¿Por qué la mayoría de los metales son de color gris/plata?

Question

¿Por qué la mayoría de los metales (hierro, estaño, aluminio, plomo, zinc, tungsteno, níquel, etc.) tienen un color plateado o gris? (¿Qué características atómicas determinan el color?)

¿Qué hace que el cobre y el oro tengan colores diferentes?

Answer 1

¿Por qué la mayoría de los metales tienen un color plateado, siendo el oro una excepción?

No es de extrañar que la respuesta a esta pregunta se base en gran medida en la teoría cuántica, pero a la mayoría de la gente le sorprenderá saber que la respuesta completa incluye consideraciones relativistas. Así que estamos hablando de efectos relativistas cuánticos.

La parte cuántica de la historia nos dice que el color de metales como la plata y el oro es una consecuencia directa de la absorción de fotones por parte de los electrones d. Esta absorción de fotones hace que los electrones d salten a los orbitales s. Normalmente, y desde luego en el caso de la plata, la transición 4d->5s tiene una gran separación energética que requiere fotones ultravioleta para permitir la transición. Por lo tanto, los fotones con frecuencias en la banda visible no tienen suficiente energía para ser absorbidos. Con todas las frecuencias visibles reflejadas, la plata no tiene color propio: es reflectante, aspecto que denominamos "plateado".

Ahora la parte relativista. Es importante darse cuenta de que los electrones en los orbitales s tienen una probabilidad mucho mayor de estar cerca del núcleo. Clásicamente hablando, estar cerca del núcleo significa mayores velocidades (véase la velocidad de los planetas interiores en el sistema solar con la de los planetas exteriores).

En el caso del oro (con un número atómico 79 y, por tanto, un núcleo muy cargado) esta imagen clásica se traduce en velocidades relativistas para los electrones en los orbitales s. Como resultado, se aplica una contracción relativista a los orbitales s del oro, lo que hace que sus niveles de energía se acerquen a los de los orbitales d (que están localizados lejos del núcleo y, en términos clásicos, tienen velocidades más bajas y, por tanto, están menos afectados por la relatividad). Esto desplaza la absorción de la luz (en el caso del oro, principalmente debido a la transición 5d->6s) del ultravioleta al rango azul de menor frecuencia. Así, el oro tiende a absorber la luz azul mientras refleja el resto del espectro visible. Esto provoca el tono amarillento que llamamos "dorado".

La reflectividad en función de la longitud de onda. La luz púrpura/azul corresponde a 400 - 500 nm, el extremo rojo del espectro visible a unos 700 nm.

Ver: el color del oro , química cuántica relativista .

Answer 2

D electrones en los metales permiten transiciones ópticas en el régimen visible. La luz visible puede ser absorbida por los elementos que tienen electrones de valencia no ligados en la capa d. Así,

Química: óptica d->s $^2$ transición

• Hierro [Ar] 3d $^6$ 4s $^2$
• Estaño [Kr] 4d $^{10}$ 5s $^2$ 5p (cáscara d completa)
• Aluminio [Ne] 3s $^2$ 3p $^1$ (es un caso especial: no hay electrones de valencia d, pero Reflectividad del aluminio . No tengo otra explicación que el cálculo de las ecuaciones de Fresnel. Sin embargo, no puedo entender la razón de esta distinción).
• Plomo [Xe] 4f $^{14}$ 5d $^{10}$ 6s $^2$ 6p $^2$ (cáscara d completa)
• Zinc [Ar] 3d $^{10}$ 4s $^2$ (cáscara d completa)
• Tungsteno [Xe] 4f $^{14}$ 5d $^4$ 6s $^2$
• Níquel [Ar] 4s $^2$ 3d $^8$ o 4s $^2$ 3d $^9$
• Cobre [Ar] 3 $d^{10}$ 4 $\mathbf{s^1}$ (una s y una d completa)
• Oro [Xe] 4f $^{14}$ 5d $^{10}$ 6 $\mathbf{s^1}$ (una s y una d completa)

Los metales brillantes, excepto el aluminio, tienen electrones d. Un solo electrón s y una cáscara d completa dan a entender una importante relación entre d y s $^2$ transición orbital en el espectro visible. Se prefiere energéticamente una cáscara s completa. No parece haber ninguna explicación para el aspecto coloreado del oro y el cobre, aparte de una configuración electrónica distintiva - al menos la química no proporciona una respuesta.

