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Secundaria 5° · Ciencia y Tecnología
Origen del universo y de los elementos · Origen de los elementos químicos

Del hidrógeno y helio a los elementos químicos

El oxígeno que respiras en Lima, el hierro de las minas de Marcona y el oro de Pataz son elementos químicos. ¿Siempre existieron? ¿Dónde se «fabricaron»? La respuesta empieza hace unos 13,800 millones de años y tiene dos protagonistas: la gravedad y la fuerza de atracción nuclear.

Las dos fuerzas que construyen elementos

Para que existan elementos hacen falta núcleos. Y para formar y mantener núcleos y estrellas intervienen dos fuerzas fundamentales:

Comparación de la fuerza de atracción nuclear, que actúa en el núcleo, y la gravedad, que actúa entre masas grandes Dentro del núcleo Entre estrellas y gas Protones (+) y neutrones unidos por la fuerza nuclear Nubes de gas atraídas por la gravedad
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Define con tus propias palabras qué es la fuerza de atracción nuclear (interacción nuclear fuerte) y señala en qué parte del átomo actúa. Menciona qué partículas…

Define con tus propias palabras qué es la fuerza de atracción nuclear (interacción nuclear fuerte) y señala en qué parte del átomo actúa. Menciona qué partículas mantiene unidas.

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Los protones tienen carga eléctrica positiva y, sin embargo, permanecen juntos en el núcleo de un átomo de helio, que tiene dos protones y dos neutrones. Explica por qué…

Los protones tienen carga eléctrica positiva y, sin embargo, permanecen juntos en el núcleo de un átomo de helio, que tiene dos protones y dos neutrones. Explica por qué no se separan por repulsión eléctrica, indicando qué fuerza interviene y cómo se compara con la repulsión entre los protones a distancias tan pequeñas.

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Primeros instantes: de los quarks al hidrógeno y helio

Poco después del origen del universo (Big Bang) todo estaba extremadamente caliente y denso. Las partículas elementales (quarks y electrones) se movían libres. Al expandirse, el universo se enfrió y ocurrió una secuencia:

  1. Quarks y electrones libres: la temperatura era tan alta que no podían formar nada estable.

  2. Protones y neutrones: al enfriarse, los quarks se unieron (por la fuerza nuclear fuerte) y formaron protones y neutrones.

  3. Núcleos de H y He: en los primeros minutos, protones y neutrones se unieron. El núcleo de hidrógeno es un solo protón; el de helio tiene 2 protones y 2 neutrones.

  4. Átomos neutros: unos 380,000 años después, el universo estaba lo bastante frío como para que los núcleos capturaran electrones.

Línea de tiempo del universo primitivo: quarks, protones y neutrones, núcleos de hidrógeno y helio, átomos neutros y estrellas Quarks yelectrones libres Protones yneutrones Núcleosde H y He Átomosneutros Estrellas Tiempo →

Las proporciones: por masa, cerca de 3 de cada 4 partes de la materia ordinaria eran de hidrógeno (H) y casi todo el resto de helio (He), con trazas mínimas de litio. Si en vez de la masa se cuentan los átomos, el hidrógeno es todavía más abundante, porque cada átomo de helio pesa unas cuatro veces más que uno de hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más abundante del universo.

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Menciona los dos elementos químicos más abundantes que se formaron poco después del origen del universo y escribe el símbolo de cada uno. Indica además cuál de los dos…

Menciona los dos elementos químicos más abundantes que se formaron poco después del origen del universo y escribe el símbolo de cada uno. Indica además cuál de los dos es el más abundante en el universo.

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Ordena de manera cronológica los siguientes sucesos e indica el orden con números del 1 al 4: formación de núcleos de helio, existencia de quarks y electrones libres,…

Ordena de manera cronológica los siguientes sucesos e indica el orden con números del 1 al 4: formación de núcleos de helio, existencia de quarks y electrones libres, formación de átomos de elementos pesados en estrellas, formación de protones y neutrones.

