Los elementos son los bloques de construcción de toda la materia en el universo conocido. A la fecha hemos identificado 92 elementos naturales y hemos utilizado la tecnología para sintetizar otros 20. Estos elementos existen en la atmósfera, la hidrósfera, la litósfera y/o la biósfera. Juntos, forman las moléculas que componen la materia viva y no viva, conducen interacciones químicas y proporcionan la base de todos los recursos naturales del planeta Tierra.

La tabla periódica (Figura 8) organiza los elementos en grupos y revela patrones en sus propiedades. En la tabla periódica que se ilustra en la figura 8, los elementos conocidos como metales están sombreados en gris-verde claro y en color naranja los que no son metales; aquellos que tienen propiedades de los metales y no metales se denominan metaloides y están resaltados en verde oscuro.

Periodic table of elements
Figura 8. La Tabla Periódica Moderna.1

La unidad más pequeña de cualquier elemento se denomina átomo. El número de protones, neutrones y electrones que posee cada tipo de átomo da a cada elemento sus propiedades únicas y determina cómo va a interactuar químicamente con otros elementos. También determinan dónde se coloca cada elemento en la tabla periódica. Los primeros 92 elementos enumerados en la tabla periódica están presentes en la Tierra en diferentes concentraciones. Muchos de estos elementos tienen propiedades que los hacen propicios para sostener la vida, producir materiales útiles o suministrar energía. No todos los 92 elementos son necesarios para el metabolismo de los organismos vivos. De hecho, sólo 21 son esenciales para las diversas formas de vida sobre la Tierra (Figura 9).

Essential and beneficial elements table
Figure 9. Elementos esenciales y beneficiosos que sustentan la vida. 2

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Algunos de esos elementos esenciales son necesarios en grandes cantidades y sirven como los principales componentes de la vida. Estos elementos, denominados macronutrientes, incluyen el carbono (C), el hidrógeno (H+), y el oxígeno (O2-), y son los elementos requeridos en mayores cantidades. Más de 93% de la biomasa vegetal y animal están hecha de estos tres elementos. Otros macronutrientes incluyen nitrógeno (N3-), fósforo (P3-), potasio (K+), azufre (S2-), calcio (Ca2+), hierro (Fe2+), y magnesio (Mg2+). Estos son requeridos por todas las formas de vida, pero en cantidades inferiores al C, H y O.

Los micronutrientes o nutrientes traza, también son esenciales, pero sólo son necesarios en cantidades muy pequeñas. Por lo general, sirven como cofactores, o moléculas que ayudan en las reacciones químicas. Entre los micronutrientes están el cobre (Cu2+), zinc (Zn2+), molibdeno (Mo), boro (B), el sodio (Na+), níquel (Ni) y el cloro (Cl-).

Bajo las condiciones atmosféricas de la Tierra, muchos de los elementos se encuentran en una forma que tiene una carga eléctrica y son denominados iones. Los iones son eléctricamente cargados porque no tiene un número igual de protones y electrones. Si un átomo tiene el mismo número de electrones y de protones, los electrones cargados negativamente cancelan los protones de carga positiva y el átomo tendrá una carga neutral. Si un átomo tiene más electrones que protones, tendrá una carga negativa en general y se denomina aniones. Un catión tiene más protones que electrones, dándole una carga positiva. Las cargas eléctricas que poseen los iones hacen posible que un elemento forme enlaces químicos con otros elementos. Los elementos combinados químicamente forman compuestos, como el agua (H2O-, dos átomos de hidrógeno [H], combinado con un átomo de oxígeno [O]), la sal de mesa (NaCl) y el dióxido de carbono (CO2). Esta tendencia de enlazarse y de formar moléculas más complejas ha llevado a la enorme diversidad de tantas formas de materia vivas como de no vivas que encontramos en la Tierra.

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Mira “Atom Hook-ups” , una película corta y divertida que explica los tipos de enlaces químicos.

Los grupos de elementos comparten algunas propiedades comunes, por ejemplo, una propiedad que los metales tienen en común es que son buenos conductores de la electricidad, mientras que los no metales son malos conductores de ésta. Los no metales tienden a ser gaseosos bajo las condiciones atmosféricas de la Tierra y son típicamente iónicos y tienden a combinarse para formar moléculas. En el ejemplo anterior, dos elementos, el sodio (Na+, un catión de metal) y el cloruro (Cl-, un anion no-metal), se enlazarán para formar sal (NaCl, una molécula de carga neutra).

Todos los recursos naturales que utilizan los seres humanos están hechos de los mismos elementos que componen toda la materia en el universo. La mayoría de los recursos naturales, como los árboles, el agua, el suelo, los combustibles fósiles, y animales, se componen de muchos tipos de elementos que se unen. Algunos recursos naturales, como el hierro, el cobre, la plata y el oro, están hechos de elementos individuales que se encuentran solos en la naturaleza.

En la siguiente sección veremos cómo algunos de los elementos más importantes para la vida en la Tierra están continuamente disponibles a través de los ciclos biogeoquímicos naturales. También veremos cómo el desarrollo humano ha afectado el equilibrio de estos ciclos y qué impacto potencial tiene sobre los sistemas naturales.

Preguntas para considerar

¿Cuáles son los elementos que componen el aire que respiras? ¿Qué elementos están en tu comida favorita? ¿Preferirías vivir con oro o sin carbono?