Origen de los elementos químicos de la tabla periódica

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica

El origen de los elementos químicos de la tabla periódica es el origen mismo del universo. ¿Qué significa esto? Significa que a medida que el universo iba tomando forma desde su antiquísimo origen, se creaban más y más elementos químicos en diferentes procesos y bajo diferentes condiciones.

Acompáñame en este apasionante viaje por la historia del universo y el origen de los elementos químicos de la tabla periódica. Hablaré de los alquimista y su fuego inextinguible, de la química y la física modernas y sus tentativas de lograr la fusión nuclear en el laboratorio, entre otros temas que te pueden resultar interesantes.

Cosmogonías, el origen del universo

Todas las culturas que han existido sobre las faz de la tierra han planteado sus teorías sobre el origen del universo, hoy llamamos a eso cosmogonías.

Muchas de estas culturas veían a las fuerzas de la naturaleza como la manifestación de dioses y espíritus creadores que surgieron en los albores del tiempo, o por el contrario eran el origen del tiempo mismo.

Durante milenios la humanidad ha buscado dar una explicación a la naturaleza de todo cuanto le rodea. De esta manera hemos pasado gradualmente de un pensamiento religioso a uno científico, sin que éste último haya podido explicar en su totalidad los grandes misterios de la materia, la energía y las fuerzas que hacen posible, para citar un ejemplo, la vida en nuestro planeta tierra.

Hoy sabemos que la materia está compuesta por átomos y moléculas, que existen básicamente cuatro fuerzas en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Sin embargo, muchas veces damos por hecho algo que le costó a la humanidad siglos y siglos resolver, no sin una gran cuota de penurias y dificultades. 

Los más prominentes científicos de la Europa medieval eran los alquimistas, en la actualidad reducidos al terreno de la magia y la superchería, sin embargo, gracias a ellos se pudieron construir los cimientos de la ciencia central del mundo contemporáneo: la química.

La teoría atómica de Demócrito de Abdera

En el siglo V a.C., el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos.

A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos, Platón y Aristóteles), ésta se mantuvo. En 1808, el científico inglés John Dalton, formuló una definición precisa de lo que es un átomo. El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - Demócrito de Abdera
Montaje moderno sobre Democrito de abdera

Los alquimistas y el descubrimiento de los elementos químicos

Fueron los eruditos musulmanes quienes introdujeron el concepto y los estudios de la alquimia en la Europa medieval.

Se sabe que desde la antigüedad grecorromana circulaban los rumores de que existía un compuesto capaz de transmutar los metales pesados en Oro, se le conocía como la piedra filosofal, aunque no era propiamente una piedra, también podía ser un líquido, un gel o un polvo de diferentes colores.

Los antiguos griegos ya habían aislado el Plomo, el Hierro, el Cobre, el Estaño, la Plata y el Oro utilizando carbonilla, una forma de carbón para alimentar el fuego.

Existía una creencia generalizada que equiparaba los cambios en la naturaleza (la semilla en árbol, la oruga en mariposa, etc.) con un cambio análogo o transmutación de un metal en otro. El metal más codiciado era el Oro. 

Las técnicas de laboratorio que conocemos hoy en día fueron perfeccionadas en rústicos laboratorios ocultos del monarca de turno y de la iglesia católica que miraba todo esto con muy malos ojos. La alquimia era una ciencia peligrosa y tuvo que hacerse cada vez más hermética.

En su esfuerzo por encontrar la piedra filosofal, el comerciante y alquimista alemán Hennig Brand descubrió el Fósforo en 1669 a partir de residuos de orina evaporada. A este nuevo elemento lo llamó Fósforo, del griego φώς [fos] ‘luz’ y φόρος [foros] ‘portador’, es decir, φωσφόρος, “portador de luz” o “fuego frío”, ya que emitía un resplandor verde pálido. 

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - Henning Brand

Hennig Brand o “El alquimista descubriendo el fósforo” obra de
Joseph Wright finalizada en 1771 y retocada en 1795

Robert Boyle, otro alquimista y contemporáneo de Brand, fue el primero en definir un elemento. Sostenía que los elementos podían combinarse entre sí para formar compuestos, pero que no podían separarse en sustancias más simples. Boyle se considera como una de los fundadores de la química moderna. 

