Τα χρώματα των ρουμπίνι και των σμαραγδένιων είναι τόσο εντυπωσιακά που καθορίζουν τις αποχρώσεις του κόκκινου και του πράσινου – ρουμπίνι κόκκινο και σμαραγδένιο πράσινο. Αλλά έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς παίρνουν αυτά τα χρώματα;
Είμαι ανόργανος χημικός. Οι ερευνητές στο πεδίο μου εργάζονται για να κατανοήσουν τη χημεία όλων των στοιχείων που αποτελούν τον περιοδικό πίνακα. Πολλοί ανόργανοι χημικοί επικεντρώνονται στα μεταβατικά μέταλλα – τα στοιχεία στη μέση του περιοδικού πίνακα. Τα μεταβατικά μέταλλα περιλαμβάνουν τα περισσότερα από τα μέταλλα που γνωρίζετε, όπως το Iron (FE) και το χρυσό (AU).
Ένα χαρακτηριστικό των ενώσεων που παρασκευάζονται με μεταβατικά μέταλλα είναι το έντονο χρώμα τους. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα στη φύση, συμπεριλαμβανομένων των πολύτιμων λίθων και των χρωστικών βαφής. Ακόμη και το χρώμα του αίματος προέρχεται από την αιμοσφαιρίνη πρωτεΐνης, η οποία περιέχει σίδηρο.
Η διερεύνηση των χρωμάτων των ενώσεων που περιέχουν μεταβατικά μέταλλα σας οδηγεί σε κάποια πραγματικά εκπληκτική επιστήμη – αυτό είναι μέρος αυτού που με επέστησε για να μελετήσω αυτόν τον τομέα.
Τα ρουμπίνια και τα σμαράγδια είναι εξαιρετικά παραδείγματα για το πώς μια μικρή ποσότητα μεταβατικού μετάλλου-σε αυτή την περίπτωση, χρωμίου-μπορεί να δημιουργήσει ένα όμορφο χρώμα σε αυτό που διαφορετικά θα ήταν ένα αρκετά βαρετό ορυκτό.
Ορυκτά και κρύσταλλα
Τα ρουμπίνια εμφανίζονται κόκκινα επειδή απορροφούν μπλε και πράσινο φως.
Τόσο τα ρουμπίνια όσο και τα σμαράγδια είναι ορυκτά, τα οποία είναι ένας τύπος βράχου με συνεπή χημική σύνθεση και μια δομή πολύ διατεταγμένης σε ατομικό επίπεδο.
Όταν αυτή η εξαιρετικά διατεταγμένη δομή εκτείνεται και στις τρεις διαστάσεις, το ορυκτό γίνεται κρύσταλλο.
Με μια θεωρία που αναπτύχθηκε από τους φυσικούς στη δεκαετία του 1920 που ονομάζεται Crystal Field Theory, οι επιστήμονες μπορούν να εξηγήσουν γιατί τα ρουμπίνια και τα σμαράγδια έχουν τα χρώματα που κάνουν. Η θεωρία του κρυστάλλου πεδίου κάνει τις προβλέψεις για το πώς επηρεάζεται η δομή ενός μεταβατικού μεταλλικού ιόντος από τα άλλα άτομα που την περιβάλλουν.
Τα ρουμπίνια αποτελούνται κυρίως από το ορυκτό corundum, το οποίο αποτελείται από τα στοιχεία του αλουμινίου και του οξυγόνου σε μια κανονική, επαναλαμβανόμενη συστοιχία. Κάθε ιόν αλουμινίου περιβάλλεται από έξι ιόντα οξυγόνου.
Τα σμαράγδια αποτελούνται κυρίως από το ορυκτό βηρύλη, το οποίο είναι κατασκευασμένο από τα στοιχεία βηρυλλίου, αλουμινίου, πυρίτιο και οξυγόνο. Η κρυσταλλική δομή του Beryl είναι πιο περίπλοκη από το Corundum λόγω των πρόσθετων στοιχείων του τύπου, αλλά κάθε ιόν αλουμινίου περιβάλλεται και πάλι από έξι ιόντα οξυγόνου.
