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A origem do universo
A teoria do início do universo se dá com base em observações de que o universo está em constante expansão a partir de estudos realizados pelo astrônomo Estadunidense Edwin Powell Hubble. Essas observações, e outras referentes à teoria da relatividade, permitiram o desenvolvimento da Teria do Big Bang pelo russo naturalizada estadunidense George Gamow em 1948. Segundo essa teoria, toda a matéria que compõe o universo, outrora encontrava-se concentrada em um único ponto, onde alguns cientistas relatam ter sido do tamanho de uma cabeça de um alfinete ou menor. Essa singularidade, em algum momento sofreu um colapso e explodiu em energia que se expandindo e formando todo o universo conhecido. Com temperaturas da ordem de 100.000.000°C era impossível a energia condensar-se na forma dos átomos conhecidos hoje. No entanto, conforme ocorreu a expansão dessa energia foi possível que ocorresse um resfriamento do universo e consequente formação de partículas subatômicas (prótons, elétrons e nêutrons). Essas partículas começaram a agrupar-se por meio de forças fortes que permitiram a união de prótons e nêutrons no núcleo atômico e por forças eletromagnéticas fracas que permitiram que os elétrons se posicionassem ao redor do núcleo.
A origem dos Elementos Químicos
Cerca de duas horas após o "Big Bang", a diminuição da temperatura permitiu com que a maior parte da matéria estivesse na forma de átomos de Hidrogênio (89%) e Hélio (11%). Por ação da gravidade esses elementos químicos foram combinados para formas as estrelas primitivas do nosso universo.
O que define um elemento químico é seu número de prótons chamado de número atômico (Z). Dessa forma, o Hidrogênio é definido como o conjunto de todos os átomos com 1 próton em seu núcleo, o Hélio como o conjunto de todos os átomos com 2 prótons no núcleo e assim sucessivamente na tabela periódica até o elemento Livermório com 116 prótons no núcleo. Um elemento químico ainda pode existir na forma de isótopos, onde temos dois átomos ou mais de um mesmo elemento químico com número de nêutrons diferentes. Por exemplo, o Hidrogênio possui 3 isótopos principais. Todos eles com 1 próton no núcleo, no entanto, um deles não possui nêutrons, o outro possui 1 nêutron (Deutério) e o terceiro possui 2 nêutrons(Trítio). Apesar disso, as proporções desses átomos de hidrogênio são diferentes sendo o sem nêutrons a forma mais abundante desse elemento (99,988% de abundância) seguido do com 1 nêutron (0,011% de abundância). O Hidrogênio com 2 nêutrons está presente na forma de traços em quantidade quase não detectável. Lembrando que o Deutério e o Trítio se tratam do mesmo elemento Químico, o Hidrogênio, a única diferença entre os três é o número de nêutrons em seu núcleo. Os nomes diferentes são dados apenas para diferenciá-los em termos de composição apesar de se tratarem do mesmo elemento químico.
As estrelas produzem energia por um método denominado fusão nuclear onde átomos de um determinado elemento químico se unem para a formação de um novo elemento químico. A partir da elevada temperatura e gravidade gerada por essas estrelas supermaciças os átomos de hidrogênio sofrem colisões uns com os outros forçando sua união. Nesse processo, basicamente dois prótons se juntam para formar um átomo de Deutério emitindo um pósitron (antielétron) e um neutrino. Na sequência, o Deutério formado se funde com outro átomo de Hidrogênio formando o Trítio e liberando radiação gama (γ). Por fim, esse Trítio formado se funde com o Trítio formado em outra etapa e forma um átomo de Hélio e dois prótons (átomos de Hidrogênio). Durante cada uma dessas etapas ocorre a conversão de uma fração muito pequena da massa de todos os reagentes em energia emitida pela estrela na forma de luz. Essa reação é rápida em temperaturas entre 1.000.000 e 5.000.00 °C como as temperaturas do interior de nosso sol. Apesar de grande aos nossos olhos, o nosso sol é considerado uma estrela de pequeno porte em comparação com outras estrelas como podemos visualizar no vídeo abaixo.
