Încă din Antichitate, oamenii erau fascinați de mercur, dar a fost nevoie de completarea tabelului periodic pentru a descoperi cât de neobișnuit este acesta. Iar unul dintre misterele din jurul acestui metal este faptul că mercurul este lichid la temperatura camerei, în timp ce, după cum ştim, alte metale nu sunt.
Cele mai multe elemente metalice se topesc la temperaturi de sute de grade Celsius, dar pentru mercur această temperatură este de doar -38,9° C. Așadar, de ce este acest metal diferit de toate celelalte? Totul se datorează electronilor externi și unei combinații de factori care îi fac să se lege neobișnuit de slab.
Primul lucru care trebuie remarcat este că întrebarea din titlu ar putea să nu fie în întregime exactă. Este posibil să existe două elemente transuranice, care nu apar în natură deoarece se descompun mult prea repede pentru a supraviețui de la crearea lor în supernove sau kilonove care sunt lichide la temperatura camerei.
Aceeași perioadă scurtă de înjumătățire care presupune că trebuie să fie produse în mod artificial înseamnă că nu avem prea mult timp pentru a le studia. Coperniciul și fleroviul sunt suspectate a fi lichide la temperatura camerei, dar, întrucât unul dintre ele durează câteva secunde înainte de a se dezintegra, iar celălalt chiar mai puțin, există un grad destul de mare de incertitudine în această privință.
De asemenea, printre cele cinci metale care se topesc la o temperatură atât de joasă se mai află cesiul şi galiul. Cu siguranță, nu am produs prea mult din niciunul dintre ele pentru a le studia.[sursa]
De ce mercurul este lichid la temperatura camerei
Lăsând la o parte aceste curiozități, mercurul se remarcă printre elementele stabile. La cel mai simplu nivel, motivul este că electronii din exterior ai mercurului nu se leagă foarte puternic, slăbind atracția dintre un atom de mercur și altul. Această slăbiciune înseamnă că, de îndată ce mercurul capătă chiar și o cantitate destul de modestă de energie, organizarea solidului se destramă și atomii încep să se miște mai liber.
Un alt mod de a privi acest lucru este că, atunci când atomii se leagă între ei, o parte din energia lor cinetică este convertită în energia de legătură. Există atât de puțină energie în legăturile mercurului cu el însuși, încât nu este nevoie de prea multă mișcare pentru a le rupe. Deoarece la nivel atomic energia cinetică aleatorie echivalează cu căldura, mercurul nu are nevoie să fie cald, cu atât mai puțin fierbinte, pentru a deveni lichid, dar alte metale, cu mai multă energie stocată în legăturile lor, au nevoie.[sursa]
Starea lichidă a mercurului era cunoscută cu mai bine de trei mii de ani în urmă, dar nu este un lucru pe care l-am fi prezis dacă elementul ar fi fost descoperit abia în momentul în care tabelul periodic era completat.
Majoritatea lichidelor cunoscute au o densitate destul de scăzută, astfel încât întâlnirea unui lichid atât de jos în tabelul periodic este contrar așteptărilor noastre. Vecinii săi din tabelul periodic, aurul și taliul, se topesc la mai mult de 1000 și, respectiv, 300 de grade Celsius. Cu toate acestea, este util: combinația dintre densitate și lichiditate a mercurului este motivul pentru care este atât de potrivit pentru termometre, barometre și pentru măsurarea tensiunii arteriale.
Deci, de ce electronii externi ai mercurului conduc la o legătură mult mai slabă decât a altor metale? Se pare că mercurul se află într-un punct privilegiat al tabelului în care se combină trei efecte. Primul este că învelișul său exterior de electroni este plin.
Este mult mai ușor pentru electronii dintr-un înveliș electronic (acea parte a atomului în care electronii orbitează în jurul nucleului atomic) parțial plin să scape, devenind parte din ceața de electroni de valență care ține atomii împreună. Metalele cu electroni mai ușor de împărțit între ele au de obicei puncte de topire mai ridicate, cu siguranță mult mai mari decât temperatura camerei.
Totuși, mercurul nu este singurul metal cu un înveliș electronic plin, așa că acesta nu poate fi singurul motiv. Ambii ceilalți doi factori fac ca electronii externi ai atomilor afectați să rămână mai aproape de nucleul lor, interferând cu capacitatea lor de a se lega cu alți atomi.
Membrii seriei de elemente lantanide, care împărtășesc a șasea perioadă a mercurului din tabelul periodic, experimentează ceea ce se numește „contracția lantanidelor”.
Explicaţia ştiinţifică
Electronii din învelișul 4f al subînvelișului 4f nu protejează electronii mai îndepărtați de sarcina pozitivă a nucleului la fel de mult ca alții, ceea ce face ca electronii externi să fie atrași spre interior. În consecință, majoritatea elementelor din perioada 6 au raze atomice de dimensiuni similare cu cele din perioada de deasupra lor, ceea ce duce la o densitate mult mai mare.
Mai mult, electronii externi ai mercurului suferă o contracție relativistă, mișcându-se atât de repede încât intră în joc efectele apropierii de viteza luminii. Acesta este un lucru care contează cu adevărat doar în cazul elementelor mai grele, deoarece masa mai mare accelerează mai mult electronii.
La fel cum planeta Mercur se deplasează în jurul Soarelui mai repede decât obiectele mai îndepărtate, electronii atrași în apropierea nucleului se deplasează mai repede, în cazuri precum cel al mercurului, suficient de repede pentru ca efectele relativiste să conteze.
Combinația acestor două efecte interferează cu legătura dintre atomii de mercur. Pe lângă faptul că îl mențin lichid la temperatura camerei, ele asigură faptul că, atunci când este încălzit până la punctul în care formează un gaz, atomii de mercur nu se împerechează, ca majoritatea gazelor elementare (gândiți-vă la H2, O2 sau N2). În schimb, atomii de mercur rămân între ei, la fel ca și gazele nobile.
Abonaţi-vă la newsletter folosind butonul de mai jos, pentru a primi gratuit o notificare pe email atunci când publicăm un articol nou:
