Respuestas (LXXII): ¿Por qué casi todos los metales son grises?

Un señor que se hace llamar Pepe dejó escrita la pregunta de hoy en la entrada del vídeo en el que extraía hierro de unas rocas. Os dejo aquí su comentario, para que Pepe pueda comunicaros los matices de su duda en sus propias palabras:

Aprovecho para recordar que podéis enviarme vuestras preguntas a jordipereyra@cienciadesofa.com (este es un caso extraordinario).

Tienes toda la razón, Pepe, quitando el oro, el cobre y el cesio, los elementos metálicos (señalados en verde en esta imagen) tienen un color más bien grisáceo que dificulta mucho la tarea de distinguirlos a simple vista.

¡Bah! Chorradas, podría distinguir claramente cualquier metal a ojo.

¿Ah, sí? ¿Entonces qué es esto?

Eeeeh… Pues… Claramente…

Es iridio, voz cursiva, IRIDIO.

Antes de empezar, como ha comentado Pepe, los metales se pueden unir con otros elementos químicos que no son metálicos para dar lugar a algunas sustancias coloridas. Por ejemplo, tres átomos de plomo se pueden combinar con cuatro átomos de oxígeno para producir una sustancia roja llamada tetraóxido de plomo (Pb3O4), aunque los átomos de plomo también pueden formar un compuesto amarillo cuando se unen con uno de cromo y cuatro de oxígeno, generando cromato de plomo (II) (PbCrO4).

Pero, como podéis ver, el metal no se encuentra en estado puro en ninguno de estos casos, así que no vale señalar un bloque de plomo cubierto de óxido y decir que se trata de un metal de color rojo. Así que no te preocupes, Pepe, que voy a hablar del color de los elementos metálicos puros.

Empecemos viendo por qué casi todos los metales son grises.

Como hemos visto en alguna otra entrada, lo que nuestros ojos interpretan como “color” no es más que el reflejo de las diferentes longitudes de onda que componen la luz: las longitudes de onda más cortas se corresponden con los tonos azulados y las más largas con los rojos, con el resto de colores en medio.

(Fuente)

Por otro lado, como sabréis, la luz blanca está compuesta por una mezcla de todas las longitudes de onda (o colores) visibles. Por eso cuando un rayo de luz blanca incide sobre la superficie de un objeto, algunas de las longitudes de onda (o colores) que contiene se ven absorbidas y otras rebotan contra ella. De hecho, esas longitudes de onda que logran rebotar y llegar hasta nuestros ojos son lo que nuestro cerebro interpreta como el color de esa superficie.

Vale, entiendo que un objeto pueda parecer azul porque absorbe todos los colores de la luz menos el azul. Pero no veo que en el espectro visible haya una longitud de onda que se corresponda con el color gris. ¿De dónde sale el color gris de los metales? 

Buena pregunta, voz cursiva. Los elementos metálicos tienen ese aspecto grisáceo porque su superficie refleja por igual todas las longitudes de onda que contiene la luz que incide sobre ellos. Todos los colores, vaya, igual que un espejo.

En el siguiente gráfico se puede apreciar en qué medida se ven reflejados los distintos colores que componen la luz blanca cuando ésta incide sobre distintas superficies metálicas. Como podéis ver, dentro del rango de frecuencias del espectro visible, estos metales reflejan todos los colores más o menos en la misma medida.

Los metales son (de arriba abajo): plata, aluminio, rodio, platino y cromo.

Espera, espera. Si toda la luz que incide sobre una superficie metálica se ve reflejada, ¿por qué los metales no nos parecen blancos? Es más, ¿por qué no todas las superficies metálicas reflejan la luz como los espejos?

Pues porque resulta que las superficie de los metales que no se han manipulado para que sean perfectamente lisas están plagadas de imperfecciones diminutas que reflejan la luz que incide sobre ellas en direcciones distintas, de manera que la luz que reflejan pierde toda su coherencia. Dicho de otra manera, el color gris de los metales es la manera que tiene nuestro cerebro de traducir esa mezcla incoherente de longitudes de onda.

Pero, en el caso del oro y el cobre, la cosa cambia.

Al contrario que el resto de metales, la superficie del oro o el cobre absorbe en mayor medida las longitudes de onda cortas (los azules) y refleja mucho mejor las más largas (los amarillos y los rojos). Como resultado, la luz que rebota contra la superficie del cobre o el oro tiene un componente amarillo y/o rojo mucho mayor, como se puede ver en el siguiente gráfico, de manera que nuestro cerebro interpreta que sus superficies son de esos colores.

Gráfico basado en este otro.

Así que ahí tienes la respuesta, Pepe, espero que te ha…

¡Para el carro, que aún no te has librado! ¿Y por qué el cobre y el oro no reflejan todas las longitudes de onda por igual, como el resto de los metales?

Esa es una pregunta un poco más compleja, voz cursiva, porque tanto el color del oro como el del cobre son el resultado de que sus electrones se ven obligados a moverse tan deprisa para evitar caer hacia el núcleo atómico, que sus átomos sufren los efectos predichos por la teoría de la relatividad.

Ah, vale. Ha quedado perfectamente claro, puedes terminar aquí la entrada, ¿eh?

Vale, vale, perdona, voz sarcátisca. Me explico.