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Una estudiante de 5.° de secundaria de Arequipa afirma: «Los primeros átomos neutros se formaron apenas ocurrió el origen del universo, cuando todo estaba muy caliente».…

Una estudiante de 5.° de secundaria de Arequipa afirma: «Los primeros átomos neutros se formaron apenas ocurrió el origen del universo, cuando todo estaba muy caliente». Evalúa esta afirmación usando la relación entre la temperatura del universo primitivo y la capacidad de los núcleos para capturar electrones. Indica qué debió ocurrir con la temperatura para que se formaran átomos de hidrógeno y helio neutros.

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La gravedad forma las estrellas

Con el universo ya lleno de gas de H y He, la gravedad empezó a trabajar. Las regiones un poco más densas atraían más gas, y se hacían aún más densas.

La fusión libera energía (parte de la masa se convierte en energía), y por eso las estrellas brillan. Nuestro Sol es una de ellas.

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En una nube de gas formada casi solo por hidrógeno y helio, la gravedad hace que el gas se junte en una región cada vez más densa. Describe en tres pasos qué sucede con…

En una nube de gas formada casi solo por hidrógeno y helio, la gravedad hace que el gas se junte en una región cada vez más densa. Describe en tres pasos qué sucede con la temperatura y la presión en el centro de esa región, y cómo esto lleva al inicio de la fusión del hidrógeno y a la formación de una estrella.

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Las estrellas fabrican los demás elementos

En el centro de las estrellas la fusión continúa por etapas. Mientras la estrella tenga combustible, la gravedad comprime el núcleo y lo calienta más, lo que permite fusionar núcleos cada vez más pesados:

Etapa Se fusiona Se forma
Estrella como el Sol hidrógeno helio
Estrellas más calientes helio carbono, oxígeno
Estrellas masivas, al final de su vida carbono, oxígeno, etc. neón, silicio… hasta hierro

La fusión de elementos más pesados que el hierro ya no libera energía, sino que la consume. Por eso el hierro es el límite de la fusión estelar normal. Los elementos más pesados (como el oro) se forman en eventos extremos: explosiones de estrellas (supernovas) y fusión de estrellas de neutrones.

Cuando una estrella masiva explota, esparce estos elementos en el espacio. Nuevas nubes de gas, ya enriquecidas con carbono, oxígeno, hierro, etc., forman otras estrellas y planetas. Así se originó la Tierra: somos materia procesada por estrellas.

Ciclo de la materia: nube de gas, estrella que fusiona elementos, explosión y nueva nube enriquecida Nube de H y He Estrella: fusión forma elementos Explosión: elementos esparcidos al espacio gravedad fin de vida
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Un compañero de tu colegio en Trujillo sostiene que todos los elementos químicos de la Tierra, como el oxígeno del aire, el hierro de la minería y el oro, se formaron en…

Un compañero de tu colegio en Trujillo sostiene que todos los elementos químicos de la Tierra, como el oxígeno del aire, el hierro de la minería y el oro, se formaron en los primeros minutos del universo. Argumenta si esta idea es correcta o no. En tu respuesta distingue qué elementos se originaron poco después del origen del universo, dónde y cómo se formaron los demás, y qué papel cumplen la gravedad y la fuerza de atracción nuclear en cada etapa.

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Compara dos escenarios: (A) el universo joven, unos minutos después de su origen, y (B) el interior de una estrella masiva hacia el final de su vida. Para cada uno…

Compara dos escenarios: (A) el universo joven, unos minutos después de su origen, y (B) el interior de una estrella masiva hacia el final de su vida. Para cada uno indica qué elementos se forman, qué condiciones de temperatura y densidad existen (en términos cualitativos) y por qué en el escenario A no se producen elementos como el carbono o el oxígeno en cantidades importantes. Concluye explicando de qué manera la gravedad hace posible la diversidad de elementos que encontramos en la Tierra.

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Resumen

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