Το Pure Corundum και το Beryl είναι άχρωμες. Τα λαμπρά χρώματα των ρουμπίνι και των σμαραγδένιων προέρχονται από την παρουσία πολύ μικρών ποσοτήτων χρωμίου. Το χρωμίου αντικαθιστά περίπου το 1% του αλουμινίου στο κρύσταλλο Corundum ή Beryl όταν ένα ρουμπίνι ή σμαραγδένιο σχηματίζει υπόγεια σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση.

Αλλά πώς μπορεί ένα στοιχείο – χρωμίου – να δημιουργήσει το κόκκινο χρώμα ενός ρουμπίνι και πράσινου χρώματος ενός σμαράγδι;
Έγχρωμη επιστήμη
Τα ρουμπίνια και τα σμαράγδια έχουν τα χρώματα που κάνουν επειδή, όπως και πολλές ουσίες, απορροφούν μερικά χρώματα φωτός. Το πιο ορατό φως, όπως το φως του ήλιου, αποτελείται από όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου: κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, indigo και βιολετί. Αυτά τα χρώματα αποτελούν το ορατό φάσμα φωτός, το οποίο είναι εύκολο να θυμόμαστε ως Roy G Biv.
Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους τα αντικείμενα έχουν ένα χρώμα είναι επειδή απορροφούν ένα ή περισσότερα από αυτά τα ορατά χρώματα του φωτός. Εάν μια ουσία απορροφά, για παράδειγμα, κόκκινο φως, αυτό σημαίνει ότι το κόκκινο φως παγιδεύεται στην ουσία και τα άλλα χρώματα αντανακλούν πίσω στα μάτια σας. Το χρώμα που βλέπετε είναι το άθροισμα του υπόλοιπου φωτός, το οποίο θα είναι στην περιοχή πράσινου προς μπλε. Εάν μια ουσία απορροφήσει μπλε, θα φαίνεται κόκκινο ή πορτοκαλί σε σας.
Σε αντίθεση με το άχρωμο ιόν αλουμινίου, το ιόν χρωμίου απορροφά το μπλε και το πράσινο φως όταν περιβάλλεται από τα ιόντα οξυγόνου. Το κόκκινο φως αντανακλάται πίσω, γι ‘αυτό βλέπετε στα ρουμπίνια.
Σε ένα σμαραγδένιο, παρόλο που το χρωμίου περιβάλλεται από έξι ιόντα οξυγόνου, υπάρχει μια ασθενέστερη αλληλεπίδραση μεταξύ του χρωμίου και των γύρω ιόντων οξυγόνου. Αυτό οφείλεται στην παρουσία πυριτίου και βηρυλλίου στο κρυστάλλινο βηρυλ. Αναγκάζουν το σμαράγδι να απορροφήσει μπλε και κόκκινο φως, αφήνοντας το πράσινο για να δείτε.
Η ικανότητα συντονισμού των ιδιοτήτων των μεταβατικών μετάλλων όπως το χρωμίου μέσω της αλλαγής αυτού που περιβάλλει είναι μια βασική στρατηγική στον τομέα της ανόργανης χημείας. Κάτι τέτοιο μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τη βασική επιστήμη των ενώσεων που περιέχουν μέταλλο και το σχεδιασμό χημικών ενώσεων για συγκεκριμένους σκοπούς.
Μπορείτε να απολαύσετε τα εκπληκτικά χρώματα των πολύτιμων λίθων, αλλά μέσω της χημείας, μπορείτε επίσης να δείτε πώς η φύση δημιουργεί αυτά τα χρώματα χρησιμοποιώντας μια ατελείωτη ποικιλία σύνθετων δομών που κατασκευάζονται με τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα.
Ο Daniel Freedman είναι ο Κοσμήτορας του Κολλεγίου Επιστημών, Τεχνολογίας, Μηχανικών, Μαθηματικών & Διαχείρισης, Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Stout.Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από Η συνομιλία.
Δημοσιευμένος – 05 Φεβρουαρίου 2025 02:36 μμ IST