Strona głównaPytania → Dlaczego rtęć w temperaturze pokojowej...

Dlaczego rtęć w temperaturze pokojowej jest cieczą?

Pytanie

Pyta Mariusz

Dlaczego rtęć w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym jest cieczą, a inne metale ciałami stałymi?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

W większości metali elektrony z powłok walencyjnych są współdzielone z innymi atomami metalu, tworząc zdelokalizowane pasma elektronowe. Dzięki temu metale dobrze przewodzą prąd i ciepło. Ponadto skutkiem współdzielenia elektronów jest istnienie silnych wiązań między atomami, które odpowiadają za dużą wytrzymałość mechaniczną metali oraz wysoką temperaturę topnienia.

Rtęć wyróżnia się nie posiadając tych własności. Wynika to z połączonego wpływu dwóch efektów. Po pierwsze, konfiguracja elektronowa rtęci ma postać [Xe] 4f14 5d10 6s2. Zatem, wszystkie orbitale są zapełnione i nie ma niesparowanych elektronów. To powoduje, że rtęć niechętnie tworzy wiązania z innymi pierwiastkami lub nawet innymi atomami rtęci.

Drugi efekt wynika z tego, że elektrony na orbitalu 6s poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. W związku z tym do ich poprawnego opisu trzeba uwzględnić poprawki pochodzące ze szczególnej teorii względności, która przewiduje wzrost masy obiektów wraz ze wzrostem ich prędkości. Przekłada się to na skurczenie rozmiarów orbitalu 6s, który przez to słabiej przykrywa się z orbitalami innych atomów. Skutkuje to dodatkowym osłabieniem siły wiązania między atomami rtęci.

Stąd energia wiązania metalicznego jest niewielka. Dzięki temu fluktuacje termiczne już w temperaturze 234 K są wstanie doprowadzić do stopienia rtęci. Jak pokazano w pracy omawianej tutaj, efekty relatywistyczne mają kluczowe znaczenie. Gdyby nie występowały to temperatura topnienia rtęci byłaby o ponad 100 stopni wyższa i tym samym rtęć w temperaturze pokojowej byłaby ciałem stałym.