Generalmente pensamos en la relatividad como algo que ocurre cerca de los agujeros negros. O en aceleradores de partículas. Lejos. No en la botella de acetona que hay en tu escritorio. Pero las extrañas ideas de Albert Einstein están más cerca de lo que piensas. Mucho más cerca.
Dentro de los átomos pesados, los electrones se mueven tan rápido que sienten los efectos de la relatividad especial.
Lai-Sheng Wang de la Universidad de Brown y su equipo captaron esto en el acto. Por primera vez. Observaron una molécula hecha de bismuto y carbono. El bismuto es pesado. Se encuentra cerca del final de la tabla periódica. Los electrones a su alrededor no simplemente avanzan rápidamente; están acelerando lo suficiente como para que las reglas estándar de la mecánica cuántica comiencen a fallar.
La relatividad especial ya no es sólo doblar el tiempo y el espacio. Está remodelando los enlaces químicos.
El lío de sigma pi
Así es como suele funcionar. Tienes dos átomos conectados. Los electrones entre ellos forman enlaces. Piense en los bonos sigma como superpuestos frontalmente. Como un apretón de manos. Enlaces Pi se superponen uno al lado del otro. Como estar uno al lado del otro y entrelazar los brazos. Es una imagen ordenada. Limpio. Previsible.
El equipo de Wang trazó un mapa de la distribución de electrones en la molécula de bismuto-carbono. Esperaban tres bonos. Una sigma. Dos pi. Tarifa estándar.
Miraron los datos. Estaba mal.
En lugar de distintas formas sigma o pi, vieron una imagen borrosa. Dos de los bonos eran híbridos desordenados. Una mezcla de todo. “Sus caracteres son diferentes de la comprensión normal”, dijo Wang. Ni siquiera podrías llamarlos sigma o pi.
¿Por qué? El núcleo de bismuto es masivo. Atrae con fuerza esos electrones internos. De hecho, es tan fuerte que la interacción electromagnética fuerza a los electrones a velocidades relativistas.
Kirk Peterson, de la Universidad Estatal de Washington, hizo los números. Él lo confirmó. Esta mezcla se produjo porque los electrones cercanos al bismuto se movían lo suficientemente cerca de la velocidad de la luz como para preocuparse por las matemáticas de Einstein. Peterson llama a los datos experimentales “un lujo”. Señala lo difícil que es obtener buenos datos sobre elementos pesados.
Frío y claro
Había un truco para ver esto con claridad. No se pueden tener electrones temblorosos. Wang enfrió drásticamente las moléculas. Mucho frío.
Esto acabó con el nerviosismo. Sin ruido térmico. Sin desenfoque. Sólo un mapa nítido de dónde querían estar los electrones. Sin ese paso, la distorsión relativista se habría perdido en lo estático.
Uno se pregunta por qué ignoramos con tanta frecuencia la relatividad en la clase de química.
Trond Saue, de la Universidad de Toulouse, lo expresa claramente: la mecánica cuántica estándar falla en la parte inferior de la tabla. Necesitas relatividad para que funcione. Esta no es una noticia nueva en teoría. Por esta razón el oro es amarillo en lugar de blanco plateado. El mercurio es un líquido en lugar de un bloque sólido. ¿Pero verlo cambiar activamente la forma en que se unen los átomos? Eso es raro.
Pekka Pyykkö de Helsinki dice que esto es importante para la química. Si utiliza bismuto en reacciones orgánicas, el giro relativista de los enlaces podría cambiar su comportamiento. Podría convertirlo en un mejor catalizador. O uno peor. Estudios recientes del Instituto Max Planck ya sugieren que los efectos relativistas hacen del bismuto un buen acelerador de ciertos procesos químicos.
¿Entonces la estructura de bonos colapsó? No exactamente. Simplemente cambió.
Wang quiere saber cuándo. Exactamente qué punto de la tabla periódica hace que los enlaces tradicionales fallen por completo. Están cambiando bismuto por vecinos para probar los límites.
Parece que apenas estamos arañando la superficie de la química de elementos pesados. Los viejos libros de texto probablemente ya estén obsoletos. Pero nadie ha actualizado las portadas todavía.
Lo más difícil es la falta de datos experimentales realmente buenos.
Eso cambia hoy. Quizás mañana el carbón de tu pluma también actúe de manera extraña. Probablemente no. Pero ¿por qué suponer que no?