https://www.youtube.com/watch?v=ohIWFFWtNhY
Em estrelas ainda maiores em massa que nosso sol, as temperaturas podem chegar a 100.000.000 °C permitindo que ocorra a fusão do hélio para a formação de outros elementos químicos. São formados os elementos Lítio, Berílio e Boro com respectivamente 3, 4 e 5 prótons no núcleo sendo menos abundantes no universo devido a sua instabilidade, seguidos do Carbono, Nitrogênio e Óxigênio com 6, 7 e 8 prótons respectivamente mais estáveis e consequentemente mais abundantes também. Isso ocorre nas estrelas até a formação de Ferro e Níquel com respectivamente 26 e 28 prótons que são os átomos mais estáveis de todos e que estão presentes em elevadas quantidades no universo. Por esses átomos serem os mais estáveis a estrela se torna incapaz de converter esses elementos em outros mais pesados.
A partir do momento que uma estrela começa a produzir Ferro ela se torna instável e incapaz de produzir energia, até o momento em que ela pode se colapsar e explodir na forma de uma Supernova. Essas explosões de Supernovas são ricas em nêutrons que podem ser capturados pelos elementos previamente produzidos pela estrela em sucessões de captura de nêutrons e decaimentos beta. A cada etapa dessas ocorre o aumento do número atômico em uma unidade gerando dessa forma novos elementos com número atômicos maiores que o Ferro e o Níquel como, por exemplo, o cobre presente nos fios de condução elétrica e equipamentos eletrônicos, o Cálcio presente em nossos ossos, a Prata e o Ouro tão cobiçados por seu valor, dentre uma outra série de elementos químicos de grande importância para o desenvolvimento dos seres vivos. Todos os átomos presentes em nosso corpo e de qualquer outro ser vivo foram produzidos no meio de uma fornalha estelar.
As Supernovas, além de permitirem a formação de elementos de número atômico maior que Ferro e Níquel, ainda permitem que todos esses elementos formados na estrela sejam espalhados pelo universo. Esses elementos podem ser agregados novamente pela ação da gravidade produzindo novos sistemas estelares. Esses sistemas estelares podem ou não formar outras Supernovas aumentando a proporção desses elementos em nosso universo. O nosso sistema solar é o resultado de uma série de explosões resultantes de Supernovas preexistentes. A evidência disso é a variedade de elementos químicos encontrados em nossa Terra. Podemos concluir, dessa forma, que assim como todos os elementos químicos, também somos filhos das estrelas.
Confira o seguinte vídeo para compreender melhor como funcionam as estrelas:
https://www.youtube.com/watch?v=uVs6AMTihgE
Referências
Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weight. Disponível em <shttps://www.ciaaw.org/hydrogen.htm> Acesso em: 14/04/2015.
Atkins, P.w.; Shriver, D. F. Química Inorgânica ed. bookman, ed. 4ª, 2008.
Professor Rogers Espinosa de Oliveira, Licenciado em Química pela Universidade Ferderal de Mato Grosso do Sul, no ano de 2011. Mestre pela mesma Universidade no ano de 2013. Atualmente leciona a disciplina de Química na Escola Estadual Maria Eliza Bocayuva Corrêa da Costa e faz Doutorado em Fisíco-Química pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul.
Referências
Strathern P. O sonho de Mendeleiev - A Verdadeira História da Química, editora Jorge Zahar, 2002.
O Conceito de Elemento da Antiguidade à Modernidade, Química Nova na Escola, n.16, nov. 2002.
Brasil Escola. Tales de Mileto: Tudo Começa na Água. Disponível em <https://www.brasilescola.com/filosofia/tales-mileto.htm> Acesso em: 15/04/2015.
Brasil Escola. Anaxímenes Disponível em: <https://www.brasilescola.com/filosofia/anaximenes.htm>
Brasil Escola. Empédocles. Disponível em: < https://www.brasilescola.com/filosofia/empedocles.htm> Acesso em: 15/04/2015.
Brasil Escola. Heráclito: o filósofo do fogo. Disponível em: <https://www.brasilescola.com/quimica/heraclito-filosofo-fogo.htm> Acesso em: 15/04/2015.
Mundo da Educação. Teoria dos Quatro Elementos. Disponível em: <https://www.mundoeducacao.com/quimica/teoria-dos-quatro-elementos.htm> Acesso em: 15/04/2015.