El COLOR de la Naturaleza, mezcla de la Física, Química y Biología

El COLOR dependiente de la Estructura Molecular y sus vibraciones

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Es muy interesante observar el agua contenida en un recipiente de vidrio "transparente" y compararla con la translucidez del agua contenida en el mar, inmediatamente notamos una diferencia en la sensación de color azul en esta última. ¿Por qué la diferencia si se trata de la misma molécula de agua, H₂O? En este post veremos la explicación de 3 casos que involucran a la Física, Química y Biología en sistemas moleculares de nuestra Naturaleza.

Representación química del Benceno

En la representación química de este Hidrocarburo, existen diferentes nomenclaturas para indicar que una molécula de Benceno está constituida por 6 átomos de Carbono y 6 átomos de Hidrógeno en un anillo cerrado (Benceno), pero entre las características más resaltantes están: solvente de pintrura y adhesivos, disolvente de aceites, aditivo en la gasolina y para lo que a mí me concierne, es incoloro! Esta misma propiedad la presenta el agua que les mencioné, contenida en un recipiente de vidrio transparente, también es incolora.

Espectro electromagnético y Absorción del Agua. Autor: Gerd Hoffmann

Esta característica es diferente si se tratase de un gas compuesto de átomos, por ejemplo de gas Neón, el cual produciría una emisión de luz con longitudes de ondas características al rojo (el gas Xenón emite en la región azul), comparada con el Ne o molécula de Ne₂ que no presenta coloración. Lo mismo sucede con el Oxígeno que compone la molécula de H₂O, siendo que el átomo de O tendría una emisión con un pico agudo, mientras que la molécula de O2 presenta un espectro molecular con esa línea aguda (pico) con otras bandas extendidas, las cuales están relacionadas a la pigmentación que se pueda observar en estas moléculas por separado. En el caso particular del Agua, existen unos picos de absorción bastantes definidos en el Espectro ElectroMagnético (vea la figura anterior), donde existen zonas de baja absorción o máxima transmisión (reflexión) en la región del Espectro Visible, que da la sensación visual que el Agua es "transparente".

Transiciones energéticas moleculares. Autor: Tayrochemie

Les confieso que mi punto fuerte son las transiciones electrónicas, más que la Química y Biología, por lo que en esta sección donde los niveles de energía y saltos electrónicos entre las bandas HOMO y LUMO, es decir, los orbitales moleculares ocupados de alta y baja energía, respectivamente, siento que soy como pez en el agua. Por lo tanto, existen factores externos que pueden provocar que las transiciones electrónicas entre estas bandas, tengan contribuciones adicionales debido a la Rotación y Vibración de las moléculas. De tal manera, la diferencia energética entre las bandas HOMO y LUMO se representaría como:

ΔE = (Ee + Er + Ev)_LUMO - (Ee + Er + Ev)_HOMO = hν

siendo los niveles de energía: Ee = electrónico, Er = rotacional y Ev = vibracional.

Densidad y separación de niveles de energía. Autor: Mysterioso

A pesar que la densidad de estados y la separación entre los niveles de energía sean muy pequeños para remarcar el color de la molécula, se espera que un incremento mayor sí pueda incidir en la determinación del color de las moléculas bajo estudio.

 ¿Las moléculas inorgánicas tienen color?

Encontré una serie de elementos químicos de la tabla periódica que presentan una morfología relacionada con su estructura cristalina y sus colores dependen del estado energético y su estado de oxidación. Lo que resulta impresionante es que las moléculas inorgánicas en fase de vapor también presentan un color característico debido al nivel energético de sus enlaces moleculares, así podemos encontrar un amarillo verdoso en los vapores del halógeno Cl₂, al igual que el gas del Br₂ que es de color marrón rojizo.

Pigmentación del Cl2 gas. Autor: W. Oelen

Pigmentación del Br2 gas. Autor: Alchemist

En estas moléculas inorgánicas el solapamiento de los orbitales p en las bandas HOMO que están llenas hacia los estados desocupados en la banda LUMO, dando origen a la coloración de su fase gaseosa. En alturas cercanas a la Exósfera (500 Km) la concentración de moléculas de N₂, átomos de O y Ar se conglomeran para dar origen a las majestuosas Aurora Boreal y Austral cuando existe una pérdida de energía en forma de radiación luminosa en el rango del espectro visible.

Colores en la Aurora Boreal. Autor: S. Pettersen

Por último, debo mencionar el caso clásico de la Biología referido al color verde de las plantas, donde las hojas cumplen la función de fotosíntesis para suministrar los compuestos orgánicos para el funcionamiento vital de esta especie vegetal. Sin embargo, la pigmentación de las plantas no es exclusivamente de color verde y podemos encontrar algas marinas de color rojo a pesar que contiene clorofila a en sus ramificaciones.

 Pigmento Rojo en algas. Autor: P. Southwood

En este caso, la molécula Porphyrin Chlorophyll se encarga de aportar el color verde a las plantas, pero existe un detalle muy importante, ya que se divide en Clorofila a, b, c y d, mediante las relaciones de composición otorgan las tonalidades de color a las plantas. En la mayoría, la relación entre la clorofila b y a es de 3 a 1, por lo que la sensación visual que resalta es verde.

Espectro de absorción de la Clorofila a y b. Autor: D. Pugliesi

         Existen equipos de detección de la radiación infrarroja y ultravioleta que pueden aportar otro mecanismo de discriminación de colores, pero serán capaces de presentarnos otra gama de colores a longitudes de ondas más o menos distantes del rango de radiación visible! 

He leído algo relacionado y espero presentarlos en un próximo post.

Te recomiendo las siguientes referencias sobre este tema:

Moléculas que producen colores

Transiciones HOMO y LUMO

El Benceno

El color de las Moléculas (video)