Pero sólo fue hasta comienzos del siglo XIX cuando se dio inicio a una verdadera carrera entre los alquimistas, ahora llamados químicos y físicos, por la obtención de nuevos elementos. Esto fue posible gracias a un nuevo y poderoso invento: la electricidad.

Humphrey David, quien fuera maestro de Michel Faraday, extrajo el Sodio (Na) por medio de la electrólisis a partir de la soda caustica en 1807. Estos eran experimentos arriesgados, igual que sucedían con los experimentos de la alquimia. Humphrey David descubrió por medios análogos otros tres nuevos elementos: Potasio (K), Bario (Ba) y Estroncio (Sr).

Para mediados del siglo XIX ya se habían descubierto unos 60 elementos. Se habían estudiado muchas de sus propiedades físicas y químicas y surgía ahora una importante pregunta ¿Existe un patrón ordenado que pueda explicar las relaciones entre todos los elementos químicos?

La tabla periódica de los elementos químicos

Muchos científicos plantearon sus hipótesis, pero sólo Dimitri Mendeléyev, gracias a sus profundos estudios y a un extraño sueño, dio con el patrón correcto. En 1869 publicó su libro Principios de la química, en el que desarrollaba la teoría de la tabla periódica. Con algunas correcciones, ese es el patrón que tenemos hoy en día para clasificar los elementos: en grupos y periodos.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - Dimitri Medeléyev

Dimitri Mendeléyev

A finales de 1800, el físico lord Rayleigh, el químico sir William Crookes y el estudiante Morris Traves descubrieron en tiempo récord a los llamados gases nobles (reciben ese nombre debido a que no se mezclan con otros elementos químicos, son inertes).

Tras largos experimentos determinaron que el espectro de emisión de un cierto gas no correspondía con el de ningún elemento conocido. Habían descubierto un nuevo elemento. Lo llamaron Argón (Ar), que proviene del griego y significa “el perezoso”.

Luego, en sólo tres meses identificaron al Neón (Ne), al Kriptón (Kr) y al Xenón (Xe). De esta manera se pudo completar la tabla periódica de Mendeléyev.

La física cuántica  a partir de 1932  estableció que el átomo no era indivisible sino que estaba formado por tres partículas más elementales que llamaron protones (+), neutrones (sin carga eléctrica) y electrones (-), de esta manera se pudo establecer que el orden de los elementos químicos no estaba dado por su masa atómica sino por el número de protones en el núcleo, aun así el sueño de Mendeléyev seguía siendo correcto.

Quienes han descubierto los elementos químicos, de la A a la Z

Los espectros de emisión y los elementos químicos presentes en las estrellas

Desde el siglo XVII, época en que Newton demostró que la luz solar estaba formada por diversos componentes de color que al volver a combinarlos producen la luz blanca, los físicos y químicos ya habían estudiado las características de los espectros de emisión, es decir, los espectros continuos o de líneas de radiación emitidas por las sustancias.

A principios del siglo XIX, el físico alemán Josef Fraunhofer estudió por más de diez años el espectro de emisión del Sol y lo plasmó en un detallado dibujo de líneas de color separadas por ciertas líneas oscuras ubicadas en longitudes de onda específicas.

Sabemos que a cada color le corresponde a una determinada longitud de onda y esto va desde el rojo al violeta.

Para mediados del siglo XIX se pudo determinar que las líneas de color corresponden al espectro de emisión de los diferentes elementos químicos presentes en el Sol. Al comparar las líneas de absorción de los espectros de emisión de las estrellas lejanas con los espectros de emisión de los elementos conocidos, los científicos han podido deducir qué tipo de elementos se encuentran en las estrellas.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - Josef Fraunhofer

Josef Fraunhofer y sus colegas

De esta manera sabemos que elementos están presentes en el Sol, sin embargo, el Sol sólo crea un elemento nuevo: el Helio.

Esto se lleva a cabo a partir de la fusión de los núcleos de Hidrógeno en un proceso conocido como fusión nuclear. La energía producida de esta manera es la que nos llega a la tierra en forma de luz, calor y radiación electromagnética.

