Chemistry · Libro 1 · Grades 1–12

Química escolar — Años 1 a 12

Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12

21Los elementos en el Universo y en la Tierra

El calcio de tus huesos, el hierro de tu sangre y el oxígeno que respiras no se fabricaron en la Tierra. Se fabricaron en el interior de estrellas que nacieron y murieron antes de que naciera el Sol, y han pasado de la roca al mar, del mar a la planta y de la planta al animal durante miles de millones de años. Algunos elementos están por todas partes; otros son raros. ¿Qué elementos forman las estrellas, la Tierra, los océanos y a nosotros mismos?

Lo que ya sabes

Un elemento químico es el conjunto de los átomos con el mismo número atómico ZZ; la masa de un átomo se acerca a A×1.67×10−27 kgA \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}, donde AA es su número másico (Capítulo 16). La tabla periódica enumera los 118 elementos por número atómico (Capítulo 20). El aire tiene unas cuatro quintas partes de nitrógeno y una quinta parte de oxígeno (Capítulo 4).

21.1 Los elementos de las estrellas

Definición 21.1 (Abundancia)

La abundancia de un elemento en un cuerpo material (una estrella, la corteza terrestre, el océano, un ser vivo) es su parte de la masa total, que se suele dar en tanto por ciento.

Proposición 21.2 (El Sol es hidrógeno y helio)

La superficie del Sol es, en masa, alrededor de un 74 %74\,\% de hidrógeno y un 25 %25\,\% de helio; todos los demás elementos juntos solo suponen alrededor del 1.3 %1.3\,\%. La mayor parte de la materia visible del Universo tiene una composición parecida: hidrógeno y helio, con una pizca de todo lo demás.

Proposición 21.3 (Elementos fabricados en las estrellas)

El hidrógeno y la mayor parte del helio se formaron en los primeros minutos del Universo. Casi todos los elementos más pesados (el carbono, el oxígeno, el hierro, el oro) se fabricaron más tarde, en el interior de las estrellas, y se dispersaron por el espacio cuando las estrellas explotaron. De ese polvo enriquecido se formaron nuevas estrellas y nuevos planetas. Cómo lo hacen las estrellas lo cuenta el libro de física.

La nebulosa del Cangrejo, la nube que dejó una estrella que explotó hace casi mil años y que esparce elementos nuevos por el espacio (NASA, ESA, J. Hester y A. Loll).
La nebulosa del Cangrejo, la nube que dejó una estrella que explotó hace casi mil años y que esparce elementos nuevos por el espacio (NASA, ESA, J. Hester y A. Loll).

21.2 La Tierra

Proposición 21.4 (La corteza terrestre)

La fina piel rocosa de la Tierra, la corteza, es casi la mitad oxígeno y más de una cuarta parte silicio, en masa: las rocas y la arena son sobre todo óxidos de silicio y de unos pocos metales. Ocho elementos (el oxígeno, el silicio, el aluminio, el hierro, el calcio, el sodio, el potasio y el magnesio) forman alrededor del 99 %99\,\% de ella. El hidrógeno y el helio, tan corrientes en las estrellas, son escasos: los gases ligeros escaparon de la Tierra joven.

Observación 21.5 (El interior de la Tierra)

La corteza no es toda la Tierra. El hierro, pesado, se hundió hacia el centro cuando la Tierra joven estaba fundida: el núcleo de la Tierra es sobre todo hierro, con algo de níquel.

Proposición 21.6 (Los océanos y el aire)

El agua del mar es sobre todo agua (hidrógeno y oxígeno) con alrededor de un 3.5 %3.5\,\% de sales disueltas, en masa. Entre los iones disueltos, el cloruro y el sodio suponen alrededor del 85 %85\,\%, y el magnesio y el sulfato, otro 10 %10\,\%. El aire es sobre todo nitrógeno y oxígeno.

Abundancias en masa. A la izquierda, los ocho elementos principales de la corteza terrestre. A la derecha, los seis elementos principales del cuerpo de un adulto delgado (calculados a partir del número estimado de átomos). Abundancias en masa. A la izquierda, los ocho elementos principales de la corteza terrestre. A la derecha, los seis elementos principales del cuerpo de un adulto delgado (calculados a partir del número estimado de átomos).
Abundancias en masa. A la izquierda, los ocho elementos principales de la corteza terrestre. A la derecha, los seis elementos principales del cuerpo de un adulto delgado (calculados a partir del número estimado de átomos).

