Respuestas sorprendentes a preguntas cotidianas
17. ¿Por qué (casi) todos los metales son grises?
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CAPÍTULO
17
¿Por qué (casi) todos los metales son grises?
El oro lleva cautivando a los seres humanos desde los albores del tiempo con su impactante tono amarillento, pero a esa fascinación también contribuye el hecho de que sea uno de los pocos metales que se puede encontrar en estado puro en la naturaleza, gracias a su capacidad para permanecer inalterado durante miles de millones de años. Es más, esta formidable resistencia a la corrosión te puede dar una idea de por qué el oro se convirtió en el elemento favorito de la gente para representar el poder adquisitivo: una moneda hecha de oro garantizaba que tus riquezas no serían reducidas a polvo por el mero hecho de existir. Pero, aunque el oro tiende a acaparar toda la atención porque es una de las celebridades de la tabla periódica, lo cierto es que el metal colorido que estamos más acostumbrados a ver es un elemento mucho más común que también llevamos utilizando desde tiempos inmemoriales: el cobre, ese metal relativamente inerte que reluce con un tono rojizo y que en ocasiones también se puede encontrar en estado puro en la superficie terrestre.
Como tanto el oro como el cobre se pueden encontrar en estado puro entre las rocas en determinadas partes del planeta, es probable que estos dos elementos fueran los primeros metales que descubrió la humanidad. Por supuesto, el resto de los metales de la tabla periódica también se hallan en la naturaleza, pero suelen estar combinados con otros elementos químicos formando minerales que no se parecen en nada a los metales que contienen. Por tanto, los seres humanos no pudimos empezar a utilizar estos metales hasta que descubrimos cómo liberar cada uno de ellos de su prisión química. A medida que nuestro conocimiento avanzaba, encontramos la manera de extraer el hierro que usamos para fabricar estructuras, el estaño de los circuitos eléctricos, el titanio de los implantes óseos, el aluminio de las latas o el wolframio de los filamentos de algunas bombillas, por poner algunos ejemplos.
Ahora bien, aunque nuestra experiencia encontrando metales empezó de forma muy colorida con el oro y el cobre, casi todos los metales que hemos descubierto a partir de entonces comparten una característica en común: todos tienen una aburrida tonalidad grisácea. Y, claro, es inevitable comparar ese tono apagado y gris con el vívido resplandor amarillento y rojizo del oro y el cobre, y preguntarse qué tienen estos metales que los hace tan excepcionales. O, visto al revés: ¿por qué casi todos los metales son grises?
Bueno, no sé si es tan inevitable. Yo nunca me lo había planteado y tampoco me interesa demasiado saberl...
En el capítulo anterior he comentado que la luz está hecha de ondas electromagnéticas (una sucesión de campos eléctricos y magnéticos que se alternan mientras se propagan por el espacio), y que lo que interpretamos como color no es más que un reflejo de la distancia que separa los picos de esas ondas. Siendo más concretos, nuestros ojos contienen un tipo de células llamadas conos que se activan cuando ciertas longitudes de onda que se encuentran en el rango del color azul, rojo y verde inciden sobre ellos y envían esos estímulos al cerebro, que mezcla estos tres colores básicos para crear una imagen coherente de nuestro entorno.
Sí, claro. ¿Y de dónde sale esa luz azul, roja y verde? Porque no sé en qué clase de «entorno» vives, pero el mío está iluminado por la luz blanca del sol.
Buena observación, voz cursiva, porque lo cierto es que el color blanco como tal no existe, en el sentido de que no hay ninguna longitud de onda de la luz que esté asociada a él. En su lugar, el blanco es el color que el cerebro interpreta cuando nuestros ojos detectan rayos de luz que contienen longitudes de onda pertenecientes a todos los colores, como es el caso de la luz que emite el sol.
