Vocês já pararam para pensar como os elementos químicos que estão presentes na Tabela Periódica se formaram? Como foram produzidos no Universo? Esse assunto não é tratado com muita frequência na área da educação e não engloba somente a química ou a história por trás dos descobrimentos acerca de cada um, mas sim: física quântica, filosofia da ciência, aspectos de física atômica e molecular, mecânica quântica, física de partículas e astrofísica.
Fazendo uma contextualização histórica mais abrangente percebemos que a química e a ciência de modo geral sofreram muitas evoluções dos últimos séculos até os dias atuais. Algumas evoluções importantes foram:
Em 1869 Mendeleev publicou em seu livro: “Princípios da Química” uma tabela periódica com cerca de sessenta elementos e espaços vazios onde viriam outros a serem descobertos ainda, esta tabela foi sendo desenvolvida até hoje.
Tabela Periódica de Mendeleev. Disponível em: http://www.infoescola.com/classificacao-periodica-de-mendeleev
O elétron foi pressuposto tempo depois, mais precisamente em 1897 por Thomson, já em 1905 Einstein propôs a existência dos fótons que são partículas associadas ao campo eletromagnético, a luz e a radiação. Moseley por sua vez nos anos de 1913 disse que os elementos da tabela periódica seriam classificados quanto ao seu número de prótons e não quanto ao número de massa como afirmou Mendeleev. O núcleo do átomo só foi exposto pelo cientista Rutherford em 1919. Nos anos de 1930 Wolfgang Pauli presumiu que existiam neutrinos dos elétrons e um ano depois Carl David Anderson apresentou os pósitrons que são as antipartículas dos elétrons, ou seja, possuem características iguais, mas cargas diferentes. Chadwick em 1932 descobriu a partícula nêutron e depois de anos, mais precisamente em 1964 se toma a percepção dos quarks que são as partículas que ajudam a formar/criar os nêutrons e os prótons. Uma curiosidade deveras interessante é que até 1820 o alemão Joseph Ritter von Fraunhofer fabricante de instrumentos de vidro (lentes, prismas, microscópios e telescópios) e inventor do espectroscópio já tinha noção de mais de 574 linhas escuras no espectro solar, depois essas linhas receberam o seu nome como homenagem.
Espectroscopia é a dispersão da luz em diferentes faixas, cores, comprimentos de onda e frequência da luz/onda eletromagnética. Através dela e de seu avanço começa a surgir a astrofísica que é hoje uma das metodologias mais importantes da astronomia, pois ajuda a compreender quase tudo observado, descreve os elementos químicos, a composição química da atmosfera e das estrelas. O espectroscopista observa a atmosfera de diferentes estrelas, compara ela com os espectros dos elementos que se tem conhecimento e por fim consegue identificar a composição da estrela.
A astrofísica por sua vez é sobretudo a interação da luz, da onda eletromagnética com a matéria/ os átomos. Quando se interage luz com matéria, possuímos basicamente três tipos de espectros eletromagnéticos: o contínuo, as linhas de emissão e as linhas de absorção que são resumidos pela “Lei de Kirchhoff”. Cada elemento químico tem a sua “assinatura” que é única, isso quer dizer que cada um tem o seu espectro e a sua formação das linhas que está associada há como seus elétrons saltam de um nível para outro na estrutura atômica. A espectroscopia impulsiona a astrofísica.
Tipos de espectros. Disponível em: https://lh3.googleusercontent.com/proxy/
As mulheres exerceram um papel fundamental para a descrição dos espectros estelares. Entre os anos de 1885 e 1927 elas foram conhecidas como: “mulheres computadores do observatório de Harvard”. Cecilia Payne-Gaposchkin escreveu uma das teses mais importantes da astrofísica e astronomia, conseguindo interpretar uma grande quantidade de espectros associando-os com a temperatura e a composição química da atmosfera dessas estrelas.
Imagens das mulheres intituladas como “computadores de Harvard”. Disponível em: https://cafecomciencia.files.wordpress.com/2009/10/hc02.jpg?w=584
Astrofísica estelar trabalha sobretudo com mudanças químicas, onde determina a quantidade de elementos químicos nas atmosferas das estrelas, como por exemplo: as estrelas frias, suas atmosferas têm ordem de aproximadamente 3000°C, ou seja, elas são frias em relação ao Sol (ordem de 5780 K).
