A cor do ouro

O ouro é um material muito singular entre os metais, por conta de sua cor amarelada e brilhante (a cor dourada), que é bem diferente da maioria absoluta dos demais metais na tabela periódica – à exceção do cobre, que é avermelhado, e do césio, que também é dourado (ambos por motivos um pouco diferentes do ouro).

Mas porque o ouro tem esse coloração tão diferente dos outros metais?

A explicação para a cor dourada do ouro é relativamente complexa, pois envolve dois conceitos científicos, um da química e um da física: química dos orbitais eletrônicos e a famosa Teoria da Relatividade de Einstein. Vou tentar tratá-la de forma simplificada aqui (tenho uma formação na área de química, então, me desculpem se eu soar muito técnico!). Vamos lá.

A maioria dos metais é prateada, como provavelmente você já percebeu. Isso ocorre porque quando a luz branca (que contém todas as cores do arco-íris) incide sobre a superfície de um metal como a prata ou o estanho, os elétrons na camada mais externa dos átomos absorvem a energia dos fótons (“partículas de luz”) e saltam para um nível de energia mais alto. Como esses elétrons se movem com muita facilidade, eles reemitem quase que imediatamente toda a luz visível de volta. Como todas as cores são refletidas igualmente, nossos olhos enxergam o metal como um “espelho” prateado ou esbranquiçado, pois ele apenas reflete a luz que recebe sem alterações significativas.

Com o ouro é diferente. Ele é um elemento muito pesado, com 79 prótons em seu núcleo (portanto, elemento 79 na tabela periódica). Esse núcleo possui uma carga positiva muito grande, que exerce uma força de atração absurdamente forte sobre os elétrons que orbitam mais perto dele (especialmente os do orbital mais interno 1s). Para não serem puxados e colidirem com o núcleo, esses elétrons internos precisam orbitar a velocidades incrivelmente altas: chegam a cerca de 58% da velocidade da luz.

Segundo a Teoria da Relatividade de Einstein, quando um objeto se move a uma velocidade próxima à da luz, sua massa relativa aumenta. No caso dos elétrons internos do ouro, a sua massa aumenta em cerca de 20%.

Esse aumento de massa faz com que os orbitais internos se contraiam, ficando mais próximos do núcleo. Isso acaba afetando os orbitais mais externos dos átomos, especificamente os orbitais 5d e 6s. Na prática, a distância de energia (bandgap)* entre esses dois orbitais externos diminui bastante.

Assim, com o bandgap reduzido devido aos efeitos relativísticos ocorre o seguinte:

• Em metais como a prata, a energia necessária para fazer um elétron saltar é alta, correspondendo à luz ultravioleta (invisível para nós). Por isso, ela reflete toda a luz visível e parece prateada.
• No ouro, a energia necessária acaba caindo exatamente na faixa da luz azul e violeta.

Desse modo, quando a luz branca atinge o ouro, ele absorve a luz azul e violeta. Como a luz azul é “retirada” do espectro refletido, o que sobra e chega até os nossos olhos é a mistura das cores complementares: vermelho, laranja e verde.

A combinação dessas frequências de luz resulta no tom amarelo-ouro que enxergamos. Não fossem os efeitos descritos por Einstein, o ouro seria visualmente indistinguível da prata e de outros metais, ou seja, prateado. É isso.

*Obs.: Em física do estado sólido, o bandgap (ou intervalo de banda) é a distância ou diferença de energia entre a banda de valência (onde os elétrons estão ligados aos átomos) e a banda de condução (onde eles se movem livremente). Ele representa a quantidade mínima de energia necessária para excitar um elétron e torná-lo livre para conduzir eletricidade.

Mas e os outros metais?

Mas por que outros elementos tão ou mais pesados que o ouro não são dourados também?

O encolhimento orbital e os efeitos relativísticos explicados anteriormente ocorrem em todos os elementos pesados, mas como vimos o ouro é uma espécie de “caso perfeito” onde a física e a química se combinam de forma a mudar sua cor na faixa visível do espectro.

Nos elementos vizinhos ao ouro na tabela periódica, ou o efeito não é forte o suficiente, ou ele é tão forte que acaba jogando a absorção de luz para fora do que os nossos olhos conseguem ver.

