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En un estudio publicado en la edición del 19 de enero de 2016 del Journal of the American Chemical Society (JACS), científicos de la Universidad de Tsinghua en China confirmaron que algo muy inusual está sucediendo dentro de átomos extremadamente pesados, lo que hace que se desvíen de su comportamiento químico esperado. predicho por su lugar en la Tabla Periódica de los Elementos. Debido a que la velocidad de los electrones en estos elementos pesados ​​se acerca tanto a la velocidad de la luz, los efectos de la relatividad especial comienzan a activarse, alterando las características químicas observadas.

El estudio muestra que el comportamiento del elemento Seaborgio (Sg) no sigue el mismo patrón que los demás miembros de su grupo, que también contienen Cromo (Cr), Molibdeno (Mo) y Tungsteno (W). Donde estos otros miembros del grupo pueden formar moléculas diatómicas como Cr2, Mo2 o W2, usando 6 enlaces químicos, Sg2 diatómica se forma usando solo 4 enlaces químicos, yendo inesperadamente de un orden de enlace de 6 a un orden de enlace de solo 4. Esto es no predicho por la naturaleza periódica de la tabla, que a su vez surge de las consideraciones mecánicas cuánticas de los electrones en capas de energía alrededor del núcleo. Entonces, ¿qué está pasando aquí? ¿Cómo descarta la relatividad el patrón periódico que se ve en nuestra amada tabla de elementos?

La tabla periódica de elementos fue inicialmente concebida por Dmitri Mendeleev a mediados del siglo XIX, mucho antes de que se descubrieran muchos de los elementos que conocemos hoy en día, y ciertamente antes de que hubiera un atisbo de mecánica cuántica y relatividad que acechaba más allá de los límites de la teoría clásica. física. Mendeleev reconoció que ciertos elementos caían en grupos con características químicas similares, y esto estableció un patrón periódico para los elementos a medida que pasaban de elementos livianos como el hidrógeno y el helio, a elementos progresivamente más pesados. De hecho, Mendeleev pudo predecir las propiedades y características muy específicas de elementos aún no descubiertos debido a los espacios en blanco en su tabla sin terminar. Muchas de estas predicciones resultaron ser correctas cuando finalmente se descubrieron los elementos que llenaban los espacios en blanco. Ver figura 1.

Figura 1. Versión de Mendeleiev de 1871 de la tabla periódica. Se proporcionaron espacios en blanco donde se pronosticaron nuevos elementos.

Una vez que se desarrolló la teoría cuántica a principios del siglo XX, se hizo evidente la explicación del comportamiento periódico de la tabla. Los electrones en el átomo están dispuestos en capas orbitales alrededor del núcleo. Hay varios tipos de orbitales diferentes, nuevamente basados ​​en predicciones de la mecánica cuántica, y cada tipo de orbital puede contener solo un número específico de electrones antes de que se deba usar el siguiente orbital. A medida que avanza de arriba hacia abajo en la tabla periódica, utiliza orbitales de niveles de energía progresivamente más altos. El comportamiento periódico surge porque, aunque los niveles de energía siguen aumentando, el número de electrones en cada tipo de orbital es el mismo para cada grupo, yendo de arriba hacia abajo. Ver figura 2.

Figura 2. Grupo 1 como ejemplo de grupo en la Tabla Periódica. A medida que el grupo va de arriba hacia abajo, los niveles de energía aumentan y los elementos se vuelven más pesados.

La otra gran área de la física desarrollada a principios del siglo XX fue la relatividad, que no parecía tener mucha importancia en la escala de lo muy pequeño. Albert Einstein publicó su innovador artículo sobre la Relatividad Especial (SR) en 1905, que describía los efectos sobre un objeto que se mueve cerca de la velocidad de la luz. En 1915 desarrolló la Teoría General de la Relatividad (GTR), describiendo los efectos debidos a un campo gravitatorio masivo. Es la SR la que se convierte en una consideración importante en los elementos muy pesados ​​debido a que sus electrones alcanzan velocidades a un porcentaje significativo de la velocidad de la luz.

