El mercurio y el oro...gente relativa.

Hace un tiempo me dio por leer el libro Sobre la teoría de la relatividad especial y general del gran Albert Einstein, y a raíz de ahí descubri qué es realmente la Teoría de la Relatividad (a nivel usuario o inferior, claro está) me picó el gusanillo y llegué a encontrar aplicaciones de esta maravillosa teoría en la Química.

Antes de comenzar, me gustaría dar unas pinceladas a las ideas de Einstein. Este genio (figura 1) era una físico que trabajaba en una oficina de patentes y desde muy joven tenía curiosidad por temas de física. Empezó a pensar qué es lo que ocurriría si fuese capaz de viajar en un fotón, y a raíz de esta cuestión, se derivó toda la Teoría de la Relatividad.

Fig 1. Albert Einstein, genio y figura.

 Sobre la relatividad, hay dos partes diferenciadas, la relatividad especial, en la cual encontramos la explicación a porqué se da la contracción o dilatación espacio-temporal, y la teoría de la relatividad general, la cual incluye la gravitación en la teoría.  Para lo que afecta a la Química, nos podremos quedar satisfechos entendiendo un poco cómo funciona la teoría de la relatividad especial. En dicha teoría, Einstein deduce que la velocidad de la luz es constante sea cual sea el sistema de referencia utilizado, y su valor es, aproximadamente, de unos 300.000 Km/s. También deduce que los cuerpos, en función de la velocidad que lleven, experimentarán una contracción o dilatación espacio-temporal con respecto a un sistema de referencia que tenga una velocidad diferente, pero ¿qué significa esto?

En principio le recomendaría al lector que leyese la obra que cité anteriormente, para ello debe armarse de paciencia y dedicarle tiempo si usted no es un especialista en la materia (a mi me costó bastante). En dicha obra Einstein nos habla de trenes, vías, rayos…pero os lo resumiré. La cosa está en que como la velocidad de la luz es constante, la relación distancia/tiempo para un fotón se deberá mantener constante, pues es la definición de velocidad.  ¿Qué le ocurre a un cuerpo que empieza a ir rápido, y más rápido y cada vez más rápido hasta que su velocidad sea cercana a la de la luz? Bueno, pues que éste se hace más pequeño (si lo vemos desde un sistema de referencia externo). Si ese cuerpo se hace más pequeño, lo que ocurre es una contracción espacial, es decir, que si viésemos desde la Tierra un cohete a una velocidad cercana a la de la luz, lo veríamos mucho más pequeño que si fuese a una velocidad despreciable frente a la de la luz, y como ya he dicho, la relación espacio/tiempo debe mantenerse constante. Como hay una dilatación espacial, para que esta relación (velocidad de la luz) se mantenga constante, es obvio que el tiempo debe aumentar, y es lo que ocurre, el tiempo pasa más despacio para la partícula que se mueve a velocidad cercana a la de la luz (esto es lo que podemos ver en la película Interestellar, aunque ahí también entra en juego el factor de la gravedad, en el cual no me meteré).

Otra cosa que debemos saber sobre esta teoría para entender cómo afecta la relatividad en la química, es que a medida que un objeto aumenta mucho su velocidad, su masa efectiva también aumenta. Os dejo tres vídeos cortos y sencillos sobre la teoría de la relatividad del gran @QuantumFracture:

¿Cómo afectan estas cosas a la Química? ¿Dentro de los átomos las distancias son más pequeñas y el tiempo pasa más lentamente? Si esto es así, ¿En qué aspectos se ven afectados los átomos?

Bien, para que los efectos relativistas se hagan notar en la Química, deberán existir partículas que tengan un comportamiento relativista, es decir, que se muevan tan rápido, que su velocidad no sea despreciable frente a la de la luz. ¿Cómo podemos hacer que esto ocurra? Pues bien, como la mayoría sabréis, los electrones están girando alrededor del núcleo y sufren un potencial atractivo por parte de éste. En los átomos más ligeros, aquellos que se encuentran en la zona superior de la tabla periódica, este potencial no es relativamente muy grande y los electrones se mueven con una relativa facilidad, por así decirlo, protón y electrón se atraen pero no tanto como para que eso sea una relación tóxica…

Cuando disminuimos en la tabla periódica, los átomos cada vez son más pesados, sus núcleos tienen mayor número de protones y se concentra una gran carga positiva. Los electrones de estos átomos sienten una gran atracción por ese gran núcleo, una atracción mucho mayor que en sus primos de la zona superior de la tabla periódica, y los electrones deberán aumentar mucho su velocidad, pero mucho, mucho, para que no se peguen al núcleo. Estos electrones se convierten, pues, en partículas con velocidades tan grandes, que los efectos relativistas se empiezan a notar.

Para hacernos una idea más específica de qué átomos afecta esto, echad un vistazo a la tabla periódica e iros al sexto período…y fijaos en el oro y el mercurio, pues luego hablaremos de estos dos extraños elementos.

Fig. 2. Tabla periódica de los elementos.

En los átomos encontramos orbitales atómicos, regiones donde la densidad de probabilidad para encontrar al electrón es máxima, y hay muchos tipos de orbitales atómicos, con diferentes energías, formas y tamaños. Como la mayoría sabréis, los orbitales atómicos más importantes son los s, p, d y f.

Fig. 3. Forma de los orbitales s, p y d.

