Почему ртуть жидкая?

Мы склонны думать о металлах как о чем-то твердом, прочном и устойчивом к высоким температурам — достаточно взглянуть на железо, алюминий или сталь. Но ртуть является исключением; он плавится при температуре всего 38,8 градусов по Цельсию и является одним из двух химических элементов, которые являются жидкими при комнатной температуре. Портал livescience.com объяснил, почему ртуть так отличается от других металлов.

Атомы ртути, как и атомы всех других материалов, соединены металлической связью — сетью положительно заряженных ионных частиц, окруженных свободными электронами. Статическое притяжение между этими частицами с противоположными зарядами действует как клей, скрепляющий металл. Эта структура объясняет многие другие характерные свойства металлов, такие как электропроводность и формуемость. Но за температуру плавления отвечает сила электростатического притяжения.

Поэтому доступность внешних электронов для создания этого моря является ключевым фактором. Чем положительнее центр металла и чем больше вокруг него свободных электронов, тем сильнее притяжение, и это правило обычно сохраняется, когда вы двигаетесь по столу слева направо.

Ртуть — металл 12-й группы; теоретически он имеет 12 внешних электронов, которые могут участвовать в металлической связи. Однако все эти электроны находятся в «заполненных подоболочках». При заполнении они становятся более стабильными и менее склонными к делокализации. Из-за этого ртуть очень неохотно делится своими электронами даже с другими атомами ртути.

Однако эффект заполненной подоболочки недостаточно велик, чтобы объяснить необычно низкую температуру плавления ртути. Не говоря уже о том, что прочность связи металла (и температура плавления) уменьшается при перемещении сверху вниз по таблице по мере увеличения атомов. По этой логике ртуть должна плавиться при 130 градусах Цельсия, что делает ее твердой при комнатной температуре.

Так почему же она нарушает правило? Жидкое состояние ртути почти полностью является результатом релятивистских эффектов. Ближе к низу таблицы Менделеева электроны самых тяжелых элементов подвержены сильному притяжению со стороны ядра объема. Оно настолько сильное, что электроны движутся почти со скоростью света. На этом этапе они больше не подчиняются законам классической физики, а квантовые явления, также называемые релятивистскими эффектами, приводят к неожиданным физическим свойствам.

Как отображаются эти свойства, зависит от элемента. Релятивистские эффекты особенно важны для 11-й и 12-й групп элементов, где встречаются золото и ртуть. По совпадению, странные физические свойства, возникающие в результате квантовых эффектов, наиболее заметны именно у этих элементов. Золото имеет очень необычный желтоватый оттенок, а ртуть при комнатной температуре жидкая. Они проявляют так называемые максимальные релятивистские эффекты, а внешние оболочки их атомов сильно сжаты — в случае ртути — на 20%.

Полная подоболочка, содержащая электроны, связанные с редкоземельными материалами, очень мало защищает другие электроны от ядерного заряда. То есть внешние электроны остаются гораздо ближе к ядру, чем обычно. Их масса увеличивается, релятивистские эффекты уменьшают доступность электронов для металлической связи — и, таким образом, температура плавления ртути падает ниже комнатной температуры. Хотя на уровне квантовой механики это объяснение сложно подкрепить соответствующими расчетами.