Física: cambio de signo de $\epsilon(\lambda)$ cerca del azul

Si la luz absorbida se reemite (de hecho se refleja) para el todo el espectro visible El metal aparece brillante como un espejo. De hecho, nuestros espejos de baño están hechos de un vidrio recubierto de aluminio.

Aquí la física tiene que explicar algo más que "hay un electrón de valencia d". Una segunda razón más física no describe su origen: La reflectividad, fuera del Ecuaciones de Fresnel utilizando $$n=\sqrt{\epsilon_r\cdot \mu_r}\qquad\text{with}\qquad \epsilon_r=1-\frac{n_e e^2}{\epsilon_0m\omega^2}\qquad\text{with a sign change at}\qquad \omega=\omega_p$$

fuera del Modelo de gas de electrones libres de Drude para los electrones (y la densidad de electrones $n_e$ ), es alto en todo el espectro visible para estos metales. Este cambio de signo en $\omega=\omega_p$ La frecuencia del plasma es la razón de un cambio $\epsilon_r$ Por lo tanto, un índice de refracción cambiante $n$ Debido a las ecuaciones de Fresnel, una reflectividad cambiante. Si este cambio se produce en el espectro visible, entonces hay reflejos de color como el oro. La absorción azul del oro se produce porque hay que tener en cuenta la relatividad especial para este elemento pesado. Ver la respuesta superior. El cobre y el oro no tienen una alta reflectividad para el azul ( $\approx 475\,$ nm).

Answer 3

Tomado de http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

"El color de los metales puede explicarse mediante la teoría de bandas, que supone que los niveles de energía superpuestos forman bandas.

En las sustancias metálicas, las bandas de conducción vacías pueden solaparse con las bandas de valencia que contienen electrones. Los electrones de un determinado átomo pueden pasar a un estado superior, con poca o ninguna energía adicional. Se dice que los electrones exteriores están "libres" y listos para moverse en presencia de un campo eléctrico.

El nivel de energía más alto ocupado por los electrones se llama energía de Fermi, nivel de Fermi o superficie de Fermi.

Por encima del nivel de Fermi, los niveles de energía están vacíos (vacío en el cero absoluto), y pueden aceptar electrones excitados. La superficie de un metal puede absorber todas las longitudes de onda de la luz incidente, y los electrones excitados saltan a un nivel de energía superior desocupado. Estos electrones pueden caer con la misma facilidad al nivel de energía original (después de un corto tiempo) y emitir un fotón de luz de la misma longitud de onda.

Así, la mayor parte de la luz incidente se reemite inmediatamente en la superficie, creando el brillo metálico que vemos en el oro, la plata, el cobre y otros metales. Por eso la mayoría de los metales son blancos o plateados, y una superficie lisa será muy reflectante, ya que no permite que la luz penetre en profundidad.

Si la eficiencia de absorción y reemisión es aproximadamente igual en todas las energías ópticas, entonces todos los diferentes colores de la luz blanca se reflejarán igualmente bien. Esto da lugar al color plateado de las superficies de hierro y plata pulidas.

Para la mayoría de los metales, una única banda continua se extiende desde las energías de valencia hasta las energías "libres". Los electrones disponibles llenan la estructura de banda hasta el nivel de la superficie de Fermi.

Si la eficiencia disminuye con el aumento de la energía, como es el caso del oro y el cobre, la reducción de la reflectividad en el extremo azul del espectro produce colores amarillos y rojizos.