Como la Química está gobernada por las interacciones entre los orbitales externos de átomos o moléculas, nos ocuparemos de los orbitales externos para los elementos del grupo 6, es decir, para los 6s y los 5d (los 4f son internos y no nos afectarán y los 6p solo a elementos más allá de los metales de transición). Como os comentaba, los electrones de estos átomos tienen que vencer un potencial atractivo muy grande y tienen un comportamiento relativista que hace que los orbitales se contraigan (aumenta la masa del electrón y la función de onda radial disminuye), pero lo curioso, es que es el orbital 6s el que se contrae, mientras que los orbitales d sufren una ligera expansión. La consecuencia de esto es que los orbitales 6s estarán menos disponibles para interactuar con otras especies, mientras que los 5d estarán más disponibles para ello. En este sentido, podemos explicar por hechos relativistas (aunque no es lo único que lo explica) porqué los elementos del sexto período pueden alcanzar estados de oxidación más altos que el resto de elementos del grupo que se encuentran por encima, es decir, pierden mejor los electrones de orbitales d por estar éstos más accesibles para interactuar con otras especies. Así mismo, como estos orbitales d están más disponibles, los enlaces covalentes que encontramos en las especies formadas por elementos de transición del sexto período serán más fuertes que los análogos de períodos superiores. Así, es en elementos de transición del período 6 donde predominan los enlaces covalentes metal-metal, generando lo que se conocen como clusters, debido a esa mayor interacción entre orbitales d.

Otro fenómeno que se ve afectado por el comportamiento relativista de los electrones es lo que conocemos como efecto del par inerte. El efecto del par inerte se basa en que, en los grupos de la derecha de la tabla periódica, en donde se empiezan a llenar los orbitales 6p,  a medida que descendemos en el grupo, se desestabilizan los estados de oxidación más altos. Para el grupo del boro (grupo 13), encontramos que el éste y el aluminio consiguen fácilmente el estado de oxidación +3, mientras que, por ejemplo el talio, Tl, se estabiliza con estado de oxidación +1.  Si pensamos en los orbitales externos del talio, los correspondientes al nivel n=6, en el estado fundamental encontraremos que 2 electrones ocupan el orbital 6s y 1 electrón uno de los orbitales p, esta configuración sería favorable para la formación del talio en estado de oxidación +1, puesto que pierde 1 electrón de orbitales p y mantiene 2 en el orbital s. Si queremos llegar al estado de oxidación +3, hay que eliminar los electrones del orbital 6s, los cuales están más retenidos por estar este orbital contraído. Y será más difícil conseguir dicha configuración.

Ahora volvamos al oro, Au, y al mercurio, Hg. ¿No os resultan extremadamente raros estos dos elementos, uno siendo un metal de color amarillento, y el otro líquido a temperatura ambiente? Pues bien…otra vez nos topamos con la relatividad.

En el caso del oro, la aparición de color amarillento se debe a que el metal absorbe luz en la zona del visible y emite el color complementario (sobre el origen del color me gustaría hablar en otra ocasión). El color del oro podemos decir que es amarillo-anaranjado…¿cuál es el complementario del amarillo? como yo no soy muy de memorizar cosas, echemos un vistazo a la famosa rueda de colores que nos enseñan en el colegio.

Fig. 4. Colores complementarios.

Vemos que para la coloración del oro, el color complementario es el azul. Esto es una anomalía debida a la diferencia energética entre los orbitales 6s y los 5d. El color existe gracias a que un electrón pasa de un orbital a otro (absorbe luz) y cuando vuelve al orbital de partida emite luz. El oro, cuando es irradiado con luz visible, absorbe la energía correspondiente a la zona del azul y emite el color complementario, el amarillo-anaranjado. Si observamos el resto de metales, éstos no tienen colores llamativos, tienen, lo que se llama color metálico (obviedades del ser humano…) y absorben en regiones más energéticas del espectro, en el ultravioleta. La coloración de los metales se debe a que los electrones externos están deslocalizados alrededor de todo el metal. En lo referente al oro, como el orbital 6s está contraído, la diferencia energética entre el 6s y los 5d es menor que si el orbital 6s no estuviese contraído y no le hace falta absorber en el UV, con absorber en la región del visible, menos energética, le basta.

Fig.5. Oro en estado nativo.

Hablemos ahora del mercurio, ese metal resbaladizo. En este caso, nos debemos apoyar otra vez en el hecho de que el orbital 6s está contraído y el átomo de mercurio no tenderá a interactuar fuertemente con otros átomos de mercurio. Utilicemos el modelo de mar de electrones que explica el enlace en metales. Este modelo, el más sencillo de todos, asume que los metales ceden sus electrones externos, se forma un “mar de electrones” en torno a los átomos, en el cual los electrones tienen libertad de movimiento. No es difícil darse cuenta de que a medida que los electrones se cedan mejor, el enlace se reforzará, pero si los átomos no están dispuestos a ceder los electrones para formar ese mar, el enlace se debilitará. Pues bien, he aquí la respuesta a porqué el mercurio es líquido. Como los dos electrones del orbital 6s (que son los que cedería para formar el enlace) están tan bien en dicho orbital (recordemos que éste está más cercano al núcleo por estar contraído y los electrones se ven más fuertemente atraídos de lo normal) no se ceden tan a la ligera para formar ese mar de electrones y las interacciones entre átomos serán débiles, lo cual hace que el mercurio sea un líquido en condiciones ordinarias.

Fig. 6. Mercurio en estado nativo.

Podríamos seguir comentando propiedades de estos dos elementos que se explican fácilmente en términos de la relatividad, por ejemplo en el estado de oxidación +1 de ambos elementos, el oro es un excelente catalizador  y el mercurio necesita estar acompañado de otro átomo de mercurio para ser estable y formar el [Hg-Hg]²⁺

Espero que os haya gustado.

¡Saludos!