Abundancia de elementos en la corteza terrestre
La abundancia de un elemento químico mide lo relativamente común que es el elemento, o la cantidad que hay del elemento en comparación con todos los demás elementos. La abundancia puede medirse por fracción másica (igual que la fracción ponderal), fracción molar (fracción de átomos, o a veces de moléculas, en los gases) o fracción volumétrica. La medición por fracción volumétrica es una medida de abundancia común en gases mezclados como las atmósferas, que se aproxima a la fracción molar molecular para mezclas de gases ideales (es decir, mezclas de gases a densidades y presiones relativamente bajas).
Por ejemplo, la abundancia de la fracción másica del oxígeno en el agua es de aproximadamente el 89%, porque esa es la fracción de la masa del agua que es oxígeno. Sin embargo, la fracción molar de oxígeno en el agua es sólo del 33%, porque sólo 1 de cada 3 átomos de agua es un átomo de oxígeno. En el universo en su conjunto, y en las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos como Júpiter, las abundancias de la fracción másica del hidrógeno y el helio son de aproximadamente el 74% y el 23-25% respectivamente, mientras que las fracciones molares (atómicas) de estos elementos se acercan más al 92% y al 8%. Sin embargo, como el hidrógeno es diatómico y el helio no lo es en las condiciones de la atmósfera exterior de Júpiter, la fracción molar molecular (fracción del total de moléculas de gas, o fracción de la atmósfera en volumen) del hidrógeno en la atmósfera exterior de Júpiter es de aproximadamente el 86%, y la del helio, del 13%.
Elementos químicos
La abundancia de los elementos químicos es una medida de la presencia de los elementos químicos en relación con todos los demás elementos en un entorno determinado. La abundancia se mide de tres maneras: por la fracción másica (igual que la fracción ponderal); por la fracción molar (fracción de átomos por recuento numérico, o a veces fracción de moléculas en gases); o por la fracción volumétrica. La fracción volumétrica es una medida de abundancia común en gases mezclados como las atmósferas planetarias, y tiene un valor similar a la fracción molar molecular para mezclas de gases a densidades y presiones relativamente bajas, y mezclas de gases ideales. La mayoría de los valores de abundancia de este artículo se dan como fracciones másicas.
Por ejemplo, la abundancia de oxígeno en el agua pura puede medirse de dos maneras: la fracción másica es de aproximadamente el 89%, porque esa es la fracción de la masa del agua que es oxígeno. Sin embargo, la fracción molar es de aproximadamente el 33% porque sólo 1 átomo de los 3 que hay en el agua, H2O, es oxígeno. Otro ejemplo es la abundancia de la fracción másica del hidrógeno y el helio en el Universo en su conjunto y en las atmósferas de planetas gigantes gaseosos como Júpiter, que es del 74% para el hidrógeno y del 23-25% para el helio, mientras que la fracción molar (atómica) del hidrógeno es del 92% y la del helio del 8% en estos entornos. Cambiando el entorno dado a la atmósfera exterior de Júpiter, donde el hidrógeno es diatómico mientras que el helio no lo es, cambia la fracción molar molecular (fracción del total de moléculas de gas), así como la fracción de la atmósfera por volumen, del hidrógeno a cerca del 86%, y del helio al 13%[Nota 1].
Elementos del cuerpo humano
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 encuentran en la naturaleza. Hoy en día, 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” muestra 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 se comparan la Tabla 2.1 “Composición elemental de la Tierra” y la Tabla 2.2 “Composición elemental de un cuerpo humano”, se observan disparidades entre el porcentaje de cada elemento en el cuerpo humano y en la Tierra. El oxígeno tiene el porcentaje más alto en ambos casos, pero el carbono, el elemento con el segundo porcentaje más alto 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?
¿Cuántos elementos hay?
En la actualidad, el Universo sigue estando formado en su inmensa mayoría por hidrógeno y helio, pero hay un nuevo elemento #3 en la ciudad, y el litio no está ni cerca. En el momento en que nace la primera estrella, entre 50 y 100 millones de años después del Big Bang, grandes cantidades de hidrógeno comienzan a fusionarse en helio. Los porcentajes de elementos en el Universo empiezan a alejarse de los elementos ligeros para acercarse a los más pesados. Pero si buscamos el tercer elemento más común, tenemos que fijarnos en las estrellas más masivas: las que tienen más de ocho veces la masa de nuestro Sol.
Diferentes colores, masas y tamaños de estrellas de la secuencia principal. Las más masivas producen… [+] mayores cantidades de elementos pesados con mayor rapidez. Crédito de la imagen: Clasificación espectral Morgan-Keenan-Kellman, por el usuario de Wikipedia Kieff; anotaciones de E. Siegel.
El combustible de hidrógeno se consume muy rápidamente, y sólo tardan unos pocos millones de años en agotar el hidrógeno de sus núcleos. Una vez que el núcleo está hecho completamente de helio, se contrae y empieza a fusionar tres núcleos de helio en carbono. Basta con que existan aproximadamente un billón (10^12) de estas estrellas pesadas en todo el Universo (que forma unas 10^22 estrellas en los primeros cientos de millones de años) para que se acabe el litio.