La plata, el oro y el cobre tienen configuraciones electrónicas similares, pero los percibimos con colores muy distintos .

Oro cumple todos los requisitos para una intensa absorción de luz con energía de 2,3 eV (desde la banda 3d hasta por encima del nivel de Fermi). El color que vemos es el amarillo, ya que se reemiten las longitudes de onda correspondientes.

Cobre tiene una fuerte absorción a una energía ligeramente inferior, siendo el naranja el que más se absorbe y reemite.

Plata . El pico de absorción se encuentra en la región ultravioleta, a unos 4 eV. Como resultado, la plata mantiene una alta reflectividad en todo el espectro visible, y la vemos como un blanco puro. Las energías más bajas correspondientes a todo el espectro visible de color se absorben y reemiten por igual, lo que hace que la plata sea una buena opción para las superficies de los espejos.

Answer 4

Esta cuestión tiene otro aspecto interesante que tiene más que ver con la neurociencia que con la física: ¿por qué percibimos los metales de color neutro (como la plata) como grises, incluso porque son brillantes y, por tanto, simplemente reflejan los colores de su entorno?

Una de las respuestas es que estos metales siempre tienen cierta rugosidad y, por tanto, dispersan la luz desde distintos ángulos, y estos rayos suelen tener distintas longitudes de onda. La mezcla de estas longitudes de onda tiende a desaturar el color percibido, y lo desplaza hacia un tono neutro. Sin embargo, algunos experimentos sencillos sugieren que hay algo más que esto. Incluso cuando la superficie refleja un color dominante, nuestra percepción del color de la superficie es gris.

La razón está relacionada con la forma en que el cerebro procesa la información sobre el color. Constancia del color asegura que nuestra percepción se ajusta al sesgo del color en las condiciones de luz ambiental: tendemos a percibir el color intrínseco de un objeto más que el color de la luz que se refleja en él. La aparente grisura de las superficies metálicas (tanto brillantes como mates) parece ser una variante interesante de este fenómeno.

Answer 5

Empecemos por lo que significa fundamentalmente "esa cosa es de color X":

Se nota que la plata no es uno de los colores aquí. Sin embargo, el plateado se parece MUCHO al blanco, como veremos en un segundo.

Hay otro factor que interviene, llamado reflexión especular o difusa.

El blanco refleja todas las longitudes de onda de forma difusa (los rayos reflejados van en todas direcciones). El plateado (por ejemplo, un espejo) refleja todas las longitudes de onda de forma especular (los rayos reflejados rebotan muy bien).

Ahora bien, los metales no tienen por qué parecerse siempre a los espejos: a menudo son más irregulares, por lo que su reflejo es un poco difuso en lugar de totalmente especular.

De todos modos, la cuestión es que "color plata" significa "refleja todas las longitudes de onda especularmente (más o menos)".

¿Por qué estos metales reflejan la mayor parte de la luz visible? Porque tienen muchos electrones libres (por eso también son buenos conductores). Cuando la luz (radiación electromagnética) incide en la superficie de un metal, es absorbida por los electrones que orbitan alrededor de los átomos del metal y reemitida cuando los electrones vuelven a una configuración más estable. El tamaño de los huecos de banda determina las frecuencias que se absorben y emiten.

Un metal coloreado como el oro tiene la mayoría de estas propiedades, pero sólo absorbe un poco de radiación en la zona verde-azul-violeta. Por lo tanto, todo lo que refleja hacia fuera tiene un poco de luz verde-azul eliminada y el resultado parece (por sustracción) rojo amarillento.

Un metal como el plomo también tiene la mayoría de estas propiedades, pero absorbe un poco más de todo el espectro, por lo que parece gris.

PS Esta respuesta es proporcionada por "Ian Pollock, Sci/Phil dilettante" en quora.com .