Por un lado, si un rayo de luz tiene la energía suficiente, puede transferirla a alguno de los electrones que forman parte de un átomo, haciendo que salte a una órbita superior.

Como hemos visto alguna vez, la energía de un rayo de luz depende de su longitud de onda: cuanto más corta sea, más energética será la luz. En la parte visible del espectro electromagnético, eso se traduce en que la luz azulada es más energética que la rojiza.

Para la mayor parte de los metales, la energía necesaria para que un electrón salte de una órbita a otra es mucho mayor a la que la luz visible es capaz de proporcionarles. Por este motivo, lo único que consigue la luz visible al incidir sobre una superficie metálica es conseguir que los electrones que contienen sus átomos empiecen a vibrar.

Al tener carga eléctrica, la vibración de los electrones genera nuevas ondas electromagnéticas en el espectro visible que se propagan de nuevo por el aire y son capaces de llegar hasta los ojos del observador más cercano y… Bueno, así es básicamente cómo los espejos reflejan la luz.

Pero, de nuevo, el cobre y el oro son unos rebeldes que no siguen las reglas.

Como hemos visto en otras ocasiones con más detalle (aquí y aquí, concretamente), desde el punto de vista de un observador que está quieto, las cosas que se desplazan a velocidades cercanas a las de la luz no sólo parecen aplastadas en la dirección de su movimiento sino que, además, el tiempo parece pasar a un ritmo menor para ellas. Pero existe otra consecuencia interesante de la teoría de la relatividad: cuanto más rápido se mueve algo, más aumenta su energía y, por tanto, su masa (tengo pendiente tratar este tema con más profundidad).

En el caso del oro y del cobre, los electrones que están más cerca del núcleo se mueven tan deprisa que los efectos relativistas entran en juego y su masa aumenta de manera considerable. El aumento de masa provoca que los electrones se vean atraídos en una mayor medida hacia el núcleo atómico y, por tanto, que sus órbitas se contraigan. A su vez, esta contracción de las órbitas provoca que los electrones necesiten menos energía para saltar de una órbita a otra (porque hay menos espacio entre ellas, por decirlo de alguna manera) y, de hecho, esa energía se corresponde con la de la luz que tiene tonalidades azuladas.

Por tanto, cuando un rayo de luz blanca incide sobre un trozo de oro o de cobre, las tonalidades azuladas son absorbidas por su superficie mientras mueven los electrones a órbitas superiores, pero los colores amarillentos y rojizos logran rebotar. Y (ahora sí) ese es el motivo por el que el cobre y el oro no reflejan los tonos azulados como el resto de los metales y, por tanto, tienen un color distinto.

Aunque, ojo, que en realidad la explicación sería más compleja porque, como comenté, los electrones no dan vueltas alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol. De todas maneras, espero que haya servido para aplacar tu curiosidad, voz cursiva.

Meh, sí, supongo.

Estupendo. Dicho esto, aunque el oro y el cobre (y el cesio) son los únicos metales que no tienen un color grisáceo, existen aleaciones metálicas que pueden presentar diferentes colores sin que hayan sido alteradas uniéndolas con otros compuestos no metálicos. Para fabricarlas, basta con encontrar la combinación de metales que consigue que sus superficies absorban determinadas longitudes de onda (o colores) cuando la luz que incide sobre ellas.

Por ejemplo, es posible que alguna vez hayáis visto joyas de oro con tonalidades ligeramente diferentes, desde más blanquecinas hasta más rojizas. Esto se debe a que no están compuestas por oro puro, sino que están aleadas con diferentes proporciones de cobre y plata. Dicho esto, hay aleaciones con colores más exóticos, como el oro rosado que se puede ver en la siguiente imagen. El oro rosado de 18 kilates, por ejemplo, es una mezcla de un 75% oro, 22,5% cobre y el 2,5% de plata.

(Fuente)

El oro rosado no parece un invento extraño, dado que tiene un color parecido al cobre al que todo estamos acostumbrados. Pero más raras resultan las aleaciones de oro con otros materiales: al mezclarlo con aluminio (AuAl2), se puede conseguir que la superficie del metal resultante brille con un tono violeta, como en este caso:

Varias joyas hechas con oro violeta e incrustadas con diamantes. (Fuente)

Y, en el terreno de los metales con colores raros, parece que también se puede conseguir oro azul al alearlo con indio (AuIn).

(Fuente)

Por lo que he leído, se pueden conseguir otras tonalidades, pero no he conseguido encontrar demasiadas imágenes en las que se vean claras (como por ejemplo del oro verde), así que con estos ejemplos tendrá que terminar la entrada de hoy.

¿Estás seguro de que termina aquí?

Ah, no, claro. Gracias voz cursiva, no me acordaba de que tenía que recordar a los lectores que se acerca la navidad y que el libro de Ciencia de Sofá, “El universo en una taza de café“, está disponible en librerías tanto en España como en México (y es posible que en Perú) y a través de internet por todo el mundo. Así que, si os apetece saber cómo hemos llegado a conocer todo lo que sabemos hoy en día sobre el universo, podéis hacer click sobre la siguiente imagen para ir a la entrada donde hablo del libro con más detalle (o en este texto verde para visitar la página de Amazon donde podéis leer las opiniones de los lectores):

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