Zergatik merkurioa likidoa da?

Gaurko sarrera ez dator nire eskutik: Oier Lakuntza Irigoienek idatzi du. Oier Lakuntza gure taldean, Kimika Fakultateko Kimika Teoriko taldean egin zuen tesia, eta iazko irailean defendatu zuen. Lan horretan, trantsizio metalen konplexu batzuen C-H lotura aktibatzeko gaitasuna aztertu zuen. Prozesu hau garrantzitsua da, besteak beste, H₂-ren produkzioan etab. Prozesu hauek ongi aztertzeko, atomo astunetan aurkitzen dugun fenomeno batzuk kontutan hartu behar dira: efektu erlatibistak. Zer dira fenomeno hauek? Zer eragina dute gure eguneroko bizitzetako esparru batzuetan? Oierrek hau kontatzen digu.

Konkretuki, Oierrek urrearen kolorea eta zergatik merkurioa likidoa den kontatuko digu. Zuzenean, behean daukazue bere kontribuzioa. Nik ahalik eta gutxien moldatu dut. Egin dudan bakarra zera izan da, blog honen beste sarrerekin dauden konexioak adierazi, eta bertan egindako hainbat kontzeptuekin loturak adierazi (parentesi artean adierazi ditut nire komentarioak). Honetaz gain, hainbat irudi ere gehitu ditut. Baina beno, luzatzen ari naiz. Oier, zure txanda...

ERLATIBITATEAREKIN ZORRETAN

Argiaren abiadura gaindiezina izanik ere, balio horretatik gertu ibiltzeak dakartzan efektu erlatibistek eguneroko bizitzan ondorio zuzena daukate. Esate baterako, efektu horiek dira bitxigintza munduan hain preziatua den urrearen kolorearen, eta termometroetan erabiltzen den merkurioaren izaera likidoaren erantzule nagusiak. Zer dira baina efektu erlatibista horiek, eta zer erlazio dago efektu horien eta aipaturiko metalen ezaugarri bereizgarri horien artean?

300.000 km/s: abiadura itzela da hori. Adibide batzuk ipintze aldera, abiadura horretan, segundu bakarrean munduari zazpi bira emango genizkioke, edo ilargitik lurrerako distantzia ia segundu bakarrean osatuko genuke. Dudarik gabe, abiadura horiek ez daude gure esku. Esate baterako, duela gutxi Martera iritsi zen Curiosity espaziuntzia, batazbeste 12000 km/h ingurura joan zen, eta hori, argiaren abiadura baino 90000 aldiz txikiagoa da. Edonola ere, mundu atomikoan badira abiadura horretara, horrek dakartzan ondorioak nozitzeraino hurbiltzen diren partikulak. Hala, platinoa, urrea, merkurioa edo uranioa bezalako atomo astunen kasuan, nukleoan pilatzen den karga positibo haundiaren ondorioz, nukleotik hurbilen aurkitzen diren elektroiak oso azkar mugitzen dira, argiaren abiaduratik gertu.

Orbitalak eta erradiazioaren absortzioa

Orbitalak nukleoaren inguruan elektroiak aurkitzeko probabilitate haundieneko eremuak dira. Bakoitzari energia maila bat dagokio, eta elektroiak energia baxuenetik hasi eta energia altuagora aurkitzen diren orbitalak okupatuz kokatzen dira. Hala, orbitalen egitura hau, etxebizitza bloke batekin aldera genezake. Alde batetik, elektroiak maila ezberdinetan, etxearen pisu ezberdinetan, kokatzen dira, eta maila bakoitzean orbital mota ezberdinak aurkitzen dira, pisu bakoitzeko gelak liratekeenak, alegia. Orbital horiek ordea, ez dira elkarren parean aurkitzen, etxebizitzaren pisu bakoitzean, gela bakoitza azpimaila batean baitago, energia ezberdin batera alegia. Orbital edo gela bakoitzean bi elektroi koka baitezke, eta elektroiak orbital horietan banatzeko moduari, elektroi konfigurazio izena ematen zaio. Bi atomok pareko elektroi konfigurazioak dituztela esaten dugunean, beren azken pisuko orbital edo gelak, modu berean okupaturik dituztela esan nahi du. Bakoitzak pisu gehiago edo gutxiago izango ditu okupatuak, baina azken maila edo pisuan, orbitalak modu berean okupatuak dituzte. Elektroiak orbital batetik bestera, bien arteko energia tartea adinako energia absorbatuz pasa daitezke. Horretarako aukera bat, behar den energia hori duen erradiazioa absorbatzean datza. Zentzu horretan, argi ikuskorraren inguruko erradiazioak, aipaturiko jauzi horiek emateko behar denetik hurbil geratzen den energia dauka.