De hecho, este mismo fenómeno se puede observar cada vez que aparece un arcoíris, ya que se trata de un fenómeno que ocurre cuando la luz del sol pasa a través de las gotas de lluvia en el ángulo adecuado y el agua refracta cada longitud de onda (o color) en un ángulo ligeramente distinto, desplegando frente a nuestros ojos el abanico de colores que hay contenido dentro de la luz blanca de nuestra estrella. Pero, si te fijas, verás que los arcoíris no contienen ninguna franja de color blanco. Y eso es precisamente porque no existe una longitud de onda correspondiente al color blanco.
Entiendo. Pero, oye, justo ahora acaba de aparecer un arcoíris y veo que tampoco contiene una franja de color rosa.
Es que al rosa le ocurre lo mismo que al blanco, voz cursiva: tampoco existe ninguna longitud de onda de la luz que se corresponda con este color, porque el rosa es un tono que nuestro cerebro interpreta cuando detecta determinadas mezclas de luz roja y violeta. Sea como sea, el primer dato que debemos recordar para entender por qué los metales son grises es que la luz blanca que ilumina nuestro día a día contiene todos los colores del arcoíris.
Pero, como habrás notado, no todos los objetos que nos rodean en nuestra vida cotidiana son blancos, pese a que están siendo iluminados constantemente por luz de este color. Esto se debe a que la superficie de cada material absorbe algunos de los colores que contiene la luz blanca que incide sobre ella y refleja otros. Como esos colores reflejados son los únicos que consiguen llegar hasta nuestros ojos, son los que nuestro cerebro asignará a la superficie del objeto en cuestión. Por ejemplo, las hojas de las plantas contienen una alta concentración de clorofila, la sustancia que les permite realizar la fotosíntesis. Como esta sustancia absorbe las tonalidades azules y rojizas de la luz blanca del sol para producir energía, pero refleja los tonos verdosos que no le sirven para nada, las hojas de las plantas nos parecen verdes.
Por supuesto, esta misma lógica se puede aplicar a cualquier superficie colorida: los tomates son rojos porque su superficie refleja la luz rojiza y absorbe los tonos azules, verdosos y anaranjados, la madera es marrón porque la mezcla de colores que absorbe y refleja es un poco más compleja, y las naranjas son de color naranja porque...
Vale, vale, creo que todo el mundo lo ha entendido. Pero ¿qué es lo que determina que unos materiales reflejen unos colores y no otros?
Buena pregunta, voz cursiva. En el capítulo anterior hemos visto que las colisiones entre átomos o las corrientes eléctricas pueden llegar a mover los electrones de la capa exterior de un átomo a una órbita superior, pero este mismo fenómeno también puede ser provocado por la luz: como los electrones poseen carga eléctrica y están rodeados de un pequeño campo magnético, son capaces de absorber la energía de los campos electromagnéticos que componen la luz que incide sobre ellos y usarla para pegar un salto a una órbita superior. Y, cuanto más energético sea el rayo de luz absorbido, más largo será el salto que pegará el electrón y más alejada del núcleo estará la órbita que alcanzará.
Uf, ya estamos con el concepto de energía otra vez...
No te agobies, voz cursiva, recuerda que la energía no es más que una manera de cuantificar la capacidad que tiene un fenómeno para realizar un trabajo, o, lo que es lo mismo, para mover cosas de un lado a otro.
En el caso de la luz, la cantidad de energía que posee una onda electromagnética depende de su longitud de onda: cuanto más corta sea, más energía tendrá el rayo de luz. Como, en el rango visible, la luz azul tiene una longitud de onda menor que la roja, esto significa que la luz azulada es más energética que la rojiza y que, por tanto, un rayo de luz azul es capaz de realizar más trabajo que uno rojo. O sea, que si un electrón absorbe un rayo de luz azul, alcanzará una órbita mucho más alejada del núcleo que uno que haga lo propio con un rayo de luz roja.
Ahora bien, debido a ciertas complejidades de la mecánica cuántica que no entraremos a valorar ahora mismo, los electrones solo pueden dar vueltas alrededor del núcleo de los átomos a unas distancias muy específicas, así que un electrón solo podrá recorrer la distancia que lo separa de otra órbita más alejada del núcleo si absorbe una cantidad de energía muy concreta. Como resultado, los electrones solo pueden ser desplazados a una órbita superior por rayos de luz que tienen una longitud de onda (o color) determinada.
