¿De qué átomos está hecho el cobre y dónde se formaron?

1. El cobre natural tiene solo dos tipos de átomos estables

El cobre es un elemento: un material que no se puede separar en otros por métodos químicos. Su símbolo es Cu y su número atómico es 29, es decir, cada átomo tiene 29 protones.

Los átomos de un mismo elemento no son todos idénticos. Los que tienen distinto número de neutrones se llaman isótopos. En la naturaleza, el cobre tiene dos isótopos estables: el cobre-63 (con 34 neutrones) y el cobre-65 (con 36). Según las tablas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST), cerca del 69,15 % de los átomos son de cobre-63 y cerca del 30,85 % son de cobre-65 [1]. Dicho de forma sencilla: de cada diez átomos de cobre, unos siete son del primer tipo y unos tres del segundo.

Como los dos tienen 29 protones, se comportan casi igual en química: el color y las propiedades del metal no cambian. Lo único distinto es la masa. Ojo: "solo dos" se refiere a los estables. También existen isótopos de cobre inestables, que se desintegran con el tiempo y no forman parte del cobre cotidiano.

Entonces, ¿dónde se fabricaron esos átomos?

2. La mayor parte del cobre se formó dentro de estrellas masivas, capturando neutrones poco a poco

El hidrógeno y la mayor parte del helio se formaron en el Big Bang. Muchos elementos más pesados que el hierro se producen cuando un núcleo ya existente atrapa neutrones, aunque hay otros procesos y lugares de formación. Si la captura es lenta, de modo que entre una captura y la siguiente al núcleo le da tiempo de desintegrarse, se habla de proceso s (la "s" viene de slow, "lento" en inglés).

Un estudio publicado en 2020 midió el cobre en 56 estrellas gigantes rojas del centro de la Vía Láctea. Encontró que el cobre disminuye en las estrellas pobres en elementos pesados, un comportamiento de elemento "secundario": para producir la mayor parte del cobre por esta vía, la estrella necesita núcleos pesados previos. Los autores concluyen que esto indica su formación en el llamado proceso s débil, que ocurre en estrellas masivas durante la combustión del helio y fases posteriores [2].

Se llama "débil" porque en estas estrellas el proceso fabrica sobre todo elementos cercanos al hierro y no los más pesados. Una forma sencilla de imaginarlo es una cadena de montaje que solo llega hasta las primeras piezas pesadas.

Una duda antigua era si el cobre venía sobre todo de estrellas masivas o de supernovas de tipo Ia. Un trabajo de modelos de evolución química comparó el cúmulo Omega Centauri con la Vía Láctea y concluyó, a partir de esos modelos, que las estrellas masivas son las principales responsables de la producción de cobre en ambos casos [3]. Es un resultado de modelos, no una observación directa de cada átomo.

3. Una parte pequeña del cobre se forma en la explosión final de esas estrellas

Si la mayor parte del cobre es "secundario", ¿hay otra parte? Sí. Los autores de 2020 recuerdan un cálculo anterior (Bisterzo y colaboradores, 2004) según el cual una contribución "primaria" pequeña, de alrededor del 5 % del cobre del Sol, vendría de la desintegración de isótopos de zinc formados en las explosiones [2]. Primaria significa que no necesita que la estrella tenga ya elementos pesados.

Es una estimación que depende del modelo, y otros trabajos dan porcentajes algo distintos. Lo importante es la imagen general: casi todo el cobre del Sistema Solar sería "secundario", y solo una fracción pequeña sería "primaria".

4. En la corteza terrestre, el cobre suele estar unido al hierro y al azufre

Hace miles de millones de años esos átomos se mezclaron con el gas y el polvo que formaron la Tierra. Hoy los encontramos en rocas. El Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) explica que el cobre es uno de los pocos metales que a veces aparece en estado puro (cobre nativo), pero que tiene mucha afinidad por el azufre y forma muchos minerales sulfurados, entre ellos la calcopirita, de fórmula CuFeS₂ [4].

La fórmula dice que hay un átomo de cobre, uno de hierro y dos de azufre: de cada cuatro átomos, uno es de cobre. Por masa sale algo distinto. Usando masas atómicas aproximadas (cobre 63,5; hierro 55,8; azufre 32,1), el cobre es cerca del 35 % del mineral. Es un cálculo propio a partir de la fórmula, no una cifra de las fuentes.

La calcopirita tiene brillo metálico y color amarillo latón, y con frecuencia se opaca con tonos iridiscentes. Por eso un trozo de ese mineral no se parece a una moneda: el cobre está combinado con otros elementos y hay que separarlo antes de poder usarlo como metal.

El mismo informe del USGS estima que el cobre promedia unos 27 miligramos por kilogramo en la corteza continental superior, o sea, unos 27 gramos por tonelada de roca [4]. Es un promedio, y en las rocas máficas, como el basalto, suele ser bastante mayor.

5. Los científicos siguen midiendo las reacciones que forman el cobre-63

El camino del proceso s débil pasa por un isótopo inestable de níquel, el níquel-63, que es radiactivo. Según capture un neutrón o se desintegre, el resultado final cambia. Medirlo es difícil porque el níquel-63 es radiactivo. En 2013, en la instalación n_TOF del CERN, se midió por primera vez cuánto captura neutrones. El estudio calculó, para una estrella de 25 masas solares, que los nuevos datos cambian de forma importante la producción de cobre-63 por el proceso s, y permiten acotar mejor el cobre que sale de la explosión posterior [5].

Así que la historia de "dónde nació el cobre" no está cerrada. Si quieres comprobarlo tú: busca algo de color cobre en casa, como una moneda antigua o una olla (sin tocar cables), y cuéntale a alguien, en un minuto, qué parte de su historia ya se conoce y cuál sigue en estudio. Los artículos originales de las fuentes están abiertos en arXiv, y los resúmenes se leen sin conocimientos especiales.

Fuentes