¿Podría existir un número infinito de elementos químicos sin descubrir?

Carbon Cronudo (sospecho que este podría no ser su nombre real) me preguntó hace un tiempo cuántos elementos habrían en la tabla periódica que aún no hemos descubierto y si potencialmente podría existir un número infinito de elementos sin descubrir.

Sin más dilación, vamos a ponernos en contexto.

¿Os habéis preguntado por qué el hierro es hierro y el oro es oro? ¿O por qué el oxígeno es un gas y el mercurio es un líquido? O sea, en el fondo, ¿Qué es lo que hace que un elemento químico presente un color, densidad o, yo que sé, una conductividad eléctrica concretas que lo diferencia de los demás?

Pues, como ya sabréis, resulta que los átomos están compuestos por partículas más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva y se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones, con carga negativa, dan vueltas a su alrededor. Un átomo está en equilibrio eléctrico cuando tiene el mismo número de cargas positivas en su núcleo que negativas dando vueltas a su alrededor o, lo que es lo mismo, cuando contiene el mismo número de protones y electrones.

¿Y entonces para qué sirven los neutrones?

Los neutrones, como su nombre indica, no tienen carga eléctrica. Los protones del núcleo tienen todos carga positiva, así que tienden a repelerse entre ellos con más fuerza cuanto más cerca se encuentran unos de otros, así que los neutrones están metidos entre los protones del núcleo para mantenerlos suficientemente separados como para que no se junten demasiado y salgan despedidos del átomo por su fuerza repulsiva (esto es una simplificación bastante bestia así que, químicos, no me matéis).

¿Eh, espera, cómo sabemos que este modelo se ajusta a la realidad? ¿Y si los átomos no son para nada así?

En esta otra entrada lo había explicado. También es verdad que estos modelos atómicos, así como aparecen representados siempre en este mismo blog y en los libros de texto, no tienen la escala correcta. En realidad, como explicaba también en esta otra entrada, la gran mayoría del volumen de los átomos es espacio vacío.

Pero, bueno, volviendo a la pregunta que nos ocupa: un elemento químico se distingue de o los demás por el número de protones que contiene su núcleo.

Por ejemplo,  el hidrógeno es el elemento más simple posible con un sólo protón en su núcleo. El helio tiene dos protones en su núcleo y el litio cuenta con tres. Si queréis seguir con la lista, podéis seguir la tabla periódica de izquierda a derecha y de arriba abajo para ver cuántos protones tiene cada elemento en su núcleo.

(Fuente)

¿Me quieres decir que en lo único que se distingue un montón de mercurio de un montón de oro es en un maldito protón en su núcleo? 

Siendo estrictos, no: si metes más protones en el núcleo de un átomo necesitarás también el número necesario de electrones para igualar las cargas eléctricas. También necesitarán introducirse más neutrones en el núcleo para evitar que los protones se acerquen demasiado entre sí. Si no lo haces, tu átomo se desestabilizará.

En un núcleo atómico, una cantidad concreta de protones puede ir acompañado de varias cantidades de neutrones. A los átomos de un mismo elemento que contienen distintas cantidades de neutrones se les llama isótopos, de los que hablaba en esta otra entrada con más detalle.

¿Y qué pasa cuando un átomo se desestabiliza?

Si la cantidad de protones y neutrones en un átomo no está equilibrada, algunos neutrones y/o protones tenderán a salir disparados del núcleo como proyectiles. Ese es el fenómeno detrás de lo que llamamos radiactividad.

O sea, que cuando se dice que un lugar está contaminado por la radiactividad quiere decir que hay átomos inestables por ahí soltando proyectiles subatómicos por todos lados. Se puede apreciar mejor el fenómeno cuando interaccionan con el humo en el interior de una cámara llena de gas, en la animación animación de este enlace.

Por supuesto, como el número de protones que contiene un átomo determina de qué elemento se trata, cuando un elemento pierde algunos protones de su núcleo se convierte en otro elemento. A este proceso se le llama desintegración radiactiva.

Esto significa que si tenemos una montón de un elemento inestable cualquiera, sólo será cuestión de tiempo hasta que este elemento se convierta en uno más ligero a base de emitir protones. También tengo otra entrada donde hablaba más detalle de este proceso.

Y creo que ya podemos empezar a tratar el tema propuesto por Crabon Cronudo.

De los primeros 92 elementos de la tabla periódica podemos encontrar 90 en la naturaleza, desde el hidrógeno hasta el uranio, exceptuando el tecnecio y el prometio. ¿La causa? Estos 90 elementos son lo suficientemente estables como para no haberse desintegrado para formar otros elementos desde el momento en el que quedaron depositados en la Tierra durante su formación, hace 4.600 millones de años.

Crédito: Incnis Mrsi/wikimedia commons.

