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Los que seguís mi canal de Youtube sabréis que a menudo cuelgo vídeos en los que hablo sobre mi colección de elementos químicos. Una de mis muestras favoritas (que llevo con frecuencia a mis charlas y talleres de ciencia) es un cubo de wolframio que pesa 2,4 kilos, pese a que mide sólo 5 centímetros de lado. Para que os hagáis una idea de lo absurdamente denso que es este metal, una botella de 1 litro llena de wolframio pesaría 19,3 kilos. En comparación, la misma botella pesaría sólo 1 kg si estuviera llena de agua, 7,87 kg si la llenáramos de hierro y unos 11,34 kg cargada de plomo.
Sé que no se puede transmitir la sensación de sujetar una cosa tan densa mencionando unas cuantas cifras, así que, para daros una idea mejor, os dejo un vídeo en el que enseñaba cómo reacciona la gente por la calle cuando levantaban un cubo tan inesperadamente pesado.
Pues, bien, si más o menos habéis podido asimilar la tremenda densidad de este metal, tengo una noticia que os va a sorprender: el wolframio ni siquiera es el elemento más denso de la tabla periódica. Es más, el oro y el uranio tienen una densidad similar y el platino incluso lo supera, con 21,46 kilos por litro (kg/l).
¿Significa eso que una botella de 1 litro llena de platino pesaría 21,46 kg?
Efectivamente, voz cursiva. Y si esa misma botella estuviera llena osmio, considerado el elemento más denso conocido, pesaría ni más ni menos que 22,59 kg. Ahora bien, aunque el osmio ostenta el título de elemento más denso de la tabla periódica, hay un par de matices que conviene tener en cuenta.
En primer lugar, la densidad de un elemento no es una propiedad fija e inalterable porque depende de las condiciones de temperatura y presión a las que esté sometido. Si un material se calienta, su volumen incrementa y su densidad disminuye. Si se enfría, se contrae y la densidad aumenta. Por otro lado, las cosas se comprimen cuando la presión que actúa sobre ellas incrementa, lo que se traduce en una reducción de su volumen y el correspondiente aumento de su densidad. Algunos elementos se ven afectados por estos cambios más que otros, pero lo que quiero decir con esto es que sólo tiene sentido comparar la densidad de dos elementos si ambos se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura. Es por eso que, a menos que la fuente lo especifique, los valores de densidad se suelen corresponder a los medidos a 20ºC y presión atmosférica, las llamadas «condiciones normales».
¿Y por qué 20ºC y presión atmosférica es lo «normal»? Porque digo yo que las condiciones que son «normales» dependerán del lugar en el que vivas.
Lo sé, voz cursiva, lo sé, pero se necesita algún tipo de consenso en el mundo científico para que todo el mundo se pueda poner de acuerdo cuando hace sus mediciones. De ahí que se fijaran estos valores.
El caso es que la densidad de los elementos químicos cambian en diferente medida en cuanto nos alejamos de las condiciones normales. Por ejemplo, el iridio (22,56 kg/l) es sólo un poco menos denso que el osmio (22,6 kg/l) a 20ºC y presión atmosférica, pero, si mantenemos la temperatura constante y sometemos a estos dos elementos a presiones 30.000 veces superiores a la de la atmósfera, la densidad de los dos se iguala en 22,75 kg/l. Y, si seguimos incrementando la presión, la densidad del iridio aumentará a un ritmo ligeramente mayor que la del osmio. En estas condiciones que no son nada normales en ningún lugar de la superficie terrestre el iridio le roba al osmio el título del elemento más denso.
Cristales de osmio (izquierda) e iridio (derecha). Fuentes (1, 2)
Por tanto, el concepto «elemento más denso» depende de las condiciones de presión y temperatura que tomes como referencia. Pero, además, hay un segundo matiz un poco más complejo que quería mencionar: es probable que existan elementos que son muchísimo más densos que el osmio o el iridio, pero no se suelen mencionar cuando se trata este tema.
Me explico.
La tabla periódica no se limita a enumerar todos los elementos conocidos, sino que, además, los ordena según sus propiedades. Por ejemplo, los elementos que se encuentran en la misma columna tienen un comportamiento químico similar. Esto significa que nos podemos hacer una idea de cuáles serían las propiedades de elementos que aún no se han descubierto en base a cuál sería su posición en la tabla periódica. De hecho, algunos elementos se descubrieron después de que se predijera su existencia a partir de «huecos» en la tabla periódica.
