¿Qué son los elementos? ¿Y por qué usamos la tabla periódica?

Agua... tierra... fuego... aire…. Hace muchos años se creía que estos cuatro elementos eran el origen de todo y la base de la materia. Pero todo cambió cuando la ciencia… demostró que esto es: falso.

Es cierto: gracias a los alquimistas, cuya obsesión era la vida eterna y transformar todo en oro, se fueron descubriendo los verdaderos elementos. Por cierto, ¡qué orgullosos estarían los alquimistas al saber que ya podemos transformar plomo en oro! Nada más se necesita un acelerador de partículas. Y no es tan rentable como pensaban: transformar un elemento en otro es más difícil que encontrarlo en la naturaleza.

Átomos

Las partículas elementales se unen para formar protones, neutrones y electrones y estas a su vez se unen para formar átomos. En total conocemos 118 tipos diferentes de átomos y es lo que llamamos elementos. La diferencia entre ellos es la cantidad de protones en su núcleo. Un átomo con un protón es un átomo del elemento hidrógeno, un átomo con 118 protones es un átomo del elemento oganesón. Así, cada elemento tiene un nombre y características según su cantidad de protones. Átomos de elementos iguales o diferentes se unen de diversas maneras dando lugar a toda la materia que conocemos. La unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno forman una molécula de agua. También influye la manera en la que se unen los átomos; tanto el grafito como el diamante están hechos sólo de átomos de carbono, pero están unidos de diferente manera.

De los 118 elementos, 93 se han encontrado en la naturaleza. Todo: desde el Sol hasta tu celular, se compone de las combinaciones de estos 93 elementos. Es como si solo tuvieras 93 tipos diferentes de piezas de Lego y con ellas pudieras armar todo el universo. Y no creas que la cantidad de cada tipo de piezas es más o menos igual: en el universo, el 73% de los átomos son de hidrógeno, 25% de helio y el 2% restante son de todos los demás. 

Nuestro propio cuerpo son átomos de elementos unidos de diferente manera que dan lugar a todas nuestras células, tejidos y órganos. Ni siquiera se requiere una gran variedad de elementos diferentes. El 99% de nuestro cuerpo son átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo y añadiendo unos once elementos más en pequeñísimas cantidades y ¡tarán! tenemos un ser humano.

Los elementos y la tabla periódica

Para poder entender los elementos, estos se han acomodado de forma ordenada en uno en uno de los inventos más bellos: La tabla periódica. A mediados de los 1800 se conocían alrededor de 56 elementos y cada vez se descubrían más. Muchos científicos intentaron ordenarlos, el problema era que no se sabía cuántos elementos más faltaban. Era como armar un rompecabezas con piezas faltantes, sin saber cuáles piezas faltaban y con piezas que podían encajar de diferentes maneras.

Alexandre Béguyer de Chancourtois descubrió que si ordenaba los elementos por su peso atómico las características se repetían, puso los elementos en forma de hélice. Los químicos no le hicieron mucho caso al acomodo de Alexander porque era geólogo, aunque su idea era bastante brillante.

Luego, John Newlands también acomodó los elementos por su peso atómico y encontró que cada ocho elementos las propiedades se repetían. Sugirió una analogía con los intervalos de la escala musical. Su tabla predecía la existencia de un elemento desconocido que se encontró años más tarde. Al pobre John tampoco lo tomaron en serio y la verdad es que no andaba tan perdido.

Hubo otros intentos hasta que llegó Dimitri Mendeleyev. Estudió y estudió los elementos de manera tan obsesiva que hasta soñó con ellos y logró acomodarlos de manera perfecta. Ordenó los 66 elementos conocidos por su peso atómico y por la habilidad de cada uno de combinarse con otros elementos específicos. Muy seguro de sí mismo afirmó que había un error en el peso atómico del uranio. Predijo la existencia de elementos y sus características. Incluso dijo que uno de ellos sería descubierto por espectroscopia.Sus afirmaciones resultaron ciertas. 

Mendeleyev acomodó los elementos primorosamente y ni siquiera sabía por qué los elementos en sus grupos compartían características. En ese entonces no se había descubierto el electrón y se desconocía que la cantidad de electrones en la última capa era lo que determina las características de los elementos y con qué otros se pueden unir.

Desde entonces la tabla periódica ha cambiado un poco.

¿Cómo leer la tabla periódica?