Creo que estos conceptos me están agobiando otra vez.
Aguanta un poco más, voz cursiva, porque estamos a punto de descubrir por qué cada material refleja unos colores diferentes.
Cuando la luz blanca del sol incide sobre un material, los electrones de su superficie absorberán la energía de algunos de sus colores y la usarán para saltar a una órbita más alejada del núcleo, pero, como los electrones están distribuidos de manera diferente alrededor de los átomos de cada elemento, esto significa que cada sustancia absorbe unos colores distintos. Pero, como hemos visto en el capítulo anterior, esos electrones alejados del núcleo atómico están en una situación inestable y tienden a volver rápidamente a su órbita original, emitiendo otro rayo de luz durante el proceso. En el caso que nos ocupa, ese rayo de luz emitido tendrá exactamente la misma energía que el que lo había desplazado a una órbita superior, o, lo que es lo mismo, su misma longitud de onda... O, de nuevo, su mismo color.
Por tanto, lo que en el mundo macroscópico nos parece luz «reflejada» es en realidad luz «reemitida» durante un proceso en el que los electrones de un átomo absorben la luz de un tono determinado para saltar a una órbita superior y emiten un rayo idéntico inmediatamente después, cuando «caen» de nuevo a su órbita original. ¿Esta parrafada te ha servido para entender mejor por qué la materia refleja la luz, voz cursiva?
Eh... Más o menos. Oye, ¿qué les pasa a los colores que no son reflejados?
Que son absorbidos por los átomos del material sobre el que inciden y convertidos en calor.
Me explico.
Igual que las olas del mar mueven arriba y abajo las boyas que flotan en el agua, las ondas electromagnéticas de la luz son capaces de menear los átomos a base de sacudir sus electrones. Pero, en este caso, la luz no empuja los átomos a través del contacto físico, como ocurre en el caso de las olas y las boyas: en su lugar, cuando la luz incide sobre un átomo, la dirección cambiante de sus campos eléctricos y magnéticos atrae los electrones en muchas direcciones diferentes, y estas sacudidas hacen que los átomos empiecen a vibrar y transmitan ese movimiento a sus vecinos. ¿Y qué pasa cuando se incrementa la velocidad a la que se mueven las moléculas o los átomos de una sustancia, voz cursiva?
Ya estamos otra vez... Que su temperatura aumenta.
Exacto: los colores que no tienen la longitud de onda necesaria para cambiar los electrones de órbita y ser «reflejados» acaban disipando su energía sacudiendo los átomos de la superficie del material sobre el que inciden e incrementando su temperatura. Y, como toda la energía eléctrica y magnética de esos rayos de luz acaba convertida en movimiento, estos colores desaparecen de nuestra vista y decimos que han sido «absorbidos».
Entendido. Entonces, basándome en lo que acabas de comentar, imagino que casi todos los metales son grises porque sus átomos solo reflejan la luz de color gris y absorben el resto de las longitudes de onda, ¿verdad?
Pues no, voz cursiva, porque, igual que ocurre con la luz blanca y la rosa, tampoco existe una longitud de onda que produzca el color gris.
Los metales deben su color gris a que los electrones más externos de sus átomos no están anclados en sus respectivos núcleos, sino que tienen cierta libertad para moverse a lo largo de la estructura metálica. Aunque la interacción entre la luz y estos electrones libres es compleja, podemos hacernos una idea de lo que ocurre cuando la luz incide sobre una superficie metálica si tenemos en cuenta que esos electrones que están desperdigados entre los átomos pueden saltar a órbitas superiores situadas a diferentes distancias del núcleo a través de la absorción de cantidades de energía muy variadas, o, lo que es lo mismo, de rayos de luz con muchas tonalidades distintas. Y, por supuesto, esos electrones emiten un haz de luz con el mismo color que el que habían absorbido en cuanto vuelven a su órbita original.