Una de esas propiedades que varía de manera predecible a lo largo de la tabla periódica es la densidad: los elementos más densos de cada fila están concentrados en la parte central de la región ocupada por los metales y, además, la densidad de los elementos de las filas inferiores es mayor que la de los de las filas superiores. Como una imagen vale más que mil palabras, he representado esta tendencia de manera aproximada en la siguiente tabla periódica:
(Fuente de la imagen que he usado como plantilla)
Como veis, todos los elementos extremadamente densos que he mencionado hasta ahora (el wolframio (W), el iridio (Ir) y el platino (Pt)) están en la parte central de la fila 6. Y, al ser el más denso de todos, el osmio (Os) se encuentra en el centro de este grupo. Pero, ojo, porque también os habréis fijado en que existe una séptima fila debajo de la que ocupan estos elementos. Siguiendo el patrón que he mencionado, los elementos que ocupan el centro de la fila 7 (como el bohrio (Bh), el hasio (Hs) y el meitnerio (Mt)) deberían ser aún más densos que el osmio.
¡Cierto! ¿Y por qué ninguno de ellos ostenta el título de elemento más denso conocido? ¿Quién los intenta ocultar? ¿Es que existe algún tipo de complot entre los gobiernos del mundo para mantener en secreto unos materiales que…?
Para el carro, voz cursiva, que no van por ahí los tiros. Estos elementos no se suelen tener en consideración porque, al ser muy radiactivos, son extremadamente escasos. Tan escasos, de hecho, que ni siquiera se ha conseguido obtener una muestra de ellos lo bastante grande como para que se pueda observar a simple vista.
De nuevo, será mejor que me explique.
He hablado con más detalle sobre los elementos radiactivos en otras entradas, pero, en resumidas cuentas, se trata de elementos que tienen una cantidad de protones y neutrones en su núcleo que no es estable a largo plazo. Para intentar ganar algo de estabilidad, los átomos de estos elementos tienden a expulsar algunos de sus protones del núcleo o a convertir uno de sus neutrones en un protón (o viceversa), emitiendo un electrón (o un positrón) durante el proceso. Estas partículas que salen disparadas de los núcleos atómicos radiactivos son lo que llamamos radiación nuclear.
El siguiente dato importante que debemos tener en cuenta es que el número de protones que contiene un átomo determina a qué elemento pertenece. Por ejemplo, el oro es oro porque sus átomos tienen 79 protones en el núcleo, mientras que el hierro tiene sus características propias porque sus átomos poseen 26 protones.
Espera, ¿significa eso que se puede convertir un elemento en otro simplemente cambiando el número de protones que contiene?
Efectivamente, aunque el proceso no es tan «simple» como parece: si quieres convertir átomos de un elemento en otro, tendrás que bombardear un mazacote del elemento en cuestión con átomos de elementos más ligeros con la ayuda de un acelerador de partículas. Con un poco de suerte, algunos de esos átomos ligeros chocarán con los átomos de tu elemento a una velocidad lo bastante alta como para que los dos núcleos se combinen, produciendo un núcleo más grande con muchos más protones que los dos originales… O un núcleo de un elemento distinto, que es lo mismo.
Pues, bien, como he comentado, los átomos de los elementos radiactivos ganan estabilidad modificando el número de protones que contienen en el núcleo. Pero, claro, cuando el número de protones que contiene un átomo varía, se convierte en otro elemento. Por tanto, en cuanto un átomo de un elemento radiactivo emite alguna partícula de su núcleo y el número de protones que contiene cambia, se convierte automáticamente en un átomo de otro elemento. Por ejemplo, el carbono-14 es un isótopo radiactivo del carbono que posee 6 protones y 8 neutrones en su núcleo. Como esta combinación no es estable, estos átomos tienden a convertir uno de sus neutrones en un protón, emitiendo un electrón durante el proceso. Cuando termina la transformación, el núcleo del átomo pasa a tener 7 protones y 7 neutrones. Como el elemento que tiene 7 protones en el núcleo es el nitrógeno, ese átomo de carbono-14 se habrá convertido en uno de nitrógeno-14.
Vale, captado, los átomos radiactivos se transforman en otros elementos cuando emiten la radiación que les corresponde. ¿Y eso que tiene que ver con esos elementos tan densos de los que nadie habla?
Casi hemos llegado ahí, voz cursiva. Sólo nos falta tratar un concepto más: el periodo de semidesintegración.
Hablé sobre el periodo de semidesintegración con más detalle en esta otra entrada, pero, en resumidas cuentas, se trata de una medida que refleja el ritmo al que los átomos de un elemento radiactivo se transforman en otros. Por ejemplo, el carbono-14 tiene un periodo de semidesintegración de 5.730 años. Esta cifra nos dice que la mitad de los átomos de una masa de carbono-14 se habrán convertido en nitrógeno-14 al cabo 5.730 años. Si esperamos 5.730 años más, la mitad de esa mitad habrá llevado a cabo la transformación. De esta manera, la cantidad de carbono-14 seguirá reduciéndose a la mitad cada 5.730 años hasta que toda la masa se haya convertido en nitrógeno-14.
