¿Por qué mercury es un líquido a temperatura ambiente? Si hace esa pregunta en un aula escolar, probablemente se le dirá que la relatividad afecta a los orbitales de los metales pesados, contrayéndolos y cambiando la forma en que se unen. Sin embargo, la primera evidencia de que esta explicación es correcta acaba de ser publicada.

Un equipo internacional dirigido por Peter Schwerdtfeger de la Universidad de Massey Auckland en Nueva Zelanda utilizó la mecánica cuántica para hacer cálculos de la capacidad calorífica del metal, incluyendo o excluyendo efectos relativistas. Mostraron que si ignoraban la relatividad al hacer sus cálculos, el punto de fusión predicho del mercurio era de 82°C. Pero si incluían efectos relativistas, su respuesta coincidía estrechamente con el valor experimental de -39°C.

La relatividad establece que los objetos se vuelven más pesados cuanto más rápido se mueven. En los átomos, la velocidad de los electrones más internos está relacionada con la carga nuclear. Cuanto más grande es el núcleo, mayor es la atracción electrostática y más rápido tienen que moverse los electrones para evitar caer en él. Por lo tanto, a medida que avanzas por la tabla periódica, estos electrones 1s se vuelven más y más rápidos, y por lo tanto más pesados, causando que el radio del átomo se contraiga. Esto estabiliza algunos orbitales, que también tienen una naturaleza relativista propia, mientras desestabiliza a otros. Esta interacción significa que para elementos pesados como el mercurio y el oro, los electrones exteriores se estabilizan. En el caso de mercurio, en lugar de formar enlaces entre átomos de mercurio vecinos, los electrones permanecen asociados con sus propios núcleos, y fuerzas interatómicas más débiles, como los enlaces de van der Waals, mantienen unidos a los átomos.

En la década de 1960, Pekka Pyykkö, ahora en la Universidad de Helsinki, Finlandia, descubrió que el color del oro era el resultado de efectos relativistas. Demostró que los niveles de energía más bajos del orbital 6s de oro significan que la energía requerida para excitar un electrón de la banda 5d se encuentra en el rango de luz visible en lugar de UV. Esto significa que el oro absorbe la luz azul, al tiempo que refleja la luz amarilla y roja, y es esto lo que le da al metal su tono característico. Si las energías de las dos bandas se han calculado sin incluir efectos relativistas, la energía requerida es mucho mayor. Cálculos posteriores han mostrado posteriormente la influencia de la relatividad en el color y las longitudes de enlace de los compuestos de metales pesados, así como su importancia en la catálisis. Sin embargo, el bajo punto de fusión del mercurio solo podría describirse como «probablemente» debido a efectos relativistas.

«A un nivel especulativo y agitado, esta idea ha existido desde finales de la década de 1970″, explica Pyykkö, que no participó en la obra, » pero esta es la primera prueba cuantitativa.»

El equipo de Schwerdtfeger, en particular, ha estado trabajando en el problema durante un par de décadas. La razón de la demora, explica, fue que hasta hace poco las computadoras no podían completar los poderosos cálculos que el equipo realizó. «Se requería mucho tiempo de computadora», agrega, » y los algoritmos utilizados son más eficientes hoy en día.

Pero más allá de incluirlo en los libros de texto, lo que definitivamente hará este trabajo, Schwerdtfeger espera que al mostrar que su enfoque funciona, se pueda usar para calcular los puntos de fusión de otros sistemas metálicos.

Pero, lo que es más importante, la próxima vez que se le pregunte a un maestro sobre uno de los ejemplos más visibles de relatividad, sabrá que hay evidencia que respalda su explicación.