Por tanto, el motivo por el que casi todos los metales son grises es que los electrones libres que contienen son capaces de reflejar todos los colores que componen la luz blanca, así que la luz que llegará hasta nuestros ojos también contendrá todos esos colores y nos parecerá blanca.
Espera, espera, ¿cómo que los metales reflejan todos los colores de la luz blanca? ¡Pero si son claramente grises, no blancos!
Ya, ya, pero es que el color gris no es más que luz blanca poco intensa: las superficies metálicas suelen estar cubiertas de pequeñas rugosidades que provocan que la luz que reflejan se disperse en muchas direcciones distintas. Esos rayos de luz blanca dispersa son menos intensos que la luz original... O más grises, que es lo mismo.
Sigue sin convencerme eso de que el color gris es en realidad blanco poco intenso. ¿Me lo puedes demostrar de manera empírica?
Por supuesto, voz cursiva, lo puedes comprobar fácilmente pintando toda la pantalla del ordenador o del móvil de color gris y apagando las luces.
Vale..., veo que tengo témpera y pintura acrílica. ¿Cuál recomiendas?
No me refiero a que le pegues un brochazo de pintura, sino a que abras alguna aplicación de edición de imagen, cubras el lienzo entero con tu tonalidad gris preferida y pongas esa imagen en pantalla completa. Lo importante es que nuestros cerebros solo son capaces de percibir el color gris cuando en nuestro campo de visión hay alguna otra tonalidad más clara con la que lo puedan comparar. Por tanto, si apagas la luz y miras fijamente la pantalla gris, notarás cómo su luz se va volviendo blanca delante de tus narices, sin importar lo oscuro que fuera el tono de gris que habías elegido. Y esto ocurre precisamente porque tu cerebro no tiene ninguna otra referencia en tu entorno con la que comparar su color.1
¡Ostras, es verdad! Pero, aunque eso explica de dónde sale el color gris de los metales, no nos dice por qué el oro es dorado y el cobre rojizo.
A eso iba, voz cursiva. Hemos visto que el color de cada sustancia depende de las longitudes de onda que absorben y reflejan sus electrones, algo que está determinado por cómo están organizados alrededor de los núcleos de sus átomos. Y también he explicado que los metales suelen reflejar todos los colores que inciden sobre ellos porque sus electrones son capaces de absorber y reemitir una gran cantidad de longitudes de onda diferentes. Por tanto, como habrás imaginado, algunos metales como el oro o el cobre no son grises, porque sus electrones no son capaces de reflejar todos los colores de la luz visible... Y esto se debe a que sus electrones interaccionan con la luz de manera un poco distinta al resto de los metales.
Antes he comentado que lo que caracteriza los enlaces entre los átomos de los metales es que los electrones de su capa más externa no están anclados en ningún átomo concreto y pueden moverse por su estructura con relativa libertad. Pues bien, resulta que estos electrones libres de los metales no son los únicos que son capaces de interaccionar con la luz: los electrones que están contenidos en la segunda capa más externa de sus átomos también pueden absorber ciertas longitudes de onda, pero su rango es mucho más limitado, porque sí que están anclados en sus respectivos núcleos atómicos.
Ahora bien, en el caso de la mayor parte de los metales, se necesita una energía muy superior a la que puede proporcionar cualquier color de la luz visible para mover estos electrones a una órbita más alejada del núcleo. De hecho, estos electrones solo suelen reaccionar ante la radiación ultravioleta, una forma de «luz» invisible al ojo humano que es más energética que la visible, porque tiene una longitud de onda aún más corta (hablaré de ella con más detalle en el capítulo 20). Por tanto, la mayor parte de los metales reflejan todos los colores porque la luz visible solo interacciona con sus electrones libres, ya que no tiene suficiente energía para mover estos otros.