Einstein demostró que a medida que la velocidad de un objeto se acerca a la velocidad de la luz, su masa aumenta. Este efecto es demasiado pequeño para ser perceptible a velocidades cotidianas, pero se vuelve pronunciado cerca de la velocidad de la luz. También se puede demostrar que la velocidad de un electrón en órbita alrededor de un átomo, es directamente proporcional al número atómico del átomo. En otras palabras, cuanto más pesado es el átomo, más rápido se mueven sus electrones externos. Para el elemento hidrógeno, con número atómico 1, se calcula que el electrón se mueve a 1/137 de la velocidad de la luz, o 0,73% de la velocidad de la luz. Para el elemento oro (Au) con número atómico 79, los electrones se mueven a 79/137 de la velocidad de la luz, o 58% de la velocidad de la luz, y para Seaborgio (Sg) con número atómico 106, el electrón se mueve a una velocidad impresionante. 77% de la velocidad de la luz. A estas velocidades, los locos efectos de la relatividad especial hacen que la masa del electrón sea significativamente más pesada de lo que es en reposo. Para el oro, esto hace que el electrón sea 1,22 veces más masivo que en reposo, y para el seaborgio, la masa de los electrones resulta ser 1,57 veces la masa del electrón en reposo. Esto, a su vez, tiene un efecto sobre el radio de la órbita de los electrones, apretándolo más cerca del núcleo.

Ya se conocen algunos efectos relativistas para ciertos elementos pesados. El color del oro, por ejemplo, surge debido a los efectos de la relatividad que actúan sobre sus electrones externos, alterando el espacio de energía entre dos de sus orbitales donde se absorbe la luz visible y dando al oro su color característico. Si no fuera por estos efectos relativistas, se podría predecir que el oro parecería blanquecino.

Para los elementos del Grupo 6 de la Tabla periódica (Cr, Mo y W) (ver Figura 3) que se estudiaron en el artículo de JACS, cada uno tiene cinco orbitales d y un orbital s capaces de formar enlaces con otro átomo. Sg rompe el patrón periódico porque su orbital s de mayor energía está tan estabilizado por los efectos de su electrón en movimiento relativista que no contribuye al enlace. Debido a las complejidades inherentes a la teoría de orbitales moleculares, esto reduce el número de orbitales de enlace de 6 en Cr, Mo y W a solo 4 en Sg (aunque Sg es un miembro del grupo 6). También significa que el enlace entre Sg y Sg en la molécula Sg2 es 0,3 angstroms más largo de lo esperado, aunque el radio Sg es solo 0,06 angstroms más grande que W. Si la relatividad no tuviera un efecto, entonces la molécula Sg2 estaría unida por 6 enlaces orbitales, ¡como debería ser cualquier elemento respetable del Grupo 6! El mismo efecto también se encontró en los elementos del Grupo 7, con Hassium (Hs) mostrando la caída en el orden de enlace debido a efectos relativistas, al igual que Sg.

Figura 3. Una versión moderna de la Tabla Periódica de Elementos. Observe los elementos del Grupo 6 Cr, Mo, W y Sg.

La tabla periódica de elementos es un logro científico impresionante, cuya periodicidad revela un orden subyacente en la naturaleza. Si bien esta periodicidad funciona notablemente bien, las pocas excepciones a la regla también descubren principios importantes en el trabajo. La teoría de la relatividad de Einstein rompe la tabla periódica de formas interesantes e inesperadas. Son los elementos muy pesados ​​del gráfico los que no muestran buenos modales en la mesa, gracias a Einstein.

Referencia de diario y otras lecturas:
1. Los efectos relativistas rompen la periodicidad en las moléculas diatómicas del grupo 6 Yi-Lei Wang, Han-Shi Hu*, Wan-Lu Li, Fan Wei y Jun Li*
Departamento de Química y Laboratorio Clave de Optoelectrónica Orgánica e Ingeniería Molecular del Ministerio de Educación, Universidad de Tsinghua, Beijing 100084, China J. Am. química Soc., 2016, 138 (4), pp 11261129 DOI: 10.1021/jacs.5b11793 Fecha de publicación (web): 19 de enero de 2016

2. Efectos relativistas en química estructural Pekka Pyykko Chem. Rev., 1988, 88 (3), pp 563594 DOI: 10.1021/cr00085a006 Fecha de publicación: mayo de 1988

3. ¿Por qué el mercurio es líquido? O, ¿por qué los efectos relativistas no aparecen en los libros de texto de química? Lars J. Norrby J. Chem. Educ., 1991, 68 (2), pág. 110
DOI: 10.1021/ed068p110 Fecha de publicación: febrero de 1991

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