21.3 El cuerpo humano

Proposición 21.7 (De qué estamos hechos)

En masa, el cuerpo de un adulto delgado es alrededor de un 61 %61\,\% de oxígeno, un 23 %23\,\% de carbono y un 10 %10\,\% de hidrógeno (sobre todo en el agua y en las moléculas de la vida), seguidos del nitrógeno, el calcio (en los huesos y los dientes) y el fósforo. Si se cuentan átomos en lugar de masa, el orden cambia: en un cuerpo hay más átomos de hidrógeno que todos los demás átomos juntos, porque los átomos de hidrógeno son muy ligeros. Un cuerpo de 70 kg70\,\mathrm{kg} contiene alrededor de 7×10277 \times 10^{27} átomos.

Método 21.8 (Leer un gráfico de abundancias)

  1. Comprobar qué se mide: la masa (en la mayoría de los gráficos) o el número de átomos.
  2. Leer la parte de cada elemento; sumar las de los principales para ver cuánto abarcan.
  3. Para comparar dos cuerpos, buscar los elementos comunes a los dos y los que solo están en uno.

El oxígeno encabeza los dos gráficos de este capítulo: es el elemento más abundante en masa de la corteza y del cuerpo humano.

21.4 Los mismos átomos, reciclados

Ejemplo 21.9 (El viaje de un átomo de carbono)

Un átomo de carbono fabricado hace mucho tiempo en una estrella puede pasar millones de años en una caliza, ser liberado como dióxido de carbono por un volcán, ser captado por una hoja, formar parte de un azúcar en una fruta, pasar a un animal que se come la fruta y volver a ser espirado como dióxido de carbono. Los cambios químicos no destruyen los átomos: los van pasando de unos a otros.

Un átomo de carbono pasa de la roca al aire, del aire a la hoja, de la hoja al animal y vuelve al aire: el átomo mismo nunca se destruye.
Un átomo de carbono pasa de la roca al aire, del aire a la hoja, de la hoja al animal y vuelve al aire: el átomo mismo nunca se destruye.
Roca, mar y aire: tres mezclas muy distintas de los mismos elementos.
Roca, mar y aire: tres mezclas muy distintas de los mismos elementos.

21.5 Ejercicios

Ejercicio 21.1 ★

¿Qué dos elementos forman casi todo el Sol?

Solución

Solución de Ejercicio 21.1.

El hidrógeno (alrededor del 74 %74\,\%) y el helio (alrededor del 25 %25\,\%).

Ejercicio 21.2 ★

¿Qué elemento es el más abundante en la corteza terrestre? ¿Y en el cuerpo humano (en masa)?

Solución

Solución de Ejercicio 21.2.

El oxígeno en los dos casos.

Ejercicio 21.3 ★

¿Dónde se fabricaron la mayoría de los elementos más pesados que el helio?

Solución

Solución de Ejercicio 21.3.

En el interior de las estrellas, y en sus explosiones.

Ejercicio 21.4 ★

¿Qué porcentaje de la masa del agua del mar es sal disuelta?

Solución

Solución de Ejercicio 21.4.

Alrededor del 3.5 %3.5\,\%.

Ejercicio 21.5 ★★

Con el gráfico de la corteza, suma las partes del oxígeno y del silicio. ¿Qué fracción de la corteza es eso, más o menos?

Solución

Solución de Ejercicio 21.5.

46.6+27.7=74.3 %46.6 + 27.7 = 74.3\,\%: alrededor de tres cuartas partes.

Ejercicio 21.6 ★★

¿Por qué hay tan poco hidrógeno y tan poco helio en la corteza terrestre, si el Sol está hecho casi por completo de ellos?

Solución

Solución de Ejercicio 21.6.

Son gases muy ligeros: escaparon de la Tierra joven hacia el espacio (y el helio no forma compuestos que hubieran podido retenerlo en las rocas).

Ejercicio 21.7 ★★

¿Qué masa de carbono hay en un cuerpo de 70 kg70\,\mathrm{kg} que tiene un 23 %23\,\% de carbono?

Solución

Solución de Ejercicio 21.7.

0.23×70=16.1 kg0.23 \times 70 = 16.1\,\mathrm{kg}.

Ejercicio 21.8 ★★

¿Por qué el oxígeno es el elemento más abundante del cuerpo en masa, mientras que el hidrógeno es el más abundante en número de átomos?

Solución

Solución de Ejercicio 21.8.

Los átomos de oxígeno son 16 veces más pesados que los de hidrógeno: aunque haya menos átomos de oxígeno, pesan más.

Ejercicio 21.9 ★★

Un bloque de granito de 1000 kg1000\,\mathrm{kg} es un trozo típico de la corteza. Con el gráfico, ¿qué masa de aluminio contiene, más o menos?

Solución

Solución de Ejercicio 21.9.

Alrededor de 0.081×1000=81 kg0.081 \times 1000 = 81\,\mathrm{kg} de aluminio.

Ejercicio 21.10 ★★

¿Qué elementos aparecen a la vez entre los elementos principales de la corteza y entre los del cuerpo humano?