En la actualidad, lograr la fusión nuclear en laboratorio es análogo al interés y el esfuerzo de los alquimistas en crear Oro, pues ésto se ve como la salida definitiva al uso de combustibles fósiles para generar energía.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - espectro de emisión del sol

Espectro de emisión del Sol elaborado por Josef Fraunhofer

La teoría del Big Bang

Nuestras preguntas acerca de la naturaleza de la materia y el mundo nos han llevado muy lejos. Para la década de 1940, el físico ruso-norteamericano George Gamow estableció la hipótesis de que el universo se originó a partir de una gigantesca explosión denominada Big Bang que ocurrió hace miles de millones de años.

Siguiendo esta hipótesis numerosos estudios han podido determinar que la edad más aproximada para nuestro universo es de 15 mil millones de años (15,000,000,000 años).

La hipótesis de Gamow sobre el origen del universo es aceptada actualmente por la comunidad científica como la teoría del Big Bang.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - bing bang

El Helio primitivo, arquitecto del universo

Los primeros átomos se formaron a partir la radiación y las microscópicas partículas de quarks y gluones una vez que el reciente universo comenzara a enfriarse hace unos 13,800 millones de años.

El primero de todos los átomos fue el Hidrógeno. La enorme fuerza gravitacional y la fuerza nuclear fuerte fundieron los núcleos de Hidrógeno compuesto de un solo protón, con neutrones presentes en el espacio creando el Helio, de número atómico 2.

El Helio tiene en su núcleo 2 neutrones y 2 protones, alrededor de estos giran 2 electrones.

El Hidrógeno y el Helio son los elementos iniciales de la evolución cósmica. Se cree que un gas difuso de Hidrógeno y Helio se dispersó por todo el universo mucho antes de la formación de las galaxias, a este gas se le conoce como Helio primitivo. A partir de él se formaron las galaxias y las estrellas.

La creación de los demás elementos químicos en las estrellas

El Helio y el Litio, de número atómico 2 y 3 respectivamente, fueron creados a partir de la fusión de los núcleos atómicos de Hidrógeno en el espacio, muy caliente todavía, en un proceso que se conoce como nucleosíntesis primordial o del Big Bang. A partir de allí los elementos más pesados como el Berilio, de número atómico 4, se formaron en una nueva estructura: las estrellas.

Este nuevo proceso se conoce nucleosíntesis estelar.

Una estrella pequeña e incluso una nebulosa sólo pueden crear los elementos Helio, Litio, Berilio y Boro. Es decir, desde el número atómico 2 al 5. Cuando se ha consumido todo el Helio en el interior de la estrella ésta se convierte en lo que se conoce como una gigante roja.

El proceso continua y la estrella gigante roja puede crear elementos más pesados que van desde el Carbono al Oxígeno, es decir, de número atómico 6 al 8. La estrella se ha expandido tanto que su masa no le permite mantenerse unida. La temperatura desciende hasta el límite de fusión y no se pueden formar elementos más pesados que el Oxígeno, no cuenta con suficiente energía para superar este umbral. Se convierte en una nebulosa. 

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - gigante roja
Nuestro Sol vs dos gigantes rojas.

En cambio si se trata de una estrella decenas de veces más grande y masiva que una estrella pequeña, cuando se ha convertido en una gigante roja alcanza temperaturas increíblemente altas que van desde los 700 millones grados celsius hasta los 5,000 millones de grados celsius, los cuales son capaces de fundir los núcleos del Oxígeno con otros elementos y crear elementos más pesados como el Neón (Z=10), el Magnesio (Z=12), el Silicio (Z=14), el Azufre (Z=16), el Argón (Z=18), el Calcio (Z=20) y finalmente el Hierro (Z=26).

Recuerde que Z es el número atómico, entre más elevado sea el valor de Z más pesado es el elemento, puesto que Z es equivalente al número de protones en el núcleo.


Llegada a este punto la estrella se queda sin combustible. No puede fundir los núcleos de Hierro, son demasiado pesados, ya no puede emitir radiación, se rompe su equilibrio hidrostático y las enormes fuerzas gravitacionales hacen que colapse sobre su propio peso.