Actualmente se ordena por la cantidad de protones. ¿Que por qué este invento es tan hermoso? Porque es la forma en la que hemos podido entender cómo funciona e interactúa la materia. Tiene un orden y lógica tan perfectos que nos hace suspirar con alivio, como cuando todas las piezas del rompecabezas encajan. Nos permite entender algo que de otra forma sería muy complicado. Es cierto que quizá podría haber formas diferentes de ordenarla, pero hasta ahora funciona bien.

• Agrupa a los metales como el oro, metaloides como el polonio y no metales como el carbono.

• Las filas o periodos indican la cantidad de niveles energéticos o capas de los átomos. Los que están en la primera fila tienen una capa, los de la dos, dos y así sucesivamente.

• Las columnas son los grupos. Los elementos del primer grupo tienen un electrón en su última capa. Los elementos del segundo tienen dos electrones en su última capa. Omitiendo los metales de transición, si continuamos con esta tercera columna cada elemento tiene 3 electrones en su última capa y así hasta la última columna que tienen ocho electrones en su última capa y son súper estables. Todos los elementos quieren ser igual de estables que estos elementos.
  Los elementos de cada grupo comparten características porque tienen la misma cantidad de electrones en su última capa. Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1, con excepción del hidrógeno, reaccionan violentamente con el agua, por eso no se encuentran de forma pura en la naturaleza.
  Conforme bajas por un grupo los átomos serán más grandes porque tienen más capas. Conforme vas hacia la derecha por un periodo los átomos serán más pequeños, porque tienen más protones en su núcleo que atraerán a los electrones hacia el centro.

Ahora con lo que te hemos dicho y sin saber nada del boro, con ver su posición puedes ver que: es un metaloide, que tiene 5 protones en su núcleo y 5 neutrones. Como todos los átomos (excepto el hidrógeno) tiene dos electrones en su primera capa. Por su grupo sabes que tiene tres electrones en la segunda y como solo tiene tres electrones en su capa más externa es inestable y lo más probable es que lo encontremos con otros elementos. 

¿Cómo se formaron los elementos?

Hasta ahora se sabe que después del Big Bang se formaron las partículas elementales y luego los protones y neutrones. No había átomos porque el universo era tan caliente, denso y radioactivo que los electrones no se podían mantener cerca del núcleo porque la radiación constante los desprendía. Unos 380 mil años después cuando el universo ya se había enfriado gracias a la expansión, por fin se formaron los primeros átomos. Y como es lógico se formaron los elementos más simples y pequeños que podían mantenerse unidos. Hidrógeno y helio... y un poquito de litio.

Litio, berilio y boro se forman cuando rayos cósmicos chocan con el núcleo de otros átomos. 

Los elementos del litio al hierro se forman en el centro de estrellas. Y sí, ya van tres veces que mencionamos cómo se forma el litio de manera diferente y es que los elementos se pueden formar por diferentes procesos. Elementos como el galio y el bromo requieren una supernova.

Los científicos no sabían muy bien cómo se formaban los siguientes elementos. Se requería un proceso rápido y una enorme cantidad de neutrones. Recientemente se descubrió a 140 millones de años luz la formación de estroncio en una colisión de estrellas de neutrones conocida como kilonova.

¿Hay más elementos?

Los elementos del 94 al 118 no se han encontrado de forma natural: sólo se han creado en los aceleradores de partículas y reacciones nucleares, y se autodestruyen en fracciones de segundo. Un laboratorio en Rusia trabaja en el descubrimiento de los elementos 119 y 120 ¿lo lograrán? ¿se abrirá el camino a una nueva fila en la tabla periódica? Y ¿qué propiedades podrían tener? ¿tendremos que rediseñar la tabla? Algunos científicos piensan que encontrar nuevos elementos que duran menos de un segundo no vale la pena, otros creen que quizá esos elementos estén en algún lugar recóndito o quizá no haya actualmente, pero sí los hubo. 

Entender el universo es parte de la curiosidad humana y resulta ser una historia increíble que nos hace ver lo maravilloso que es. Aunque Carl Sagan no fue el primero que lo dijo, sí fue muy elocuente en expresarlo:” …todo el material rocoso y metálico que pisamos, el hierro en nuestra sangre, el calcio de los dientes, el carbono en nuestros genes, fueron producidos hace mil millones de años en el interior de una estrella gigante roja. Estamos hechos de materia estelar”.

¡Curiosamente!