Durante la historia del planeta, los elementos que tienen más de 92 protones en su núcleo han estado soltando protones y convirtiéndose en elementos más ligeros, de manera que ya no queda rastro de ellos. Y, como no podemos encontrarlos, tenemos que fabricarlos nosotros mismos.

Para sintentizar elementos que ya no existen en la Tierra, contamos con los aceleradores de partículas, donde estrellamos núcleos de elementos ligeros a velocidades tremendas contra elementos más pesados con la esperanza de que alguno de esos núcleos ligeros quede incrustado en algún átomo pesado y se convierta en un elemento con más protones en su núcleo.

El ununseptio, por ejemplo, con 117 protones en su núcleo, fue creado estrellando átomos de calcio (con 20 protones en su núcleo) con berkelio (97 protones). 20 + 97 = 117, así de fácil es la teoría.

Pero hay un problema: normalmente, cuantas más partículas hay contenidas en un núcleo atómico, más inestable se vuelve y menos tiempo dura antes de desintegrarse.

En este enlace tenéis una tabla donde aparece cuánto tiempo sobrevive cada elemento que contiene entre 100 y 118 protones en su núcleo. Como podréis ver, el fermio (100 protones) tiene una vida media de 100.5 días, lo que significa que la mitad de un montón cualquiera de fermio se habrá desintegrado durante ese tiempo y se habrá convertido en elementos más ligeros. En 201 días, sólo quedará una cuarta parte del fermio original… Y así podríamos seguir reduciendo la cantidad de material original a la mitad cada 100.5 días hasta que el último átomo se desintegrara.

Pero los elementos más pesados sintetizados hasta el momento, el unumpentio, el livermorio, el ununseptio y el ununoctio (115, 116, 117 y 118 protones) tienen vidas medias de tan sólo 220, 61, 78 y 0.89 milésimas de segundo.

¿Entonces no podemos crear elementos aún más pesados porque se desintegrarán casi al instante y no nos servirán para nada? ¿No voy a poder comprar un coche hecho de unumpentio? Menudo truño.

Calma, calma, voz cursiva. De todas maneras, un coche de unumpentio sería tan radiactivo que ni siquiera podrías acercarte a él sin terminar frito. Y no creo que te lo vendieran con una garantía de más de unas pocas milésimas de segundo.

Pero no todos los elementos súperpesados (así se les llama también a los que contienen muchísimos protones en el núcleo) tienen por qué tener vidas tan cortas.

Como conocemos bastante bien las propiedades de las partículas subatómicas, podemos predecir cuánto tiempo tardará en desintegrarse un átomo a juzgar por el número de protones y neutrones que contiene su núcleo. Podemos entonces representar los hipotéticos elementos súperpesados según su estabilidad y el resultado es algo así:

La mayoría de las configuraciones de protones y neutrones no son estables pero, en medio de la toda esta inestabilidad, en estas representaciones aparecen zonas donde potencialmente podría existir una variedad elementos estables que podrían tener periodos de desintegración de minutos o hasta días, con algunos optimistas afirmando incluso que millones de años. A estos cúmulos de posibles configuraciones relativamente estables se les llama islas de estabilidad.

Vale, entonces, ¿Podrían existir un número infinito de elementos químicos si existen más de estas islas de estabilidad? 

En teoría, habría una isla de estabilidad alrededor del elemento 120, el ubninilio, y se especula que podría existir una segunda isla de estabilidad alrededor del elemento número 164, ambas con elementos suficientemente longevos como para permitir su estudio químico. Por otro lado, se han calculado las propiedades que podrían presentar elementos con hasta 184 protones en su núcleo.

Pero la respuesta definitiva a nuestra incógnita viene de la mano de un artículo de 2012 de la revista Nature, en el cual un grupo de investigadores llegó a la conclusión de que sólo existen 7.000 posibles núcleos atómicos para elementos que contienen hasta 120 protones. Y esto es precisamente porque si añadimos demasiadas partículas en un núcleo se vuelve demasiado inestable como para llegar a formar un átomo.

Así que ya tenemos nuestra respuesta: el número de elementos químicos posibles tiene que ser finito. Tiene todo el sentido del mundo porque, en realidad, infinitos elementos químicos requerirían de átomos con un número de protones en su núcleo que tendiera al infinito. Esto significaría que podrían existir átomos tan grandes como pelotas de fútbol, planetas o galaxias… Lo que no cuadra con ningún modelo teórico ni con ninguna observación (ni con el sentido común).

Y, no, para los más listillos, las estrellas de neutrones no son átomos gigantes.

 

 

POR CIERTO, TENGO UN MENSAJE MUY IMPORTANTE PARA VOSOTROS.

En septiembre de 2015 publiqué un libro en el que hablo sobre la historia de la astronomía con la editorial Paidós y ahora está disponible en librerías tanto en España como en México y a través de internet por todo el mundo.

Así que, si os apetece saber cómo hemos llegado a conocer todo lo que sabemos hoy en día sobre el universo, podéis hacer click sobre la siguiente imagen del libro, “El universo en una taza de café“, para ir a la entrada donde hablo del libro con más detalle:

 

26 pensamientos en “¿Podría existir un número infinito de elementos químicos sin descubrir?”

  1. Tremendas entradas como siempre, espero la segunda parte de “¿que pasaría si la tierra fuese plana?”

    Me gustaría que algún día hablaras de Nicola Tesla, es uno de los hombres con mas “magufadas” alrededor, estaría bien tener una visión mas crítica de este hombre.

  2. Vale acabo de encontrar una entrada de Nicola Tesla XD, pero mantengo lo de que espero la segunda parte de “¿que pasaría si la tierra fuese plana?”

    (es este supuesto doble mensaje, una forma disimulada de que me hagas caso?? quien sabe XD)

  3. Pero teniendo en cuenta que hay miles de millones de galaxias y cada una tiene miles de millones de estrellas, debe existir algun átomo del tamaño de un balón de fútbol o incluso de un planeta. Es pura estadística.

  4. «También necesitarán introducirse más neutrones en el núcleo para evitar que los neutrones se acerquen demasiado entre sí.» ¿es correcto?

  5. Hola, hace tiempo que quería felicitarte por tu blog, así que aprovecho y lo hago xD.

    Y ahora el pequeño detalle de mosca cojonera: el tecnecio **SI** se encuentra en la naturaleza, y **SI** está en la Tierra. El problema como sabemos es que su vida media es de 4,2 millones de años, es decir, prácticamente ningún tecnecio debería quedar ya. Sin embargo, sí está presente menas de uranio, como resultado de la fisión natural de este. De una tonelada de esta mena de uranio se podría extraer un miligramo de tecnecio, si fuese rentable el proceso. Por supuesto es mucho más barato producirlo a partir del combustible (y residuos) de centrales nucleares (y de hecho, es un residuo muy infame, tóxico por radiactividad y por actividad química).

    Pero estar en la naturaleza, está. Lo cual hace su nombre doblemente estúpido, porque además en castellano siempre me sonó fatal: tec-necio.

  6. ” También necesitarán introducirse más neutrones en el núcleo para evitar que los neutrones se acerquen demasiado entre sí.” Creo que hay una errata ahí.

  7. Hola,
    Me he interesado por su afirmación de que “Un grupo de investigadores llegó a la conclusión de que como mucho, un núcleo atómico podría tener alrededor de 7.000 partículas, entre protones y neutrones.”

    Pero parece que no es así, pues lo que dicen en el artículo de Nature es que: “[we] find that the number of bound nuclides with between 2 and 120 protons is around 7,000.”

    Es decir, que hay 7000 combinaciones de protones y neutrones estables con 120p como mucho (e-g. 1p+0n, 1p+1n, 2p+2n…así hasta 7000), que no es lo mismo que un núcleo de 7000 partículas!

    Link:
    http://www.nature.com/nature/journal/v486/n7404/full/nature11188.html

  8. Y si el uso de la teoría de cuerdas permite otro tipo de átomos?
    Conste que lo pregunto como físico. me ha gustado la entrada!
    Saludos!

  9. Excepcional artículo, pero creo que confundes vida media (tau) con período de semidesintegración. Aunque guardan cierta relación, no son equivalentes. Creo que el error vendrá por los ingleses, que llaman half-life al período de semidesintegración (T=ln(2)/lambda) y mean lifetime a la vida media (tau=1/lambda).

    Por lo demás, excelente artículo, de fácil comprensión y todo genial explicado 😉

  10. mmm creo que el sol y sus planetas es otro elemento y asi, hasta el infinito… Y, que pasa con las “cuerdas”(segun lo mas pequeno de la materia hasta ahora descubierto y que supuestamente, es energia) de nuestro cuerpo al morir este.

  11. Pero no todos los elementos súperpesados (así se les llama también a los que contienen muchísimos protones en el núcleo) tienen por qué tener vidas tan cortas.

    Sería: no tienen por qué tener vidas tan cortas, ¿no?

    mancantao 🙂

  12. MMM, lo que tenia entendido es que las estrellas de neutrones son los que originaron los elementos mas pesados que podemos ver en la tierra, ahi surge mi interrogante, si teniendo tanta energía estas estrellas no pudieron crear naturalmente un elemento estable ( varios millones de años) por encima del Uranio. Entonces todos nuestros esfuerzos con aceleradores de partículas seria un desperdicio y nunca encontraríamos la tan ansiada laguna de estabilidad.

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