Para entender melhor por que os vizinhos do ouro são metais prateados, vamos analisar elementos os vizinhos a ele na tabela periódica:

A Prata (Ag, 47 prótons) e a Platina (Pt, 78 prótons)

• A Prata: Se encontra logo acima do ouro na tabela, pertencendo à mesma família. Com 47 prótons, seu núcleo não é massivo o suficiente para fazer os elétrons atingirem velocidades relativísticas significativas. Por isso, transição de energia entre seus orbitais (de 4d para 5s) permanece muito alta, absorvendo apenas luz ultravioleta, que de qualquer forma é invisível a nossos olhos.

• A Platina: Tem 78 prótons (só um a menos que o ouro). Nela, os efeitos relativísticos já são fortíssimos, mas a sua configuração eletrônica é um pouquinho diferente. A platina tem um orbital 5d incompleto. Por causa disso, a diferença de energia necessária para excitar seus elétrons ainda fica na faixa do ultravioleta próximo. Ela absorve uma quantidade ínfima de azul (quase imperceptível, mas com atenção conseguimos enxergar), o que dá à platina um tom prateado levemente mais “escuro” ou denso que a prata, mas ainda sim, prateado.

O Mercúrio (Hg, 80 prótons)

O mercúrio vem logo depois do ouro e sofre efeitos relativísticos ainda maiores. O núcleo com 80 prótons atrai os elétrons com tanta força que a camada 6s fica completamente cheia (com dois elétrons) e extremamente contraída e estável.

Por causa dessa estabilidade extrema (quase como a de um gás nobre), os elétrons do mercúrio não “querem” compartilhar ligações com outros átomos de mercúrio, o que faz com que ele seja líquido à temperatura ambiente.

Falando da cor, a energia necessária para fazer um elétron saltar dessa camada 6s ultra estável para a próxima é muito alta, caindo novamente na faixa do ultravioleta. Assim, ele reflete toda a luz visível e parece um espelho líquido prateado.

Elementos ainda mais pesados: Chumbo (Pb, 82 prótons) e Bismuto (Bi, 83 prótons)

Conforme avançamos para elementos ainda mais pesados, a estrutura de orbitais muda completamente porque começamos a preencher os orbitais 6p. A introdução e o comportamento dos elétrons nos orbitais p mudam bem a dinâmica das transições de energia. Assim:

• No chumbo e no bismuto, a transição de menor energia não envolve mais o salto de d para s que ocorre nos metais de transição (como ouro e cobre).

• As transições eletrônicas nesses metais voltam a exigir energias que estão fora do espectro visível (ou cobrem o espectro visível de forma uniforme e opaca) que eles refletem a luz de maneira difusa, parecendo cinzentos ou prateados. De novo, conseguimos perceber que existe uma diferença: é perfeitamente possível distinguir visualmente pedaços de chumbo, prata, platina ou bismuto, mas todos continuam sendo prateados (acinzentados). Não mudam de cor.

Mas o Cobre? Ele é avermelhado!

Se os elementos mais pesados não são coloridos, por que o cobre (Cu, 29 prótons) é avermelhado? O cobre é leve e quase não sofre efeitos relativísticos.

O cobre é colorido por um motivo puramente de física quântica tradicional. Por ser um átomo menor, a proximidade natural de seus orbitais 3d e 4s já possui, por si só, a distância de energia exata para absorver a luz azul/verde, sem precisar da “ajuda” da relatividade de Einstein.

O ouro, se seguisse a tendência natural do seu grupo (Cobre → Prata → Ouro), deveria ter orbitais mais afastados e também ser prateado. O efeito relativístico atua no ouro justamente para “corrigir” essa tendência, espremendo seus orbitais e fazendo-o imitar o comportamento do cobre, com uma diferença de cor.

Resumo

O ouro é uma espécie de anomalia perfeita da Natureza. Ele possui exatamente a quantidade de prótons necessária para que o efeito relativístico ajuste o bandgap eletrônico de forma bem precisa na frequência da luz azul. Se ele tivesse um próton a menos (como no caso da Platina) ou um a mais (como no Mercúrio), esse ajuste passa do ponto, jogando a absorção de luz de volta para o  ultravioleta invisível, e, assim, não ocorrendo nenhuma alteração na cor da luz que é refletida – e aí ele pareceria, como a maioria dos metais, prateado.