Почему ртуть является жидкостью?

Ртуть — это металл, но у него есть несколько необычных физических свойств, в том числе способность оставаться жидким при комнатной температуре.

На серебристой металлической поверхности сверкают серебристые круглые капли.Ртуть отличается от других металлов тем, что может находиться в жидком состоянии при комнатной температуре. (Изображение предоставлено: videophoto через Getty Images)

Мы привыкли считать, что металлы твердые, прочные и устойчивые к высоким температурам — достаточно взглянуть на железо, алюминий и сталь. В целом это так, но есть одно важное исключение — ртуть. Ртуть плавится при температуре минус 37,9 градуса по Фаренгейту (минус 38,8 градуса по Цельсию) и является одним из двух элементов, которые остаются жидкими при комнатной температуре. (Второй — бром, но он не является металлом.)

Но почему ртуть так сильно отличается от других металлов?

Ответ кроется в положении ртути в периодической таблице и его влиянии на то, как этот металл вступает в химические реакции.

Температура плавления напрямую связана с прочностью связей: «чем прочнее связи, тем больше энергии в виде тепла требуется для их разрыва», — рассказала Live Science Зои Эшбридж, старший преподаватель химии в Министерстве обороны Великобритании.

Атомы ртути, как и атомы всех других металлов, соединяются между собой посредством металлической связи: решетка из положительно заряженных металлических частиц, называемых ионами, окружена «морем» делокализованных (свободных) электронов, а электростатическое притяжение между этими противоположно заряженными частицами служит своего рода клеем, скрепляющим металл. Эта структура объясняет многие другие характерные свойства металлов, такие как электропроводность, поскольку электроны могут свободно перемещаться по материалу, и способность к формованию, поскольку слои положительных частиц могут скользить друг по другу, принимая новую форму, смазываемую свободными электронами. Но именно сила электростатического притяжения определяет температуру плавления.

Таким образом, наличие внешних электронов, образующих это делокализованное электронное облако, является ключевым фактором. «Чем более положительно заряжен атом металла и чем больше делокализованных валентных электронов на внешней оболочке, тем сильнее притяжение, и в целом это правило действует слева направо в периодической таблице», — пояснил Эшбридж.

Будучи металлом 12-й группы, ртуть теоретически должна иметь 12 внешних электронов, которые могли бы участвовать в образовании металлической связи. «Однако все эти электроны находятся на «заполненных подоболочках», — добавила она. — Когда подоболочки заполнены, электроны становятся более стабильными и с меньшей вероятностью могут делокализоваться, поэтому ртуть особенно неохотно делится своими электронами даже с другими атомами ртути».

Однако эффект заполненной подоболочки недостаточно силен, чтобы объяснить необычно низкую температуру плавления ртути. Прочность металлической связи — и, следовательно, температура плавления — также снижается от верхней части таблицы к нижней, по мере увеличения размера атомов. Но если исходить из этих закономерностей, то температура плавления ртути должна составлять около 266 °F (130 °C), то есть она должна быть твердой при комнатной температуре.

Расположение золота и ртути в конце 11-й и 12-й групп периодической таблицы приводит к возникновению некоторых необычных физических свойств, обусловленных загадочными квантово-релятивистскими эффектами. (Изображение предоставлено Connect Images через Getty Images)

Так что же является причиной такого огромного неравенства?

Жидкое состояние ртути обусловлено почти исключительно релятивистскими эффектами, говорит Питер Швердтфегер, квантовый физик из Университета Мэсси в Новой Зеландии. В нижней части периодической таблицы электроны в самых тяжелых элементах испытывают такое сильное притяжение к атомному ядру, что движутся почти со скоростью света. В этот момент они перестают подчиняться законам классической физики, и возникающие в результате квантовые явления, известные как релятивистские эффекты, приводят к удивительным физическим свойствам. То, как они проявляются, зависит от элемента.

«Релятивистские эффекты чрезвычайно важны для элементов 11-й и 12-й групп, к которым относятся золото и ртуть, — сказал он в интервью Live Science. — Следовательно, странные физические свойства, возникающие из-за этих квантовых эффектов, наиболее ярко проявляются у этих элементов. Золото имеет очень необычный желтоватый оттенок, а ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии».

«Они демонстрируют так называемый максимум релятивистских эффектов, в результате чего внешняя оболочка этих атомов сжимается. Это колоссальное сжатие. Для ртути оно составляет около 20%», — сказал Швердтфегер. С точки зрения химии это сжатие, вызванное релятивистскими эффектами, проще всего объяснить, снова обратившись к электронной конфигурации ртути.

Полная 4f-подоболочка, на которой находятся электроны, связанные с редкоземельными или лантаноидами, практически не защищает другие электроны от заряда ядра. Это означает, что внешние электроны находятся гораздо ближе к ядру, чем обычно, — это явление называется лантаноидным сжатием. Эти сжатые электроны движутся со скоростью, близкой к скорости света, и поэтому испытывают релятивистские эффекты.

«Это увеличивает их массу, а когда масса увеличивается из-за высокой скорости, электроны притягиваются еще ближе к ядру», — говорит Эшбридж. Таким образом, релятивистские эффекты уменьшают доступность электронов для участия в металлической связи, что приводит к снижению температуры плавления металла ниже комнатной.

Однако на квантово-механическом уровне это качественное объяснение крайне сложно подтвердить расчетами.

«Уравнение Шрёдингера», которое обычно описывает возможные положения таких частиц, как электроны, «не соответствует принципу относительности Альберта Эйнштейна», — объяснил Швердтфегер. В результате это уравнение не работает для высокоскоростных частиц, таких как электроны в ртути. Вместо этого учёным приходится обращаться к значительно более сложному уравнению Дирака, что делает любое моделирование чрезвычайно трудоёмким.

Однако со временем развитие вычислительной техники позволило Швердтфегер разработать модель, которая могла бы точно имитировать процесс плавления ртути и дать квантово-теоретическое объяснение аномальной температуры плавления.

«Используя то, что мы называем теорией функционала плотности, мы смогли установить, что из-за релятивистских эффектов температура плавления снижается более чем на 200 градусов по Цельсию [360 градусов по Фаренгейту]», — сказал он. Эти квантовые эффекты доминируют, поэтому, несмотря на то, что периодические закономерности предсказывают низкую температуру плавления ртути, из-за релятивистских эффектов этот элемент остаётся жидким при комнатной температуре.

Источник.