Чому ртуть при кімнатній температурі стає рідкою, а інші метали - ні

Більшість металевих хімічних елементів плавляться за температури в сотні градусів Цельсія. А ртуть плавиться за температури мінус 38,9°C. Але чим же цей метал відрізняється від решти? Виявляється, вся справа у зовнішніх електронах та поєднанні факторів, які роблять їх зв'язок надзвичайно поганим.

Перше, що слід зазначити, це те, що існують два трансуранові хімічні елементи, які не зустрічаються в природі, і їх можна створити штучним шляхом, але вони також перетворюються на рідину при кімнатній температурі, пише IFLScience. Той самий короткий період напіврозпаду, який означає, що їх доводиться виробляти штучно, означає, що у нас не так багато часу на їх вивчення. Передбачається, що коперниця і флеровий стають рідкими при кімнатній температурі, але оскільки один з них розпадається за кілька секунд, а інший ще за менший час, у цьому відношенні існує значний ступінь невизначеності.

Тому серед стабільних елементів виділяється ртуть. Причину, через яку ртуть стає рідкою при кімнатній температурі, на найпростішому рівні, можна пояснити тим, що зовнішні електрони ртуті не дуже міцно пов'язані між собою і послаблюють тяжіння між одним атомом ртуті та іншим. Ця слабкість означає, що тільки ртуть захоплює навіть дуже скромну кількість енергії, організація твердого тіла руйнується, і атоми починають рухатися вільніше.

Інше пояснення полягає в тому, що коли атоми з'єднуються один з одним, частина їхньої кінетичної енергії перетворюється на енергію зв'язку. У зв'язках ртуті так мало енергії, що не потрібне багато руху, щоб їх зруйнувати. Оскільки на атомному рівні випадкова кінетична енергія дорівнює теплу, ртуть не обов'язково має бути теплою і вже тим більше гарячою, щоб перейти в рідкий стан на відміну від інших металів, у зв'язках яких зберігається більше енергії.

Рідка властивість ртуті була відома людям ще понад 3000 років тому, але тільки з формуванням періодичної таблиці хімічних елементів учені змогли пояснити це. Більшість відомих рідин мають досить низьку щільність, тому зустріч із рідиною, розташованою так далеко в періодичній таблиці, суперечить очікуванням. Його сусіди за таблицею Менделєєва, золото та талій, плавляться при температурах понад 1000° та 300°C відповідно. Однак це корисно: поєднання щільності та рідини ртуті є причиною того, що вона так добре підходить для термометрів, барометрів та пристроїв для вимірювання кров'яного тиску.

Виявляється, ртуть знаходиться в золотій зоні таблиці, де поєднуються три ефекти. По-перше, його зовнішня електронна оболонка заповнена електронами. Електронам у частково заповненій оболонці набагато легше втекти та стати частиною валентних електронів, які утримують атоми разом. Метали, у яких електрони поділяються легше, зазвичай плавляться при більш високих, ніж кімнатна, температурах.

Однак Ртуть - не єдиний метал із повною оболонкою, і це не може бути єдиною причиною. Два інших фактори змушують зовнішні електрони атомів залишатися ближче до їхнього ядра, що заважає їм зв'язуватися з іншими атомами.

Більшість елементів, які так само, як і ртуть займають шостий період періодичної таблиці, мають атомні радіуси такого ж розміру, як і в періоді вище, що призводить до їх значно більшої щільності. Більше того, зовнішні електрони ртуті зазнають релятивістського стиску, рухаючись настільки швидко, що набувають чинності ефекти наближення до швидкості світла. Це дійсно має значення тільки для важчих елементів, оскільки більша маса сильніше прискорює електрони.

Поєднання цих двох ефектів порушує зв'язок між атомами ртуті. Крім збереження стану рідини при кімнатній температурі, вони гарантують, що при нагріванні настільки, що ртуть перетвориться на газ, атоми ртуті не утворюють пари, як у більшості елементарних газів. Натомість атоми ртуті тримаються окремо, як у благородних газах.

Підписуйтесь на наш Telegram-канал, щоб не пропустити важливих новин. Підписатися на канал у Viber можна тут.