En cambio, tanto en el caso del oro como del cobre, nos encontramos ante una situación en la que esos electrones de la segunda capa más externa de sus átomos necesitan menos energía para saltar a la capa más exterior porque la distancia que las separa es menor que la de las órbitas de los átomos de otros metales. Como resultado, los electrones de la segunda capa más externa son capaces de saltar a la órbita superior absorbiendo luz visible, que es menos energética que la ultravioleta.
En los átomos de oro, estos electrones cambian de órbita cuando absorben tonalidades verdosas y azuladas, pero, mientras vuelven a su órbita original, parte de la energía de estos colores se transforma en luz infrarroja y rojiza, así que la luz que acaban emitiendo es menos energética que la que habían absorbido... O más amarillenta, que es lo mismo en este caso. En cuanto al cobre, los electrones de la segunda capa más externa de sus átomos necesitan aún menos energía para dar el salto, por lo que no solo absorben la luz azul y la verde, sino también los tonos amarillos. Y, cuando esos electrones vuelven a su posición, la energía que pierden por el camino hace que la luz que emiten se vuelva aún más rojiza.
Creo que te sigo... Pero ¿qué diferencia los átomos de oro y de cobre de los demás metales para que sus órbitas más alejadas del núcleo estén más juntas?
Ahí entramos en detalles más técnicos, voz cursiva, porque esta cercanía inusual tiene una causa diferente en los átomos de cada elemento. En el caso del cobre, los electrones están estructurados alrededor de los átomos de manera que los que se encuentran más cerca del núcleo no «escudan» a los que están más alejados de la carga positiva de los protones del núcleo con tanta intensidad como cabría esperar. Como resultado, los protones atraen los electrones de esa capa con más fuerza y los acercan hacia el núcleo un poco más de lo habitual.2
El caso del oro es mucho más interesante, porque su color amarillento es un resultado de la teoría de la relatividad especial de Einstein.
En el capítulo 13 hemos visto que la masa de un cuerpo se incrementa junto con la energía. Esto significa que un objeto que se mueva muy deprisa tendrá una energía cinética mucho mayor que cuando está quieto, y, por tanto, que será mucho más masivo. Trataré este tema con más detalle en el capítulo 21, así que no te preocupes si ahora mismo te suena un poco raro, pero el caso es que este incremento de la masa no afecta a los seres humanos en su vida cotidiana, porque solo se manifiesta a velocidades próximas a las de la luz.
Ahora bien, debido a su gran masa, los núcleos de los átomos de oro atraen con tanta fuerza a los electrones que los rodean, que los que dan vueltas más cerca del núcleo tienen que moverse a un 58 % de la velocidad de la luz para no caer hacia él.3 Pero, claro, la masa de los electrones se incrementa un 23 % a esta velocidad pasmosa, así que acaban viéndose atraídos hacia el núcleo con una fuerza aún mayor, y el radio de su órbita disminuye. A su vez, esta reducción del diámetro se propaga por el resto de las órbitas del átomo, haciendo que la distancia que separa a todas disminuya y permitiendo que los electrones puedan saltar de una a otra sin necesidad de absorber tanta energía.
O sea, que el oro sería un metal gris más si no fuera por estos efectos relativistas. Este detalle me parece especialmente curioso, porque implica que, sin saberlo, los primeros seres humanos que se vieron atraídos por el llamativo destello amarillento del oro tenían frente a ellos una manifestación directa de la teoría de la relatividad de Einstein, el modelo que, milenios después, revolucionaría nuestra imagen del universo demostrándonos cosas tan poco intuitivas como que la masa de un objeto se incrementa con la velocidad o que el ritmo al que transcurre el tiempo no es absoluto, porque depende tanto de la velocidad a la que te desplazas como de la intensidad del campo gravitatorio en el que estás metido.
Ya, pero si nos ponemos tiquismiquis, eso mismo se podría decir de casi cualquier fenómeno físico que vieran nuestros antepasados, porque muchos acabarían dando pie a algún descubrimiento interesante en el futuro.
Qué manera de reventarme la licencia poética, voz cursiva. Hasta me has quitado las ganas de hacer una transición forzada al siguiente capítulo, en el que veremos cuál es la relación entre el color y el calor.