O primeiro artigo publicado que conta sobre como os elementos químicos foram formados no universo foi divulgado em 1957 e conhecido como “B²FH” devido aos sobrenomes dos autores. Foi escrito em inglês e informa sobre como é a síntese dos elementos químicos formados nas estrelas.
Na teoria padrão sabemos que o Universo se forma em uma explosão ocorrida 13.8 bilhões de anos atrás em uma singularidade ou evento chamado “Big Bang”. Na explosão existiam fótons de raio gama que são ondas eletromagnéticas de alta energia. Devido ao universo ter sido muito denso e possuir uma alta temperatura e energia, essa energia produz fótons muito poderosos, por estarem em um ambiente muito denso eles se colidiram entre si e com essas colisões se formavam outras partículas: os elétrons. Em contrapartida, quando um elétron se formava também se criava uma antipartícula e quando o elétron encontrava e colidia com sua antipartícula elas se aniquilavam produzindo mais fótons de raio gama. Esses processos de criação e aniquilação de partículas são verificados nos operadores de partículas que existem hoje em alguns laboratórios.
Nucleossíntese é a palavra técnica para explicar como os elementos são formados tendo dois mecanismos principais que são: nucleossíntese primordial explica de fato quais são os primeiros elementos que se formam depois da explosão do Big Bang levando de três a cinco minutos depois do ocorrido, produzindo hidrogênio e hélio sobretudo e um pouco de lítio. Depois disso, o universo não consegue formar elementos mais pesados porque quando ele se forma expande-se e resfria-se, ou seja, as temperaturas ficam muito baixas para produção dos elementos químicos mais pesados. Os outros elementos serão constituídos somente anos depois através da nucleossíntese estelar que ocorre quando as primeiras estrelas aparecem e estas por sua vez vão ter em seu núcleo energia suficiente para formar elementos químicos mais pesados do que o Lítio.
O processo de queima ou transformação de um elemento químico em outro depende muito da massa inicial da estrela, se por exemplo uma estrela nasceu entre 0.08 massa do Sol até 8 e 10 vezes a massa do sol ela vai ter um caminho para produzir os elementos, mas se a estrela já nasceu acima de 10 vezes a massa do Sol, ela vai ter outro caminho de formação de elementos.
Como já sabemos, o átomo é constituído de um núcleo e este apresenta os prótons e nêutrons, e ao seu redor temos elétrons não em órbitas clássicas, mas com probabilidades de encontrá-los girando em torno do núcleo. Os prótons e os nêutrons são conhecidos como bárions ou matéria bariônica que também é chamada de matéria luminosa ou matéria da tabela periódica. Os prótons e nêutrons como vimos anteriormente são constituídos de quarks e estes junto com os léptons (elétrons) formam uma família de partículas denominada férmions que obedecem ao princípio de Pauli, essas partículas são chamadas de partículas constituintes, pois formam a matéria. Os bósons não obedecem ao princípio de Pauli, formando assim as partículas mediadoras que estão associadas ao campo gravitacional, campo eletromagnético, campo de força fraca e campo de força forte. Cada um destes campos de força tem uma partícula associada: campo de força gravitacional tem a partícula gráviton que ainda não é identificada pela física; o campo eletromagnético possui o fóton (toda vez que temos luz ou campo eletromagnético os fótons estão presentes); campo de força fraca tem as partículas chamadas Z e W e por fim, o campo de força possui o glúon. O campo de força forte irá atuar sobre o núcleo do átomo e é esse campo que mantém os prótons unidos para não irem “embora”, já o campo de força fraca nos diz por exemplo como o nêutron cai. As partículas constituintes e as mediadoras que formam a física das partículas nos explicam as diferentes interações da natureza e isso tudo tem início no Big Bang, pois a medida que o universo vai se expandindo essas forças vão se separando.