Einstein-en erlatibitatearen teoriatik ondoriozta daitekeen eran, kasu horietan elektroiaren masa haunditu egiten da, eta hain zuzen ere, hori da atomo astunen kasuan ikusten diren efektu erlatibisten sorburu nagusia. Izan ere, nukleotik gertu dauden elektroien masa haunditzean, hauen orbitalak txikitu egiten dira. Honek, era berean, atomo baten kimikan parte hartzen duten azaleko orbital batzuen uzkurtzea eta besteen zabaltzea eragiten dute, beraietan aurkitzen diren elektroien energia maila aldatuz. Hala, elektroiek energia maila batetik bestera igarotzeko absorbatu behar duten energia maila haunditu edo txikitu egin daiteke. Atomo astunen azaleko orbitalen uzkurtze eta zabaltze, eta horren ondoriozko energia maila aldaketa hauek, bestela agertuko ez ziratekeen elementu astunen propietateak eragiten dituzte.

Urrearen Kolorea

Ezaugarri horietako bat, bitxigintza munduan hainbesteko balioa duen urrearen berezko kolorea da. Izan ere, kasu honetan gertatzen den azaleko orbitalen zabaltze eta uzkurtze horien ondorioz, bere azaleko elektroi bat orbital edo energia maila, batetik bestera igarotzea errazten da. Hain zuzen ere, elektroi horrek aipaturiko jauzi hori emateko absorbatu behar duen energia 2.7 eV ingurukoa da, eta balio hori argi morearen eta urdinaren energien artean dago. (Beheko taulan kolore bakoitzari dagokion uhin-luzera eta energia ikus dezakezue. Informazio gehiagorako, ikusi hemen.)

Kolorea	Uhin-luzera (nm)	Energia (eV)
Gorria	700	1.7
Laranja	620	2.00
Horia	580	2.14
Berdea	530	2.34
Urdina	470	2.64
Morea	420	2.95

Urrearen horitasuna ulertzeko, kolore hau morearen osagarria dela kontuan hartu behar da, alegia, argi txuriari osagai morea kentzen badiogu, guk horia ikusten dugu, eta alderantziz. Beraz, urrea argi txuriz irradiatzen dugunean, honek, kolore urdinaren eta morearen arteko fotoiak absorbatzen ditu, eta guk, urre gainazal horretan islatzen den gainontzeko argia ikusten dugu. Beheko taulan kolore osagarriak ikusten ahal dituzue. (Honekin erlazionatuta, blogean ondorengo linkak aurkitzen ahal dituzue: Zergatik ikusten dugu? eta Zergatik hostoek kolorea aldatzen dute?)

Kolore Osagarriak
Horia	Morea
Urdina	Laranja
Gorria	Berdea

Baina zer erlazio dago guzti honen eta efektu erlatibisten artean? Bada, azter dezagun urrearen pareko elementu arinagoetan, hau da, taula periodikoan urrearen gainean dauden kobrearen eta zilarraren kasuan, orbital batetik besterako jauzi horri dagokion energia tartea zenbatekoa den. Hala, kobrearen kasuan energia tarte hori 1.4 eV ingurukoa den bitartean, zilarraren kasuan 3.7 eV ingurukoa da. Egin kontu, bi balio hauek argi ikuskorraren energia tartetik at geratzen direla. Edonola ere, kobrearen eta zilarraren kasuan efektu erlatibistak hain garrantzitsuak ez direla kontuan hartuta, efektu horiek egon ezean, taula periodikoan behera goazen heinean, aipaturiko jauzi horri dagokion energia tartea haunditu egin beharko litzateke. Hala, efektu erlatibista horiek existituko ez balira, urrearen kasuan aipaturiko elektroiak beste bi kasuetan baino energia haundiagoa absorbatu beharko luke aipaturiko jauzi hori emateko. Errealitatean ordea, efektu erlatibistek jauzi horretan jokoan sartzen diren orbital edo energia mailak elkarrengandik behar luketena baino hurbilago egotea eragiten dute, beren arteko tartea, kobrearen eta zilarrarenekoen artean kokatuz. Kasualitatez, gure begien gozamenerako, urrearen kasuan energia jauzi hori argi morearen energia mailatik hurbil geratzen da, guri kolore horia utziz.

