К цвету атомов золота оказалась причастна теория относительности

Химики из Университета Хайдельберга выяснили, что атомы золота в комплексах, в отличие от других элементов его подгруппы, сильно подвержены релятивистским эффектам. Именно это приводит к отличиям в цвете и электронных свойствах соединений меди, серебра и золота. Это новый пример того, как эффекты специальной теории относительности проявляются не в космических масштабах, а на крошечных размерах одного атома. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Для полноценного сравнения свойств авторы впервые синтезировали карбеновый комплекс серебра, в котором металл окружен только атомами углерода, а также его медный и золотой аналоги. Молекулы этих реакционноспособных соединений содержат в своем составе редкий фрагмент: двойную связь между атомом меди, серебра или золота и атомом углерода. Параметры этой связи сильно зависят от свойств электронов атома металла, участвующих в ней. Это проявляется, например, в том, как соединение взаимодействует со светом — в его спектрах поглощения и окраске комплексов. 

Медный комплекс обладает желто-зеленой окраской, золотой — изумрудно-зеленой, а серебряный комплекс оказался цвета мяты. Их спектры отличаются положением одной из полос поглощения, которое почти совпадает для серебра и меди, но смещено для золота. Кроме того, для последнего сильнее связь между металлом и углеродом. 

Авторы провели теоретические расчеты, которые показали, что отличия комплексов золота от других металлов подгруппы связано с тем, что электроны на его внешней оболочке движутся с почти световыми средними «скоростями» (речь идет, разумеется, об энергиях и импульсах электронов). Это вносит искажения в свойства комплекса и приводит к наблюдаемым эффектам.

В 11 группу таблицы Менделеева, где расположено золото, также входят медь, серебро и рентгений. Их внешние электронные оболочки, во многом определяющие химические свойства элементов, одинаковы. Однако, кроме строения оболочек на поведение атомов могут влиять и другие эффекты. Например, релятивистские эффекты, предсказанные теорией относительности, проявляются не только в химических соединениях золота, но и в самом металле. Именно релятивистскими скоростями электронов объясняется его желтая окраска — вычисления показывают, что если бы этих эффектов не было, то золото было бы таким же серебристо-белым, как и серебро.