Proč je rtuť při pokojové teplotě kapalná, zatímco jiné kovy ne?

Většina kovových prvků taje při teplotách stovek stupňů, ale pro rtuť je to -38,9 °C (-38,0 °F). Proč se tedy tento kov liší od ostatních? Je to všechno o nejvzdálenějších elektronech a kombinaci faktorů, které způsobují, že jejich spojení je neobvykle slabé.

První věc, kterou je třeba poznamenat, je, že otázka v názvu nemusí být zcela přesná. Mohou existovat dva transuranové prvky, které se v přírodě nevyskytují, protože se rozpadají příliš rychle, aby přežily svůj vznik v supernovách nebo kilonovech, které jsou při pokojové teplotě kapalné. Stejné krátké poločasy, které znamenají, že se musí vyrábět uměle, znamená, že nemáme moc času na jejich studium. Předpokládá se, že Copernicium a Fleurophium jsou kapaliny při pokojové teplotě, ale protože jedna trvá několik sekund, než se rozpustí, a druhá méně, existuje v tomto ohledu značná míra nejistoty. Určitě jsme toho pro studium moc neudělali.

Pomineme-li tyto podivné věci, mezi stabilními prvky vyniká rtuť. Na nejjednodušší úrovni je důvodem to, že nejvzdálenější elektrony rtuti nejsou vázány příliš silně, což oslabuje přitažlivost mezi jedním atomem rtuti a druhým. Tato slabost znamená, že jakmile rtuť nabere skromné ​​množství energie, organizace pevné látky se rozpadne a atomy se začnou pohybovat volněji.

Jiný způsob, jak se na to podívat, je, že když se atomy spojí dohromady, část jejich kinetické energie se přemění na… Energie vazby. Ve vazbách rtuti se sebou samým je tak málo energie, že k jejímu rozbití není potřeba mnoho pohybu. Protože náhodná kinetická energie na atomové úrovni se rovná teplu, rtuť nemusí být teplá, natož horká, aby se stala kapalinou, ale jiné kovy s větším množstvím energie uložené ve svých vazbách ano.

Kapalné skupenství Merkuru je známé již více než tři tisíce let, ale to by nebylo možné předpovědět, pokud by byl prvek objeven pouze při vyplňování periodické tabulky. Většina známých kapalin má velmi nízké hustoty, takže setkání s kapalinou tak hluboko pod periodickou tabulkou je zcela v rozporu s našimi očekáváními. Jeho sousedé v periodické tabulce, zlato a thalium, tají při teplotách vyšších než 1000 a 300 stupňů Celsia. Nicméně je to užitečné: kombinace hustoty a kapaliny rtuti je důvod, proč se dobře hodí pro teploměry, barometry a měření krevního tlaku.

Co tedy způsobuje, že nejvzdálenější elektrony rtuti vedou k mnohem slabší vazbě než jiné kovy? Ukazuje se, že rtuť je na sladkém místě na stole, kde se spojují tři vlivy. První je, že jeho vnější elektronický obal je plný. Pro elektrony v částečně naplněném obalu je mnohem snazší uniknout a stát se součástí mlhy valenčních elektronů, které spojují atomy dohromady. Kovy, které mají elektrony, se obvykle dělí snadněji Vyšší body táníurčitě mnohem vyšší než pokojová teplota.

Rtuť však není jediným kovem s úplným ostřelováním, takže to nemůže být jediný důvod. Oba další faktory způsobují, že nejvzdálenější elektrony postižených atomů zůstávají blíže jejich jádrům, což narušuje jejich schopnost vázat se s jinými atomy.

Členové řady prvků lanthanoidů, které sdílejí šestou periodu se rtutí v periodické tabulce, zažívají to, co je známé jako „kontrakce lanthanoidů“. Elektrony podslupky 4f nechrání elektrony od kladného náboje jádra jako jiné elektrony, což způsobuje, že nejvzdálenější elektrony jsou vtahovány dovnitř. Většina prvků v periodě 6 má tedy poloměry atomů podobné velikosti jako v období nad nimi, což má za následek mnohem větší hustotu.

Navíc nejvzdálenější elektrony rtuti zažívají relativistickou kontrakci a pohybují se tak rychle, že hrají roli efekty blížící se rychlosti světla. To je něco, na čem skutečně záleží pouze u těžších prvků, protože větší hmotnost elektrony více urychluje. Stejně jako se planeta Merkur pohybuje kolem Slunce rychleji než objekty dále od ní, elektrony přitahované blízko jádra se pohybují rychleji, v případech, jako je Merkur dostatečně rychle na to, aby vyvíjely relativistické efekty.

Kombinace těchto dvou efektů narušuje vazbu mezi atomy rtuti. Kromě toho, že ji udržují v kapalném stavu při pokojové teplotě, zajišťují, že při zahřátí do bodu, kdy tvoří plyn, se atomy rtuti nepárují, jako většina elementárních plynů (předpokládejme H₂nebo₂ Nebo n₂). Místo toho se atomy rtuti udržují jako vzácné plyny.