Ртуть при комнатной температуре становится жидкой, а другие металлы – нет: в чем причина

Большинство металлических химических элементов плавятся при температуре в сотни градусов Цельсия. Но ртуть плавится при температуре минус 38,9 градуса Цельсия. Чем же этот металл отличается от всех остальных? Все дело во внешних электронах и сочетании факторов, которые делают их связь необычайно плохой, пишет IFLScience.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Важно отметить, 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. Из-за короткого периода полураспада у ученых нет много времени, чтобы изучить их свойства. Предполагается, что коперниций и флеровий становятся 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 металлов выделяется ртуть. Причину, 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 притяжение между одним атомом ртути и другим. Это означает, что как только ртуть захватывает даже маленькое количество энергии, ее структура разрушается, и атомы начинают двигаться более свободно.

Другое объяснение заключается 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 уже тем более горячей, чтобы перейти в жидкое состояние в отличие от других металлов, в связях которых хранится 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 имеют довольно низкую плотность, поэтому встреча с жидкостью, расположенной так далеко в периодической таблице, противоречит ожиданиям. Соседи ртути в периодической таблице химических элементов, золото и таллий, плавятся при температурах более 1000 и 300 градусов по Цельсию соответственно. Сочетание плотности и возможности ртути быть жидкой является причиной того, что она так хорошо подходит для термометров и барометров.

Оказывается, ртуть находится в "золотой середине" периодической таблицы, где сочетаются три фактора. Во-первых, внешняя оболочка ртути заполнена электронами. Электронам в частично заполненной оболочке гораздо легче убежать и стать частью валентных электронов, которые удерживают атомы вместе. Металлы, у которых электроны разделяются легче обычно плавятся при более высоких, чем комнатная, температурах.

Но ртуть является не единственным металлом с заполненной оболочкой, поэтому это не единственная причина. Два других фактора заставляют внешние электроны атомов оставаться ближе к их ядру, что мешает им связываться с другими атомами.

Большинство элементов, которые так же, как и ртуть занимают шестой период периодической таблицы имеют атомные радиусы такого же размера, как и в периоде выше, что приводит к их гораздо большей плотности. Внешние электроны ртути испытывают релятивистское сжатие, двигаясь настолько быстро, что вступают в силу эффекты приближения к скорости света. Это имеет значение для тяжелых элементов, поскольку большая масса сильнее ускоряет электроны.

Сочетание двух факторов нарушает связь между атомами ртути. Помимо сохранения состояния жидкости при комнатной температуре, они гарантируют, что при нагревании до такой степени, что ртуть превратится в газ, атомы ртути не образуют пары, как в большинстве элементарных газов. Вместо этого атомы ртути держатся отдельно, как в благородных газах.

Как уже писал Фокус, ученые рассказали, могут ли люди видеть опасный ультрафиолетовый свет. Он имеет очень короткие длины волн, которые короче фиолетового цвета в видимом спектре. Некоторые люди могут воспринимать часть этого света.