o la CPU de un  i-phone; todo está formado por átomos (deriva de un sonido griego que significa indivisible)los filósofos griegos ( entonces aún no estaban las ciencias separadas, todos eran filósofos) que se interesaron por la constitución de la materia—los atomistas—, explicaron que todos los objetos si los trituramos o disolvemos, es decir, los vamos haciendo más y más pequeños, llega un momento en el que ya no  es posible continuar: esa cantidad de materia ínfima, no divisible, la denominaron “no divisible”(átomo), afirmando que era imposible obtener partículas más pequeñas a partir de ellos.

Esta teoría—atomismo—, era tan lógica y atrevida que estuvo vigente hasta comienzos del XX, cuando los experimentos con altas energías (Descargas eléctricas en gases enrarecidos, invención de los rayos X, descubrimiento de sustancias radiactivas…), la pusieron en entredicho. Los atomistas elaboraron el concepto de átomo, que en realidad respondía al tamaño de lo más pequeño—la cantidad—, que no al tipo del átomo—la calidad—, de los mismos; la naturaleza de las cosas fue estudiada por Tales de Mileto, Anaxímenes, Heráclito y Empédocles; este último propuso la teoría de los Cuatro elementos (agua, aire, fuego y tierra) que tuvo vigencia hasta el renacimiento científico y la definición de Elemento por Robert Boyle ( XVII) en El  químico escéptico(1661): “Cuerpo primitivo y simple que no está formado por otros compuestos”. Boyle es el precursor de la química moderna, opinó que existían muchos más elementos que los cuatro preconizados por Empédocles,  padre de la teoría de los cuatro elementos, miró la materia con ojos científicos y destacó la clara distinción entre mezcla y combinación.

John Dalton
John Dalton

Elemento (del latín elementum), “cuerpo simple, principio físico o químico que entra en la composición de los compuestos”; también es fundamento, móvil o parte de algo; modernamente, lo definimos como los cuerpos más sencillos que ya no pueden descomponerse en otros más pequeños por medio de calor, energía eléctrica, etc…  Compuestos son las sustancias formadas por dos o más elementos que no se pueden separar más que por métodos químicos o medios energéticos normales, diferenciándose  de las mezclas en que ellas se pueden resolver en sus componentes por medios físicos sencillos. Pero la mayor diferencia de los Compuestos respecto de las mezclas es que aquellos tienen propiedades definidas que no se parecen en nada a los elementos que lo forman, y que los elementos entran en su composición en proporciones definidas no en cantidades arbitrarias, como enunció en gran John Dalton en sus leyes; por el contrario, las mezclas pueden formarse por cualquier proporción de sus constituyentes, y poseen unas propiedades generalmente intermedias a las de sus componentes.

Lavoisier 
Lavoisier 

No sería justo cerrar este apartado sin mencionar al padre de la química moderna, Lavoisier que, con su Tratado elemental de química (1789), sentó las bases de la ciencia química como tal, descubriendo el Principio de conservación de la materia, introduciendo El método científico empírico para todo experimento, y escribió— junto con otros autores franceses— un  Tratado de nomenclatura química (1787), en el que introdujo nombres de elementos aun empleados hoy en día en los tratados de química.

El origen de los elementos en el universo. Las estrellas alquimistas

Durante los últimos treinta o cuarenta años, la investigación en el campo de la Física nuclear y de la Astrofísica, la Astroquímica y la Astrobiología, han revolucionado el conocimiento que se poseía a mediados del siglo XX acerca del origen de los elementos: ¿de dónde proviene la materia toda, la que forma la litosfera, la hidrosfera y la biosfera, la que comemos y la que fabricamos, la que nos ayuda a vivir en la era de la comunicación?

No se puede hablar de la formación de los elementos sin hacer un resumen de lo que pudo ser el Big- Bang, la Gran explosión a partir de la cual nació el Universo según las modernas (todo va tan deprisa que es posible que ahora mismo ya no sean tan modernas, y cuando leáis este artículo, en alguna universidad de EEUU o Rusia, un joven Einstein  en su tesis doctoral formule y resuelva la Teoría de campos mandando todo al guano), teorías de Hawking y otros: al principio fue una gran explosión, y el universo denso y caliente de hace unos 15.000 millones de años, se enfrió y expandió muy rápidamente; en los momentos iniciales, entre uno y 180 segundos, los componentes de la materia están a 10000 millones de ºK y las partículas elementales comienzan a ensamblarse y originar los primeros núcleos atómicos, aún falta mucho para que aparezcan los primeros átomos pues los electrones todavía flotan libremente, interaccionando con la radiación electromagnética: la materia y la energía están acopladas. Después de unos 300.000 años tras el Big bang la temperatura es sólo de unos 3000 ºK, los átomos se han formado, ha nacido el átomo más sencillo el de hidrógeno (H ligero), la materia y la energía s e desacoplan, los electrones giran alrededor de los núcleos, y por vez primera la radiación viaja libremente; esa es la primera “luz” que ha llegado hasta nosotros pues los astrónomos pueden detectarla y se denomina “radiación de fondo de microondas”. 1000 millones de años después ya se han formado las galaxias y las primeras estrellas, el tamaño del universo es una quinta parte del actual, en su “infancia”, el universo posee grumos (heterogeneidades) que fueron creciendo, atrayendo más masa por gravitación, engendrando así estrellas, galaxias y cúmulos de gas, tal como se ve hoy por el Hubble. Hay que esperar a hace unos 5000 millones de años para que se forma nuestra estrella, el Sol y un poco después (4.600 MA) el Sistema Solar, aunque muy distinto del actual; los asteroides y “escombros” de masa y velocidad diferente chocan atraídos por planetoides mayores, la Tierra es una bola de fuego en formación. ¿Pero y los elementos químicos que es lo que en realidad nos interesa? Os habréis preguntado todos.

