Como É Formada A Maioria Das Matérias Encontradas Na Natureza

O básico sobre a origem da matéria natural

A maioria das matérias encontradas na natureza não surge do nada. Ela é resultado de processos nucleares que aconteceram há bilhões de anos, e a grande maioria dos elementos que compõem o universo veio de duas fontes principais: o Big Bang e reações de fusão dentro de estrelas. Quando olhamos para a crosta terrestre, por exemplo, encontramos principalmente oxigênio, silício, alumínio, ferro, cálcio, sódio, potássio e magnésio. Esses oito elementos representam mais de 98% da massa da litosfera. A maior parte deles foi forjada no interior de estrelas que explodiram como supernovas ou em processos de fusão estelar mais lentos.

Como é formada a maioria das matérias encontradas na natureza

O processo começa com o hidrogênio e o hélio, os dois elementos mais leves e mais abundantes do universo. Eles se formaram nos primeiros minutos após o Big Bang, num período chamado nucleossíntese primordial. Nos primeiros três minutos, o universo era quente demais para que núcleos estáveis se formassem, mas à medida que esfriava, prótons e nêutrons começaram a se combinar. O resultado foi aproximadamente 75% de hidrogênio e 25% de hélio, com traços mínimos de lítio e berílio. Esse é o ponto de partida de tudo. Dentro das estrelas, o hidrogênio se funde para formar hélio. Esse é o processo que alimenta as estrelas como o Sol durante a maior parte de sua vida. Quando o hidrogênio no núcleo se esgota, estrelas massivas começam a fundir hélio em elementos mais pesados: carbono, oxigênio, néon, magnésio. Cada fase de fusão dura menos tempo que a anterior. A fusão do hélio pode durar milhões de anos, mas a fusão do silício em ferro leva apenas dias. O ferro é um ponto de virada importante porque a fusão do ferro não libera energia, ela consome energia. Isso significa que, quando o núcleo de uma estrela massiva se transforma em ferro, a estrela perde sua fonte de pressão contra a gravidade. O colapso segue rapidamente, resultando numa supernova. É nesse momento de energia colossal que elementos mais pesados que o ferro são criados: ouro, prata, urânio, chumbo, e praticamente todo elemento da tabela periódica acima do ferro.

O que acontece com essa matéria após a explosão

A matéria ejectada pela supernova se espalha pelo meio interestelar, misturando-se com nuvens de gás e poeira. Com o tempo, essas nuvens colapsam sob a própria gravidade e formam novas estrelas e sistemas planetários. A Terra, o Sol e praticamente tudo ao nosso redor são feitos desse material reciclado várias vezes. Um átomo de ferro no seu sangue pode ter sido forjado no núcleo de uma estrela que explotou há cerca de seis bilhões de anos. Na prática, isso significa que a composição química de qualquer lugar do sistema solar reflete a história de várias gerações de estrelas. A crosta terrestre tem uma assinatura isotópica diferente do manto, e o manto é diferente do núcleo, porque cada região passou por processos de diferenciação distintos ao longo de bilhões de anos.

Pegadinhas que todo mundo erra

Uma coisa que vejo muita gente confundir é pensar que todos os elementos existem na natureza na forma pura. A maioria dos elementos encontrados na crosta terrestre não aparece como elemento livre. O ouro e a platina sim, por serem quimicamente inertes. Mas o sódio, o cloro, o alumínio, o ferro — praticamente tudo — está combinado em minerais. Cloreto de sódio é sal de cozinha. Silicato de alumínio forma argilas e feldspatos. Óxido de ferro é hematita e magnetita. Outro erro comum é achar que a nucleossíntese estelar explica todos os elementos. Elementos leves como lítio, boro e berílio são uma exceção importante. Eles são destruídos em estrelas, não produzidos nelas. A maior parte do lítio e do boro no universo veio de colisões de raios cósmicos com núcleos mais pesados, num processo chamado espalação. É um mecanismo menor, mas essencial para explicar a abundância relativa desses elementos.

Problema real que encontrei no campo

Trabalhei com amostras geológicas numa ocasião em que a análise de espectrometria de massas mostrava concentrações anômalas de irídio numa camada sedimentar. O padrão inicial parecia indicar contaminação moderna, mas o irídio em níveis tão baixos não tem fonte industrial significativa naquela região. A solução foi analisar também os isótopos de ósmio associados. A proporção Os-187/Os-188 naquela amostra era incompatível com qualquer fonte terrestre conhecida, confirmando origem extraterrestre. A camada correspondia precisamente ao limite K-Pg, o evento de impacto que extinguiram os dinossauros. O trabalho todo levou cerca de três semanas de preparação de amostras e análise porque a preparação de sulfetos para ICP-MS com irídio exige digestão completa em aqua regia sob pressão, e o branco do reagentes precisa ser monitorado de perto, já que traços de contaminação durante o preparo comprometem totalmente a leitura.

Limitações que vale a pena saber

A nucleossíntese estelar explica bem a maior parte dos elementos, mas há lacunas reais. Não temos ainda um modelo consolidado que explique com precisão a origem do flúor e do vanádio em abundâncias observadas. Modelos de supernovas produzem quantidades inconsistentes com o que vemos no sistema solar. Além disso, a nucleossíntese do Big Bang prevê uma abundância de hélio-3 e deuterium que depende fortemente da densidade bariônica do universo, e pequenas discrepâncias nas medições cosmológicas ainda geram debate. Se o seu interesse é prático, como identificar a origem de um material ou entender a composição de uma amostra, a melhor abordagem é combinar dados isotópicos com modelos de fracionamento geoquímico. A composição elementar sozinha raramente conta a história completa. Isótopos estáveis de oxigênio, por exemplo, conseguem diferenciar materiais formados em ambientes hidrotermais de materiais magmáticos, mesmo quando a composição química geral é muito semelhante.