Merkurio likidoa

Tenperatura nahiz presioa neurtzeko aparailuetan erabiltzen den merkurioa metal berezia dela esan daiteke. Beste metal guztiak ez bezala, merkurioa likidoa da giro tenperaturan, eta ñabardura hau ere efektu erlatibisten ondorio zuzena da.

Izan ere, bi elektroiz okupaturik dagoen merkurioaren azaleko azken orbitalaren uzkurtzeak, bertan aurkitzen diren elektroiak nukleoari efektu erlatibistarik ezean leudekeena baino gogorrago lotuta egotea eragiten du. Orbital horren uzkurtzeak ezaugarri horretan duen eragina argiago ikusten da, merkurioaren ionizazio energia, hau da, elektroi bat kentzeko behar den energia, bere parekoarinagoak diren kadmio eta zinkarenekin konparatzen badugu. Hala, bi lerro gorago aurkitzen den zinkaren ionizazio energia 9.42 eV, eta justu merkurioaren gainean dagoen kadmioarena 9.03 eV dela kontuan hartuta, merkurioarena bi balio horiek baino txikiagoa izatea espero beharko litzateke. Aldiz, aipaturiko orbitalaren uzkurtzeak, merkurioaren ionizazio energia 10.51 eV ingurukoa izatea eragiten du, bere taldeko beste biena baino dexente haundiagoa alegia.

Merkurioa giro tenperaturan  likidoa izateak honekin guztiarekin duen zerikusia ulertzeko, metal solidoen egitura gogora ekartzea komeni da. Hala, solido egoeran aurkitzen direnean, metalek sobera dituzten elektroiak askatu egiten dituzte, atomo guztiei dagozkien elektroi bandak sortuz. Beraz, metal batean nukleo eta barruko elektroiak puntu jakin batean kokatzen dira, eta askatzen dituzten elektroiek, metal osoan zehar puntu zehatz horien inguruan mugitzeko askatasuna izaten dute. Hain zuzen ere, egitura hori da metalen eroankortasun elektriko nahiz termiko haundiaren erantzule nagusia. Merkurioaren kasuan aldiz, okupaturik dagoen azken orbitalaren uzkurtzeak egitura hori izatea galerazten du, bertako bi elektroiak ezin baitira libre gelditu, efektu erlatibista hori izan ezean gertatuko litzatekeen moduan. Horren ondorioz, merkurioa likido egoeran aurkitzen da giro tenperaturan.

…eta askoz gehiago:

Dena den, urrearen horitasuna eta merkurioaren izaera likidoa efektu erlatibisten ondorioen bi adibide baino ez dira. Izan ere, bi kasu horietatik harago, efektu horiek elementu astunen kimika asko baldintzatzen dute. Hala, efektu erlatibistek, elementu astun horiek bestela emango ez zituzketen erreakzioak ematea ahalbidetzen dute. Halaber, elementu astunen eta beren pareko arinagoen (platinoa/paladioa, urrea/zilarra, merkurioa/kadmioa…) portaera kimiko ezberdina, neurri batean efektu hauei zor zaie. Hortaz, argiaren abiadurak fikzio kontua dirudien arren, berarekin erlazionaturiko efektuak gure eguneroko bizitzan oso presente dauzkagu. Beraz, hein batean bada ere, gizakiok efektu erlatibista hauekin zorretan gaudela esan genezake.