Почему ртуть при комнатной температуре становится жидкой, а другие металлы - нет

Большинство металлических химических элементов плавятся при температуре в сотни градусов Цельсия. А ртуть плавится при температуре минус 38,9°C. Но чем же этот металл отличается от остальных? Оказывается, все дело во внешних электронах и сочетании факторов, делающих их связь очень плохой.

Первое, что следует отметить, это то, что существуют два трансурановых химических элемента, которые не встречаются в природе, и их можно создать искусственным путем, но они также превращаются в жидкость при комнатной температуре, пишет IFLScience. Тот самый короткий период полураспада, который означает, что их приходится производить искусственно, означает, что у нас не так много времени на их изучение. Предполагается, что коперница и флеровый являются жидкими при комнатной температуре, но поскольку один из них распадается за несколько секунд, а другой еще за меньшее время, в этом отношении существует значительная степень неопределенности.

Поэтому среди стабильных элементов выделяется ртуть. Причина, по которой ртуть становится жидкой при комнатной температуре, на самом простом уровне, можно объяснить тем, что внешние электроны ртути не очень прочно связаны между собой и ослабляют тяжесть между одним атомом ртути и другим. Эта слабость означает, что только ртуть захватывает даже очень скромное количество энергии, организация твердого тела разрушается и атомы начинают двигаться свободнее.

Другое объяснение состоит в том, что когда атомы соединяются друг с другом, часть их кинетической энергии преобразуется в энергию связи. В связях ртути так мало энергии, что не нужно много движения, чтобы их разрушить. Поскольку на атомном уровне случайная кинетическая энергия равна теплу, ртуть не обязательно должна быть теплой и уж тем более горячей, чтобы перейти в жидкое состояние в отличие от других металлов, в связях которых сохраняется больше энергии.

Жидкое свойство ртути было известно людям еще более 3000 лет назад, но только с формированием периодической таблицы химических элементов ученые смогли объяснить это. Большинство известных жидкостей обладают достаточно низкой плотностью, поэтому встреча с жидкостью, расположенной так далеко в периодической таблице, противоречит ожиданиям. Его соседи по таблице Менделеева, золото и таллий, плавятся при температурах более 1000 и 300° C соответственно. Однако это полезно: сочетание плотности и жидкости ртути является причиной того, что она хорошо подходит для термометров, барометров и устройств для измерения кровяного давления.

Оказывается, ртуть находится в золотой зоне таблицы, где совмещаются три эффекта. Во-первых, его внешняя электронная оболочка заполнена электронами. Электронам в частично заполненной оболочке гораздо легче убежать и стать частью валентных электронов, удерживающих атомы вместе. Металлы, в которых электроны делятся легче, обычно плавятся при более высоких, чем комнатная, температурах.

Однако Ртуть - не единственный металл с полной оболочкой, и это не может быть единственной причиной. Два других фактора заставляют внешние электроны атомов оставаться ближе к их ядру, что мешает им связываться с другими атомами.

Большинство элементов, равно как и ртуть занимают шестой период периодической таблицы, имеют атомные радиусы такого же размера, как и в периоде выше, что приводит к их значительно большей плотности. Более того, внешние электроны ртути подвергаются релятивистскому сжатию, двигаясь настолько быстро, что вступают в силу эффекты приближения к скорости света. Это действительно имеет значение только для более тяжелых элементов, поскольку большая масса сильнее ускоряет электроны.

Сочетание этих двух эффектов нарушает связь между атомами ртути. Помимо сохранения состояния жидкости при комнатной температуре, они гарантируют, что при нагревании настолько, что ртуть превратится в газ, атомы ртути не образуют пары, как у большинства элементарных газов. Вместо этого атомы ртути держатся отдельно, как в благородных газах.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить важные новости. Подписаться на канал в Viber можно здесь.