Solución

Solución de Ejercicio 21.10.

El oxígeno y el calcio (y, fuera de los ocho elementos principales de la corteza, el hidrógeno, el carbono y el fósforo están presentes en la corteza en pequeñas cantidades).

Ejercicio 21.11 ★★★

Un cuerpo de 70 kg70\,\mathrm{kg} contiene alrededor de 1.06 kg1.06\,\mathrm{kg} de calcio. Calcula la masa de un átomo de calcio (A=40A = 40) y, después, el número de átomos de calcio. Escríbelo en notación científica.

Solución

Solución de Ejercicio 21.11.

40×1.67×10−27=6.68×10−26 kg40 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.68 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}; 1.06/6.68×10−26≈1.6×10251.06 / 6.68 \times 10^{-26} \approx 1.6 \times 10^{25} átomos de calcio.

Ejercicio 21.12 ★★★

Todos los átomos de tu cuerpo han formado parte antes de otras cosas. Usa el viaje de un átomo de carbono para explicar por qué el número total de átomos de carbono de la Tierra apenas cambia.

Solución

Solución de Ejercicio 21.12.

Los cambios químicos no crean ni destruyen átomos: solo los hacen pasar de un compuesto a otro (roca, gas, azúcar, ser vivo). Los átomos de carbono de la Tierra se usan una y otra vez.

21.6 Problema: ¿Cuántos átomos soy?

Problema 21.1

Problema de fin de semana — de un gráfico de abundancias al número de átomos de oxígeno de un cuerpo humano

Un adulto delgado de 70 kg70\,\mathrm{kg} es, en masa, alrededor de un 61 %61\,\% de oxígeno, un 23 %23\,\% de carbono y un 10 %10\,\% de hidrógeno. Toma como masa de un nucleón 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}; un átomo de oxígeno tiene 16 nucleones, uno de carbono 12 y uno de hidrógeno 1. Se desprecian los electrones.

Parte I — Las masas.

  1. Calcula la masa de oxígeno del cuerpo.
  2. Calcula la masa de carbono y la de hidrógeno.
  3. ¿Qué porcentaje de la masa forman juntos estos tres elementos?
  4. La mayor parte de este oxígeno y de este hidrógeno está en un solo compuesto. ¿Cuál?

Parte II — Un átomo.

  1. Calcula la masa de un átomo de oxígeno.
  2. Calcula la masa de un átomo de carbono y la de un átomo de hidrógeno.
  3. ¿Cuántos átomos de hidrógeno pesan lo mismo que un átomo de oxígeno?
  4. ¿Por qué se pueden despreciar los electrones?

Parte III — El recuento.

  1. Calcula el número de átomos de hidrógeno del cuerpo.
  2. Calcula el número de átomos de carbono.
  3. Calcula el número de átomos de oxígeno del cuerpo.
  4. Una estimación cuidadosa da 1.61×10271.61 \times 10^{27} átomos de oxígeno en un cuerpo así. Compárala con tu recuento, y da el número de átomos de oxígeno de un cuerpo de 70 kg70\,\mathrm{kg} con dos cifras significativas.
Solución

Solución de Problema 21.1.

1. 0.61×70=42.7 kg0.61 \times 70 = 42.7\,\mathrm{kg}.

2. Carbono: 0.23×70=16.1 kg0.23 \times 70 = 16.1\,\mathrm{kg}; hidrógeno: 0.10×70=7.0 kg0.10 \times 70 = 7.0\,\mathrm{kg}.

3. 61+23+10=94 %61 + 23 + 10 = 94\,\%.

4. El agua, HX2O\ce{H2O}.

5. 16×1.67×10−27=2.67×10−26 kg16 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.67 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

6. Carbono: 12×1.67×10−27=2.00×10−26 kg12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}; hidrógeno: 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}.

7. 16.

8. Un electrón es unas 1836 veces más ligero que un nucleón: los electrones suponen menos de una milésima parte de la masa.

9. 7.0/1.67×10−27≈4.2×10277.0 / 1.67 \times 10^{-27} \approx 4.2 \times 10^{27} átomos de hidrógeno.

10. 16.1/2.00×10−26≈8.0×102616.1 / 2.00 \times 10^{-26} \approx 8.0 \times 10^{26} átomos de carbono.

11. 42.7/2.67×10−26≈1.60×102742.7 / 2.67 \times 10^{-26} \approx 1.60 \times 10^{27} átomos de oxígeno.

12. Nuestro recuento, 1.60×10271.60 \times 10^{27}, concuerda con la estimación 1.61×10271.61 \times 10^{27}: un cuerpo de 70 kg70\,\mathrm{kg} contiene unos 1.6×10271.6 \times 10^{27} átomos de oxígeno.

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