Exceptuando algunos isótopos muy concretos como el carbono-14, los elementos que tienen menos de 83 protones en su núcleo suelen ser bastante estables. A partir de esa cifra, los átomos poseen tantas partículas en su núcleo que no existe ninguna combinación de protones y neutrones que los pueda mantener estables a largo plazo. Por tanto, los átomos que tienen más de 83 protones en su núcleo acaban deshaciéndose de algunos de sus protones tarde o temprano y convirtiéndose en otros elementos. En la siguiente tabla periódica he resaltado todos esos elementos inestables que irremediablemente se acaban transformando en otros.
Por regla general, cuantas más partículas tienen estos elementos pesados en su núcleo, más corto es su periodo de semidesintegración. Por ejemplo, el uranio-238 tiene un periodo de semidesintegración de unos 4.500 millones de años, mientras que el del isótopo más estable del oganesón es de sólo 181 milisegundos.
Y aquí llega el dato importante: estos elementos tan inestables que se encuentran hacia el final de la tabla periódica son muy escasos en la naturaleza. El motivo es que, como muchos tienen periodos de semidesintegración inferiores a pocos segundos, todos sus átomos se han convertido en otros elementos a lo largo de los 4.600 millones de años que lleva existiendo nuestro planeta, por lo que hoy en día ya no queda ni rastro de estos elementos en nuestro entorno.
Espera, ahora que lo dices, veo que en la tabla anterior de elementos inestables y escasos has resaltado los de la fila 7, esos que deberían ser más densos que el osmio.
Muy buena observación, voz cursiva. Así es: esos elementos extremadamente densos tienen periodos de semidesintegración del orden de pocos segundos, así que desaparecieron de nuestro planeta hace muchísimo tiempo.
¿Y cómo se estudian las propiedades de estos elementos tan densos, si no hay manera de encontrar muestras a nuestro alrededor?
Pues no queda más remedio que sintetizarlos de manera artificial mediante aceleradores de partículas, como he comentado antes, pero, por desgracia, se trata de un proceso lentísimo con el que sólo es posible producir unos cuantos átomos al mismo tiempo. Y, para rematar el asunto, esos elementos súper densos tienen muchísimos protones y neutrones en su núcleo, así que son tan inestables que los pocos átomos que se consiguen sintetizar se convierten en otros elementos en pocos segundos.
Pero, aunque no exista una manera de reunir una cantidad lo bastante grande de estos elementos como para fabricar un trozo macizo al que podamos medir su densidad de manera directa, las leyes de la física nos permiten predecir cuál sería la densidad aproximada de estos elementos aún más densos que el osmio… Y los resultados son realmente increíbles: el dubnio debería tener una densidad de 29 kg/l, el seaborgio rondaría los 35 kg/l y el bohrio y el meitnerio llegarían a los 37,1 kg/l y 37,4 kg/l, respectivamente.
Aun así, el título de elemento más denso conocido se lo llevaría el que está justo debajo del osmio en la tabla periódica: el hasio, con 41 kg/l. Intentad imaginar por un momento que intentáis levantar una botella de 1 litro con una mano y, de repente, notáis que pesa 41 kg. Así de denso es el hasio.
¿Por qué imaginarlo? ¡Recaudemos fondos para construir un acelerador de partículas más grande que pueda fabricar suficiente hasio para llenar una botella! ¡Hagamos nuestros sueños realidad!
Me da que eso no sería una buena idea, voz cursiva. En primer lugar, el hasio tiene un periodo de semidesintegración de sólo unos segundos, así que es muy, muy radiactivo. Pero, más importante aún, las partículas que salen disparadas constantemente del mazacote de hasio a gran velocidad tienden a calentar la materia que las rodea. De hecho, si mi aproximación patatera no anda demasiado desencaminada* y consiguiéramos producir mágicamente un mazacote de hasio de 41 kilos, durante los primeros 16 segundos de su existencia produciría una cantidad de energía casi 100 veces superior a la que liberó el volcán Krakatoa al entrar en erupción en 1883. Por tanto, si ese trozo de hasio existiera, intentaría mantenerme tan alejado de él como fuera posible.
Pero, bueno, viendo todos estos datos, es normal que estos elementos tan inestables no se tengan en consideración cuando se habla de los elementos más densos conocidos. Por un lado, son tan escasos que su densidad ni siquiera se ha podido verificar de manera experimental y, por otro, los pocos átomos que se consiguen sintetizar apenas duran unos segundos. Y, por si eso fuera poco, encima, si consiguiéramos suficiente material como para poder manipularlo, sería un desastroso. Teniendo esto en cuenta, me parece estupendo que el osmio ostente el título de elemento más denso conocido.
*Los 41 kilos de hasio contienen 155,3 moles de este elemento. He asumido que sólo hay átomos del isótopo más longevo (16 segundos) y que cada uno emite una partícula alfa con una energía de 9 MeV.
*Por cierto, mi intención sigue siendo colgar un artículo propio del blog el primer y el tercer domingo de cada mes, además de seguir publicando artículos en la sección de ciencia de La Razón los lunes y jueves.
Imagen de portada del artículo: Alchemist-hp/Wikimedia (https://www.pse-mendelejew.de/en)