Pela cosmologia moderna contemporânea sabemos hoje que o universo é composto por 95% de algo que não sabemos ao certo o que é: matéria escura e energia escura. Os outros 5% que se entende, mas ainda com algumas ressalvas está na tabela periódica que é a matéria bariônica ou matéria luminosa associados aos bárions (prótons e nêutrons). À medida que o universo se expande ele se resfria com o tempo, ou seja, sua temperatura vai baixando.
As galáxias têm diferentes morfologias, cores e gostam de permanecerem juntas. A galáxia que mais entendemos atualmente do ponto de vista químico é a que estamos inseridos e o nosso Sol é apenas uma dentre as bilhões de estrelas que estão incluídas nela. A nuvem molecular formada por poeira e gás que dá origem ao Sol é a mesma que forma os planetas, ou seja, o que não foi usado dessa nuvem para o Sol foi usado para originar os planetas. Os planetas telúricos ou terrestres são distintos quimicamente dos gigantes como Júpiter.
As estrelas nascem de uma nuvem molecular, vivem e morrem. Aquelas que não estão “ligadas” gravitacionalmente a outra estrela formando um sistema binário vão seguir o percurso de nascer, viver e morrer e quando morrem expelem o seu material químico que as constitui de volta ao universo. Já as estrelas grandes quando começa a queimar ferro em seu núcleo não aguentam mais, pois não conseguem mais converter o elemento químico em outro então precisa liberar sua energia assim explodindo, ou seja, a estrela não consegue mais sustentar todo peso das suas “camadas” porque em seu centro o equilíbrio da pressão gravitacional com a pressão térmica está desequilibrado e quando explode ocorre um evento conhecido como supernova do tipo dois produzindo um buraco negro ou uma estrela de nêutron dependendo da massa original. Se a estrela nasceu entre 10 e 25 vezes a massa do sol ela vai terminar sua vida como uma estrela de nêutron, entretanto se ela já começou sua vida acima de 25 vezes a massa do sol quando ela explodir produzirá um buraco negro. As anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros são, na verdade restos de estrelas que explodiram pelo universo.
Ciclo resumido da vida das estrelas. Disponível em: https://hypescience.com/wp-content/uploads/2012/08/ciclo-de-vida-estelar2.jpg
A tabela periódica dos astrofísicos é composta somente pelo hidrogênio, hélio e metais. Então depois do Big Bang nos primeiros três minutos são formados: hidrogênio, hélio e um pouco de lítio como vimos anteriormente. O processo de transformação de um elemento químico em outro no interior das estrelas se dá pela fusão, ou seja, elementos menores se juntam para produzir elementos maiores. A fissão por sua vez é quando se tem um elemento gigante que se joga energia nesse sistema e vai ocorrer uma quebra ou compartilhamento do sistema em partículas menores.
Fissão e Fusão. Disponível em: http://agracadaquimica.com.br//fissao-e-fusao-nuclear
A primeira reação nuclear em qualquer estrela para virar uma estrela deve ter energia suficiente para que quatro átomos de hidrogênio se juntem para formar um átomo de hélio liberando energia. As estrelas de baixa massa ao morrerem liberam alguns elementos como carbono, nitrogênio e berílio, mas este processo demora bilhões de anos para ocorrer. Na explosão de uma supernova do tipo 1A se tem a produção de uma grande quantidade de ferro. Então, as estrelas de alta massa vão produzir sobretudo até o ferro na tabela periódica (ou seja, potássio, cálcio, manganês, cromo até chegar ao ferro). Quando a estrela supernova do tipo II explode ela produz muito oxigênio, o que sobra da explosão é chamada: remanescente de supernova que possui muita energia liberada. Quando a estrela explode ela joga todos os elementos químicos que estavam no centro para o meio interestelar, o próton jogado para fora procura o elétron que forma o nêutron e o neutrino, o meio interestelar fica cheio de nêutrons e os elementos químicos começam a capturar esses nêutrons, ocorre então a desintegração dos nêutrons em relação ao decaimento beta e através disso todos os outros elementos químicos presentes na tabela periódica são formados.
Podemos concluir que os elementos químicos que conhecemos hoje são derivados de uma explosão que ainda hoje conhecemos tão pouco!
Autora:Maysa Thaís Pellenz
Graduanda IFRS/Feliz
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