Почему ртуть — жидкая?

Мы привыкли думать о металлах как о чем-то твердом, прочном и устойчивом к высоким температурам — взгляните только на железо, алюминий или сталь. Но ртуть — исключение; она плавится при температуре всего 38,8 градусов Цельсия и является одним из всего двух химических элементов, принимающих жидкое состояние при комнатной температуре. Портал livescience.com рассказал, почему же ртуть так отличается от других металлов.

Секрет кроется в положении ртути в периодической таблице элементов и том, как она влияет на молекулярную связь металлов. Точка плавления прямо связана с прочностью связи: чем она выше, тем больше энергии (в форме тепла) необходимо, чтобы разрушить ее.

Атомы меркурия, как и атомы всех остальных материалов, связаны металлической связью — сеткой позитивно заряженных частиц-ионов, окруженных свободными электронами. Статическое притяжение между этими частицами с противоположными зарядами играет роль клея, который поддерживает металл в цельном состоянии. Данная структура объясняет многие другие характерные свойства металлов, такие как проводимость электричества и формуемость. Но именно сила электростатического притяжения ответственна за точку плавления.

Доступность внешних электронов для создания этого моря, таким образом, является ключевым фактором. Чем более позитивен центр металла и чем больше свободных электронов находится вокруг, тем сильнее притяжение, и обычно это правило сохраняется при движении по таблице слева направо.

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

Но при этом эффект заполненной подоболочки недостаточно велик, чтобы объяснить необычайно низкую точку плавления ртути. Не говоря уже о том, что сила металлической связи (и температура плавления) снижаются при движении сверху вниз по таблице, поскольку атомы становятся крупнее. По такой логике ртуть должна плавиться при 130 градусах Цельсия, что делает ее твердой при комнатной температуре.

Так почему же она выбивается из правила? Жидкое состояние ртути почти целиком является результатом релятивистских эффектов. Ближе ко дну периодической таблицы, электроны в тяжелейших элементах подвержены сильному притяжению со стороны ядра тома. Оно настолько сильно, что электроны движутся почти что со скоростью света. К этому моменту они уже не подчиняются законам классической физики, и квантовые феномены, также называемые релятивистскими эффектами, приводят к неожиданным физическим свойствам.

То, как эти свойства проявляются, зависит от элемента. Релятивистские эффекты особенно важны для 11 и 12-й групп элементов, где находятся золото и ртуть. По совпадению, странные физические свойства, проистекающие от квантовых эффектов, наиболее наблюдаемы именно в этих элементах. Золото обладает очень необычным желтоватым оттенком, а ртуть находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Они проявляют т.н. максимум релятивистских эффектов, и внешние оболочки их атомов сильно сжимаются — в случае ртути, на 20%.

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