La estrella se vuelve muy inestable y explota generando grandes presiones y temperaturas que hacen posible la fusión de los núcleos de Hierro, creando en sólo ese instante 60 elementos más pesados que el Hierro (Z=26) hasta el Uranio, de número atómico 92. Este último proceso se conoce como núcleo síntesis explosiva o de supernova.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - supernova

Representación de la explosión de una gigante roja o supernova

Las estrellas de neutrones

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - estrella de neutrones

Representación del campo gravitacional generado por la cercanía de dos estrellas de neutrones

Sin embargo, algunos científicos creen que existen zonas en el universo donde la energía supera con mucho a la de las estrellas que explotan. Lo cual podría explicar la abundancia de ciertos elementos como el Oro. Se trata de las estrella de neutrones.

Cuando una gigante roja explota su núcleo se comprime hasta un diámetro de sólo 10 kilómetros y alcanza una densidad asombrosa. Una sola cucharada de su masa podría pesar 1,000 millones de toneladas.

La colisión de dos estrellas de neutrones podría generar temperaturas de 1 billón de grados, lo cual se ubica en el ámbito de las temperaturas más elevadas del universo. El Oro (Z=79) y otros metales pesados como el Platino (Z=78) se forman en los brazos del huracán generado por la colisión, luego se esparcen por todo el universo a grandes velocidades.

Origen de los elementos químicos de la tabla periódica - estrella de neutrones 2
Representación de una estrella de neutrones

Nuestro sol, por ejemplo, que aún es una estrella joven sólo crea un elemento nuevo: el Helio. Sin embargo, como se mencionó más arriba en su interior hay una gran variedad de elementos, aunque en proporciones muy reducidas. Esos elementos vienen de estrellas más masivas o fueron arrojados al espacio durante las gigantescas explosiones de las supernovas, siendo atrapados por la fuerza gravitacional del Sol en sus primeros millones de años.


El método utilizado para medir las edades de las estrellas se basa en los elementos radiactivos Torio y Uranio.

El periodo de semi desintegración del Uranio es de 4,500 millones de años y el del Torio de 14,500 millones de años.

Se han descubierto por este método algunas estrellas que tienen entre 12,000 y 15,000 millones de años, posiblemente las primeras estrellas que se formaron en el primitivo universo. También se ha descubierto que estas antiguas estrellas están compuestas predominantemente por los elementos Hidrógeno y Helio, lo cual parece corroborar la teoría del Big Bang.

Conclusiones

Como podríamos concluir, los alquimistas nunca llegaron a crear Oro. Pero la ciencia moderna sí lo ha podido conseguir aunque en cantidades microscópicas y a un costo tan elevado que no puede ser rentable. Sin embargo, el esfuerzo de siglos y siglos de artesanos, magos, científicos, eruditos, físicos y químicos nos ha llevado a comprender algunos de los grandes misterios del universo, entre ellos el origen de los elementos químicos.

Sabemos que hay 92 diferentes átomos o elementos presentes en la tierra de manera natural, siendo el Uranio el último elemento y es radiactivo, su número atómico es 92.

Hasta la fecha se han sintetizado 27 nuevos elementos en laboratorio, los cuales son bastante inestables, sus números atómicos van del 95 al 118.

  

Somos hijos de las estrellas en todo el sentido de la palabra. Quizá allí radica nuestra sed de conocimiento y nuestro anhelo por encontrar eso más sublime y elevado que es el espíritu.

Entonces los alquimistas finalmente no estaban equivocados, porque la obtención del Oro no era únicamente un proceso físico sino también una transmutación interior. La gran obra alquímica es la inmortalidad del alma y ésta sólo se obtiene a través del conocimiento y el fuego del espíritu.

Nunca antes había tenido tanta vigencia el dicho hermético: “como es arriba es abajo”. Puede que la ciencia moderna haya descubierto cómo funciona una fracción del universo, pero quizá nunca pueda determinar el porqué del universo. La pregunta queda abierta ¿Quién podría cerrarla?

Algunas fuentes consultadas

– Henning Brand – Wikipedia

– Origen de los elementos químicos – Karl Sagan

– El origen de los elementos químicos – documental de NHK Enterprises 21, inc, año 2002

– Química, Raymond Chang 10° edición

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