Некоторые фундаментальные свойства металлических элементов золота, серебра и меди, такие как химическое поведение или цвет, уже предопределены в их атомах. Уникальные свойства золота во многом можно объяснить теорией относительности Альберта Эйнштейна. Химики из Гейдельбергского университета смогли продемонстрировать это в своих исследованиях карбенов золота, серебра и меди. Они исследовали только отдельные атомы каждого металла, чтобы сравнить три элемента.
Результаты этого исследования под руководством профессора доктора Бернд Штрауб были опубликованы в немецком и международном изданиях журнала Angewandte Chemie по прикладной и фундаментальной химии.Свойства химических элементов периодически повторяются, поскольку связанные элементы обладают одинаковым количеством электронов в соответствующей внешней оболочке и отличаются только из-за дополнительных внутренних электронных оболочек.
К такой группе родственных элементов относятся медь, серебро и золото. «Сравнение металлической меди, металлического серебра и металлического золота с их многочисленными соседними атомами металлов никогда не было проблемой, поскольку чистые металлы существуют уже тысячелетия», — объясняет профессор Штрауб, лектор и исследователь Института органической химии. Однако он и его команда смогли установить различия отдельных атомов — в идентичной в остальном молекуле, с которой атомы металла очень сильно взаимодействуют с атомом углерода через двойные связи.Ученые из Гейдельберга начали свои исследования с карбенов золота, которые представляют собой обычно нестабильную — из-за высокой реакционной способности — двойную связь между углеродом и золотом. Однако, используя химический «трюк», профессор Штрауб и его команда нашли способ получить и изолировать стабильный комплекс карбена золота для исследовательских целей.
На следующих этапах им удалось получить и охарактеризовать карбен меди и карбен серебра с идентичной структурой, хотя оба эти соединения были гораздо более чувствительными и нестабильными, чем карбен золота. Тем не менее, эти комплексы позволили ученым провести подробное сравнение трех элементов группы металлов чеканки — меди, серебра и золота — в масштабе молекулы. Путем кристаллизации особенно нестабильного карбена серебра они смогли определить длину связи между серебром и углеродом с двойной связью с помощью рентгеноструктурного анализа.
Затем они сравнили это с более короткой и прочной связью между золотом и углеродом.Из своих наблюдений исследователи заключают, что свойства золота в основном определяются «релятивистскими эффектами». Эти эффекты вступают в силу в физике, когда явление уже нельзя назвать «классическим».
В химии это относится к свойствам определенных элементов. Релятивистские эффекты происходят из теории относительности Альберта Эйнштейна с хорошо известной формулой E = mc2, с помощью которой Эйнштейн установил связь между энергией, массой и скоростью света. «Из стабильных элементов предсказанные релятивистские эффекты наиболее заметны для золота», — говорит профессор Штрауб. Хорошо известный пример — разительная разница в цвете между металлическим желтым золотом и бесцветным серебристым металлом.Бернд Штрауб объясняет, что из-за притяжения 79-кратного положительно заряженного ядра золота отрицательно заряженные электроны золота достигают таких высоких скоростей, близких к скорости света (c), что дополнительная энергия движения (E) не может существенно увеличить их скорость.
Вместо этого эти электроны увеличивают свою массу (m). Этот эффект проявляется во внешней электронной оболочке, которая активна и, таким образом, отвечает за химическое поведение, цвет и свойства металлов чеканки.
В случае золота это приводит к усилению его связей. Таким образом, соединения золота имеют больше шансов, например, активировать тройную связь между двумя атомами углерода. Сравнение металлических элементов золота, серебра и меди с углеродом с двойной связью в каждом случае показало, что атомное поведение золота больше похоже на медь, чем на серебро, хотя серебро является его прямым соседом в периодической системе.
Результаты исследований химиков из Гейдельберга подтверждают, что теория относительности Эйнштейна не только играет решающую роль в астрономии и космических путешествиях с их огромными расстояниями. Проф.
Штрауб также подчеркивает его значение в мире электронов, атомов и молекул.