Los campos eléctricos aportan una nueva dimensión al debate sobre el tamaño atómico | Búsqueda
¿Qué tan grande es un átomo? En el orden de los ångströms, los científicos están de acuerdo, pero dar una cifra precisa a un elemento dado es más complicado. Para iones y moléculas, aún más.
Las respuestas se ofrecieron a partir de una variedad de fuentes empíricas, desde la compresibilidad y la estructura cristalina hasta la refracción óptica y la polaridad eléctrica que se utilizan para cuantificar lo que se conoce como el radio de Van der Waals, llamado así por el científico que teorizó sobre el tamaño molecular finito en los gases. Los investigadores también recurrieron a la mecánica cuántica y la computación, calculando las funciones de onda de los electrones, las nubes de probabilidad que rodean a los átomos, y utilizando un valor de corte sensible para marcar un límite atómico.
Un equipo de la Universidad de Oregón, en Estados Unidos, ha propuesto ahora una nueva métrica: el campo eléctrico que rodea a cada átomo. Dirigido por cristobal hendondesarrollaron un paquete de software para calcular este campo eléctrico, que surge bajo la influencia neta del núcleo y los electrones del átomo, y cuantificar su extensión en el espacio.
Para los átomos neutros que no interactúan, la carga de los electrones equilibra el núcleo, cancelando el campo eléctrico más allá. De hecho, usando su método basado en el campo, los cálculos del equipo estaban en línea con los valores establecidos. «Coincidimos estrechamente con los rayos de Van der Waals aceptados», dice Hendon. Esa es una buena prueba de cordura.
Los iones son donde, en palabras de Hendon, el modelo ‘realmente cambia a lo interesante’, como se ilustra para el caso de Mg2+. Bajo la medida convencional de densidad electrónica, este catión es más compacto que su contraparte neutra, debido a la falta de sus electrones externos. La imagen del campo eléctrico, sin embargo, muestra un aumento de tamaño. Esto se debe a que la carga nuclear ya no está completamente protegida por electrones, por lo que el campo puede penetrar más en el espacio.
La ventaja de este enfoque, argumenta Hendon, es que corresponde a la región a la que afecta el ion, que puede ser más relevante que la región que ocupa, especialmente al elegir materiales para aplicaciones. El resultado para mg2+, sugiere, puede explicar por qué las baterías de iones de magnesio no funcionan bien. «El magnesio se pega a todo… No se mueve tan fácilmente, a diferencia de otros iones».
También para los aniones, el modelo saca conclusiones sorprendentes, especialmente al comparar elementos. Bajo el modelo basado en campo, un Br– ion termina siendo más grande que yo–y F– es aún más grande. Esta inversión ocurre porque el electrón adicional en un ion bromuro tiene su campo controlado por el núcleo más grande. «Básicamente estás diluyendo la carga negativa para especies más positivas», explica Hendon.
Santiago Álvarez, experto en estructura electrónica de la Universidad de Barcelona, España, advierte contra una interpretación demasiado literal. «Para comparar con una situación macroscópica, ¿definiríamos el tamaño de un imán como la extensión de algún corte de su campo magnético?» él pide.
Álvarez, quien también ha trabajado en la cuantificación del tamaño atómico, señala que el campo eléctrico es solo uno de los medios por los cuales los átomos cercanos pueden interactuar, siendo otros la repulsión de Pauling, la dispersión orbital y las interacciones espín-espín. Y destaca las complicaciones que pueden surgir cuando los átomos forman enlaces: ‘¿Cómo podríamos aplicar el radio de Fe3+ [calculated by Hendon’s team as approximately 4.2Å]para especies como FeO45- anión, donde los átomos de oxígeno están a sólo 1,90 Å del núcleo de hierro?
Hendon desea enfatizar que su enfoque debe complementar, no reemplazar, los existentes. Los rayos de Van der Waals están respaldados por datos experimentales. Eso fue extremadamente valioso.
