Przyzwyczailiśmy się kojarzyć teorię względności z czarnymi dziurami lub akceleratorami cząstek. Coś odległego i abstrakcyjnego, na pewno nie to, co dzieje się w butelce acetonu na Twoim biurku. Jednak dziwne pomysły Alberta Einsteina są znacznie bliższe rzeczywistości, niż myślisz. Znacznie bliżej.
Wewnątrz ciężkich atomów elektrony poruszają się tak szybko, że zaczynają podlegać wpływom szczególnej teorii względności.
Lai-Sheng Wang z Bryan University i jego zespół po raz pierwszy byli w stanie uchwycić ten proces w akcji. Badali cząsteczkę składającą się z bizmutu i węgla. Bizmut to pierwiastek ciężki, znajdujący się na dole układu okresowego. Elektrony wokół jądra nie tylko szybko latają; poruszają się tak szybko, że standardowe zasady mechaniki kwantowej zaczynają się załamywać.
Szczególna teoria względności nie tylko zniekształca czas i przestrzeń. Przestawia wiązania chemiczne.
Mieszanie wiązań sigma i pi
Zastanówmy się, jak to zwykle działa. Masz dwa atomy połączone ze sobą. Elektrony między nimi tworzą wiązania. Pomyśl o wiązaniach sigma jak o nakładających się orbitaliach, jak o uścisku dłoni. Litości nakładają się na siebie, jakbyś stał obok siebie i trzymał się za ręce. Obraz jest schludny, czysty i przewidywalny.
Zespół Vanna zmapował rozkład elektronów w cząsteczce bizmutu i węgla. Spodziewali się trzech wiązań: jednego sigma i dwóch wiązań pi. Nic niezwykłego.
Dane okazały się jednak błędne.
Zamiast wyraźnie określonych kształtów sigma lub pi, zobaczyli rozmytą plamkę. Dwa z połączeń okazały się chaotycznymi hybrydami, mieszanką wszystkiego i wszystkich. „Ich cechy różnią się od powszechnego zrozumienia” – powiedział Wang. Nie dało się ich nawet jednoznacznie sklasyfikować jako wiązań sigma czy pi.
Dlaczego tak się stało? Jądro bizmutu ma ogromną masę. Silnie przyciąga wewnętrzne elektrony. Tak silne, że oddziaływanie elektromagnetyczne przyspiesza elektrony do prędkości relatywistycznych.
Kirk Peterson z Washington State University przeprowadził obliczenia i potwierdził te ustalenia. To mieszanie miało miejsce, ponieważ elektrony w pobliżu bizmutu poruszały się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a ich zachowanie było zgodne z matematyką Einsteina. Peterson nazywa uzyskane dane eksperymentalne „luksusem”, zauważając, jak trudno jest uzyskać dobre dane dla ciężkich pierwiastków.
Zimno i przejrzyście
Aby obraz był wyraźnie widoczny, potrzebna była specjalna sztuczka: elektrony nie powinny się „trząść”. Vann radykalnie schłodził cząsteczki. Zrobiło się bardzo bardzo zimno.
Eliminowało to wahania termiczne. Żadnych szumów termicznych, żadnych rozmyć. Tylko wyraźna mapa tego, gdzie chciałyby być elektrony. Bez tego kroku zniekształcenia relatywistyczne zostałyby utracone w szumie statycznym.
Zastanawiasz się: dlaczego tak często ignorujemy teorię względności na szkolnych kursach chemii?
Tron Saouet z Uniwersytetu w Tuluzie ujmuje to bez ogródek: standardowa mechanika kwantowa przestaje działać na dole układu okresowego. Aby to działało prawidłowo, należy uwzględnić efekty relatywistyczne. Nie jest to nowina dla teoretyków. Dlatego złoto jest żółte, a nie srebrzystobiałe. Rtęć jest raczej cieczą niż stałym blokiem, również ze względu na ten efekt. Ale obserwowanie, jak aktywnie zmienia sposób wiązania atomów, jest rzadkim zjawiskiem.
Pekka Pökko z Helsinek twierdzi, że ma to konsekwencje dla chemii. Jeśli użyjesz bizmutu w reakcjach organicznych, relatywistyczne „skręcenie” wiązań może zmienić jego zachowanie. Może to uczynić go lepszym katalizatorem. Albo odwrotnie, najgorszy. Niedawne badania w Instytucie Maxa Plancka sugerują już, że efekty relatywistyczne sprawiają, że bizmut jest skutecznym przyspieszaczem niektórych procesów chemicznych.
Czyli struktura powiązań się zawaliła? Nie bardzo. Po prostu się zmieniła.
Vann chce wiedzieć: kiedy dokładnie? W którym momencie układu okresowego tradycyjne obligacje przestają całkowicie działać? Zastępują bizmut jego sąsiadami, aby sprawdzić granice stosowalności modeli.
Wygląda na to, że jedynie zarysowujemy powierzchnię chemii ciężkich pierwiastków. Prawdopodobnie stare podręczniki są już przestarzałe. Ale nikomu się jeszcze nie spieszy z przedrukowywaniem okładek.
Najtrudniejszą rzeczą jest brak naprawdę wysokiej jakości danych eksperymentalnych.
Dziś to się zmienia. Być może jutro węgiel w twoim ołówku też zacznie dziwnie działać. Prawdopodobnie nie. Ale dlaczego mielibyśmy zakładać, że jest inaczej?
