Los “Seis Grandes” Elementos de la Tierra Temprana
El período más temprano de la historia de la Tierra, el acertadamente llamado Hadean Eon, fue una época infernal de incesantes bombardeos de meteoritos y vulcanismo explosivo. La Tierra estaba cubierta de coladas de lava al rojo vivo que se endurecieron hasta convertirse en basalto negro, que es el punto de partida de las superficies de todos los planetas interiores. Como verán en esta entrada, seis elementos dominantes —el oxígeno aceptor de electrones y los donantes de electrones silicio, aluminio, magnesio, calcio y hierro— jugaron papeles fundamentales.
Los Seis Elementos Dominantes
La inevitable diferenciación química de la Tierra fue una consecuencia directa de dos procesos químicos complementarios. Primero fue la fabricación de elementos, el proceso cosmoquímico de la nucleosíntesis. Las estrellas grandes hacen que todos los elementos de la tabla periódica sean más pesados que el hidrógeno y el helio. El segundo proceso químico es la formación de rocas o petrología.
Puede estar integrado en nuestro universo que alrededor de media docena de los más de 100 elementos químicos conocidos estaban destinados a convertirse en dominantes en los planetas rocosos (Todavía tenemos mucho que aprender sobre los planetas rocosos), pero si nos enfocamos en la Tierra, son seis elementos dominantes, y sus números atómicos son (8) oxígeno, (12) magnesio, (13) aluminio, (14) silicio, (20) calcio y (26) hierro.
Si ignoramos el hidrógeno, el helio y el neón, los seis elementos dominantes en la Tierra representan aproximadamente tres de cada cuatro átomos en el sistema solar. Además, gran parte del resto es, en proporciones incluso mayores que las de la Tierra misma, carbono, nitrógeno y azufre, cada uno de los cuales es fundamental para la vida.
Si nos enfocamos solo en los planetas terrestres internos, donde se han eliminado la mayoría de los volátiles, los «seis grandes» elementos tienen un papel aún más importante: constituyen un enorme 97 por ciento de la masa de la Tierra, al igual que lo hacen para la masa de Mercurio, Venus y Marte, y la Luna.
Para la Tierra, los seis grandes clasificados por su contribución a la masa del planeta son los siguientes: hierro y oxígeno, 30 por ciento cada uno; silicio y magnesio, 15 por ciento cada uno; y un poco menos del 2 por ciento cada uno para aluminio, calcio y níquel (aunque una gran parte del níquel se encuentra en el núcleo de la Tierra).
También podemos contar por el número de átomos que aporta cada elemento. Visto en términos de número de átomos, el oxígeno es realmente el rey, ya que representa casi la mitad de los átomos de la Tierra. Le siguen magnesio, silicio y hierro con aproximadamente un 15 por ciento cada uno. El aluminio representa solo el 1,5 por ciento y el calcio es aproximadamente el 1 por ciento.
Cada uno de estos elementos ha jugado un papel clave a lo largo de la historia de la Tierra y cada uno tiene una historia química importante. Los enlaces químicos se encuentran en el corazón de estas historias. La clave del enlace químico es que debe producirse un intercambio de electrones: algunos átomos regalan electrones y otros átomos los aceptan.
Oxígeno
El oxígeno es, con mucho, el elemento más abundante en la corteza y el manto de la Tierra. En la tabla periódica, el oxígeno se encuentra en la octava posición, solo dos lugares a la izquierda del neón, gas inerte. El oxígeno quiere dos electrones más; de hecho, desempeña el papel del aceptor de electrones más voraz de la Tierra. Eso es porque cada átomo de oxígeno contiene 8 protones en su núcleo (De hecho, esa es la definición de «oxígeno»). Esos 8 protones tienen 8 cargas positivas, que generalmente están equilibradas por 8 electrones negativos, pero 10 es el “número mágico” más cercano, y eso significa que el oxígeno está constantemente en busca de 2 electrones adicionales.
Dada nuestra dependencia del oxígeno, es extraño que el octavo elemento sea uno de los gases más corrosivos y químicamente reactivos de la naturaleza. El oxígeno reacciona violentamente con muchas sustancias químicas ricas en carbono. También convierte el metal de hierro brillante en una pila de óxido y descompone rápidamente muchos minerales.
La mayoría de nosotros pensamos, naturalmente, en el papel principal del oxígeno como una parte esencial y vivificante de la atmósfera, pero el oxígeno en la atmósfera es un desarrollo relativamente reciente. Durante más de la mitad de la historia de la Tierra, la atmósfera prácticamente no tuvo oxígeno persistente, e incluso hoy, con una gran cantidad de oxígeno en la atmósfera, el 99,9999 por ciento del oxígeno de la Tierra está bloqueado en los minerales y rocas de la corteza y el manto.
Silicio
El oxígeno no podría desempeñar un papel químico tan crítico como aceptor de electrones en las capas externas de la Tierra si no fuera por varios tipos de átomos que están igualmente ansiosos por regalar o compartir sus electrones. De hecho, los otros cinco elementos de los seis grandes son todos donantes de electrones. El más entusiasta de estos donantes de electrones es el silicio, que representa aproximadamente uno de cada cuatro átomos en la corteza y el manto de la Tierra.