Big- BangLas estrellas —los soles de los demás sistemas solares de los millones de galaxias existentes—, son en realidad las “alquimistas”, pues en ellas se fabrican los elementos químicos a partir del hidrógeno, el átomo más sencillo conocido: podemos figurarnos que son como hornos inmensos del tamaño de nuestro Sol, donde se genera la inmensa energía que luego nos calienta al salir al espacio interplanetario—el espectro solar, posee además de la luz visible, otras radiaciones electromagnéticas asociadas, unas mucho más energéticas, y otras de menor energía—; toda esa energía… ¿De dónde procede? Procede de las energías liberadas en la “fusión” de los núcleos de hidrógeno que es como el gasóleo de nuestro “horno”.

Al comienzo, hay una acumulación de gas hidrógeno que se condensa por las inmensas fuerzas gravitacionales existentes dentro de la nube de gas, la energía es inmensa, tanto, que los núcleos de hidrógeno se fusionan dando lugar al nacimiento de la estrella que tiene lugar cuando se “enciende”. Bethe, propuso las reacciones nucleares que forman deuterio (isótopo del hidrógeno con dos unidades de masa atómica), y tritio (isótopo con tres u.m.a.) que no pondremos por simplicidad, pero en las que cuatro átomos de hidrógeno ligero, 1H, generan un átomo de helio 4He, dos electrones y un monto energético de 24,5 Mev. (mega-electronvoltios), la “casi infinita” energía procedente de la transformación en energía de la pérdida de masa, habitual en la reacciones nucleares ( Según la ecuación de A. Einstein E= mc, que muestra que la masa y la energía son dos caras de la misma moneda); la consecuencia, nuestro Sol emite unas 10 23 Kcal/sg, un horno muy, muy especial( pensad que hablamos de casi un cuatrillón—un trillón de trillones— de kilocalorías…, ¡en un segundo!).

El ciclo vital de las estrellas

En la Figura-I se resumen las seis fases de la vida de una estrella— un sol como el nuestro—, que a continuación enumero: (1)Engendrado, ya explicado/ (2) Nacimiento, también/ (3) Madurez: en ella pasan la mayor parte de su vida, transformando el hidrógeno en helio, al principio de este período la masa de la estrella es casi infinita a nuestros ojos y tiene toda su vida por delante, la naturaleza del combustible va cambiando al cumplir años, y su esperanza de vida también. Al acabarse el hidrógeno, el horno estelar la estrella emplea otros núcleos de elementos más abundantes, empezando por el helio, que en reacciones nucleares varias (fusionándose los núcleos de helio entre sí),  generará carbono, oxígeno, litio, berilio y boro, desprendiendo energía, aunque mucha menos que en la fusión del hidrógeno (en ese momento la estrella es una gigante roja (Figura I).

Figura I

Cuando se acaba el helio como combustible, la gigante roja sigue quemando otros elementos previamente generados, produciéndose neón, magnesio, silicio, azufre, y al final, hierro y níquel, pero con una eficiencia energética muy pequeña, y al quedar nada más que núcleos de hierro la estrella muere, explota como supernova, presentando la estructura en forma de “cebolla” de la Figura I. Y la explosión de las supernovas, genera la expulsión al espacio de multitud de elementos nuevos que siguen reaccionando y transformándose en otros elementos, son los escombros de la catástrofe, donde se produce el sueño de los alquimistas del Medioevo: en esos escombros en expansión se forman metales más pesados (hierroàoroàuranioà…àplomo).

En el espacio exterior a -270 ºC de temperatura,  los anteriores residuos forman nebulosas planetarias de gas y polvo, las nubes laboratorio, donde al calor de la radiación estelar se han identificado con nuevas técnicas que poseen los radiotelescopios de IR: silicatos, grandes cantidades de agua, amoníaco, alcoholes, cianuro, fullerenos, etc… Estas nubes de polvo son la materia prima donde se formarán nuevas generaciones de estrellas con sus correspondientes planetas. Somos polvo de estrellas, dijo Kirshner, nuestro sistema solar debió formarse a partir de elementos sintetizados en anteriores generaciones estelares y nosotros hemos heredado el carbono y el oxígeno formado en ellas. 

Pedro Sánchez Jacomet

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