En la tabla periódica, el silicio está en el decimocuarto lugar, justo debajo del carbono. Eso significa que el silicio tiene 14 protones en su núcleo, que pueden equilibrarse con 14 electrones negativos. Pero 14 no es un “número mágico”; 10 o 18, igualmente distantes de 14, son “números mágicos”. Como resultado, el silicio debe formar enlaces químicos.
Los enlaces silicio-oxígeno comparten una cantidad importante de electrones. Como consecuencia, el enlace silicio-oxígeno siempre tiene un componente de covalencia además de ionicidad. Los enlaces resilientes silicio-oxígeno se encuentran en casi todas las rocas de la corteza y del manto y en la mayoría de los minerales.
Los minerales con enlaces silicio-oxígeno son los materiales más comunes de la Tierra, tanto en volumen total como en la gran cantidad de especies diferentes: más de 1300, y contando, porque se descubren más casi todos los meses. Estos minerales, conocidos colectivamente como silicatos, también son muy variados en sus arquitecturas atómicas y en sus propiedades físicas y químicas. Eso se debe a que el enlace silicio-oxígeno es tan versátil en la forma en que puede conectarse con otros átomos.
Aluminio, Magnesio, Calcio y Hierro
El aluminio se encuentra a la izquierda inmediata del silicio en la tabla periódica. En la posición 13, el aluminio tiene tres electrones más de lo ideal, por lo que cumple el papel de otro importante donante de electrones en la corteza y el manto de la Tierra.
El aluminio es mucho menos abundante que el oxígeno o el silicio; solo uno de cada 20 átomos del manto y la corteza promedio es de aluminio. A pesar de esa relativa escasez, el aluminio juega un papel estructural único en muchos de los minerales más comunes: en el grupo de silicatos de cadena de piroxeno, en los grupos de silicato de capa de mica y arcilla, y en feldespato y otros silicatos de estructura.
El magnesio, que se encuentra a la izquierda del aluminio en un espacio y es el elemento 12, representa aproximadamente uno de cada seis átomos de la corteza y el manto. Cada átomo de magnesio quiere deshacerse de dos electrones, por lo que se une fácilmente en una proporción de uno a uno con el oxígeno.
Sin embargo, resulta que el óxido de magnesio puro, MgO, es bastante raro en la naturaleza. Eso se debe a que el magnesio tiende a unirse con el silicio y otros elementos para formar muchos de los silicatos más comunes tanto en la corteza como en el manto. De hecho, se estima que los silicatos de magnesio forman aproximadamente la mitad del volumen de la Tierra, principalmente en los minerales del manto más abundantes: la olivina forsterita; la piroxeno enstatita; el piropo granate; y sus variados equivalentes densos y de alta presión en las profundidades de la Tierra.
El quinto de los seis grandes elementos es el calcio, que representa alrededor del seis por ciento de los átomos de la corteza y el manto. El calcio aparece en la posición 20 de la tabla periódica, por lo que se encuentra inmediatamente debajo del magnesio. Eso significa que el calcio es algo más grande que el magnesio, pero en otros aspectos, es el gemelo químico del magnesio.
Los elementos que se encuentran en la misma columna vertical suelen tener propiedades químicas similares. Entonces, el calcio, como el magnesio, está a dos electrones de un “número mágico”; en el caso del calcio, 18. El calcio quiere deshacerse de 2 electrones, por lo que (como el magnesio) se une al oxígeno en una proporción de uno a uno para producir CaO, la cal mineral. También como el magnesio, es raro encontrar óxido de calcio puro en la naturaleza. El calcio casi siempre se combina con silicio y otros elementos, a menudo como sustituto del magnesio en minerales como olivino, piroxeno, mica o granate.
El hierro es, con mucho, el más versátil de los seis grandes elementos. Eso se debe a que cada uno de los otros cinco elementos (oxígeno, silicio, aluminio, magnesio y calcio) desempeña un papel dominante en la química de las rocas y los minerales. Todos ellos son elementos litófilos por excelencia que adoptan enlaces iónicos y se concentran en la corteza y el manto. El oxígeno casi siempre juega el papel de un aceptor de electrones, mientras que los demás son casi siempre donantes de electrones. El hierro, por el contrario, abarca tres responsabilidades químicas muy diferentes.
A diferencia del silicio, el aluminio, el magnesio o el calcio, el hierro comúnmente se une a otros aceptores de electrones, especialmente al azufre (el oro de los tontos es solo un ejemplo). El hierro también forma fácilmente el metal denso que se hunde hasta el centro de los planetas y forma sus núcleos masivos. En resumen, el hierro es uno de los pocos elementos que comúnmente actúa como elemento litófilo, siderófilo y calcófilo.
Referencias
Roberth M. Hazen
An Introduction to the Rock-Forming Minerals.
Deer, Howie, and Zussman
Principles of Igneous and Metamorphic Petrology
Anthony Philpotts, Jay Ague
Minerals: Their Constitution and Origin
Hans-Rudolf Wenk, Andrei Bulakh