Γιατί ο υδράργυρος είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου;

Ο υδράργυρος είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ άλλα μέταλλα είναι στερεά. Έχετε αναρωτηθεί ποτέ τι κάνει τον υδράργυρο ξεχωριστό; Η γρήγορη απάντηση είναι ότι ο υδράργυρος είναι υγρό επειδή τα άτομά του δεν μοιράζονται εύκολα ηλεκτρόνια με άλλα άτομα υδραργύρου. Ακολουθεί μια πιο προσεκτική ματιά στο πώς λειτουργεί.

• Ο υδράργυρος είναι υγρό επειδή δεν μοιράζεται πολύ καλά τα ηλεκτρόνια του με άλλα άτομα υδραργύρου. Βασικά, δρα σαν το μεταλλικό ισοδύναμο με ένα ευγενές αέριο.
• Ο μεγάλος αριθμός πρωτονίων στον ατομικό πυρήνα έλκει τα ηλεκτρόνια σε αυτό που ονομάζεται συστολή λανθανιδών. Τα σχετικιστικά εφέ παίζουν ρόλο.
• Το γεμάτο υποκέλυφος 4f προστατεύει ελάχιστα το κέλυφος 6s, έλκοντας τα ηλεκτρόνια σθένους πιο κοντά στον πυρήνα από ό,τι σε άλλα μέταλλα.

Γιατί τα μέταλλα είναι στερεά

Εκτός από τον υδράργυρο (και πιθανώς το κοπερνίκιο και το φλερόβιο), τα στοιχεία που είναι μέταλλα είναι στερεά σε θερμοκρασία δωματίου. Το φράγκιο, το καίσιο, το γάλλιο και το ρουβίδιο τήκονται σε υγρά σε θερμοκρασίες ελαφρώς υψηλότερες από τη θερμοκρασία δωματίου. Τα μέταλλα τείνουν να έχουν υψηλά σημεία τήξης επειδή τα άτομα τους σχηματίζουν μεταλλικούς δεσμούς μεταξύ τους. Ουσιαστικά, τα άτομα μετάλλου μοιράζονται ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας μια θάλασσα αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων μεταξύ θετικά φορτισμένων πυρήνων.

Γιατί ο υδράργυρος είναι υγρό

Ο υδράργυρος έχει χαμηλό σημείο τήξης και είναι υγρό σε συνηθισμένες θερμοκρασίες επειδή τα ηλεκτρόνια του δεν μοιράζονται εύκολα μεταξύ των ατόμων του. Αυτό είναι συνέπεια των ατόμων υδραργύρου που περιέχουν τόσα πολλά πρωτόνια και ηλεκτρόνια και του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια του οργανώνονται γύρω από τον πυρήνα.

Τα άτομα που περιέχουν μεγάλο αριθμό πρωτονίων είναι σχετικά μικρά επειδή το μεγάλο θετικό ηλεκτρικό φορτίο ασκεί ισχυρή έλξη στα ηλεκτρόνια. Αυτή είναι μια τάση περιοδικού πίνακα που εξηγεί εν μέρει τις διαφορές μεταξύ των σημείων τήξης των στοιχείων.

Αυτό που κάνει τον υδράργυρο ξεχωριστό είναι η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του:[Kr] 4d 4f 5s 5p 5d 6s

Τα γεμάτα 4φ Το κέλυφος προστατεύει ελάχιστα τα ηλεκτρόνια σθένους από το θετικό πυρηνικό φορτίο. Τα 6s τα ηλεκτρόνια πλησιάζουν τον ατομικό πυρήνα, συρρικνώνοντας την ατομική ακτίνα. Η περιφορά ενός τόσο μεγάλου πυρήνα σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες και δρουν πολύ πιο μαζικά. Οι σχετικιστικές επιδράσεις αντιπροσωπεύουν περίπου το 10% της συστολής των λανθανιδών. Ωστόσο, οι λανθανίδες είναι στερεά μέταλλα.

Σε αντίθεση με αυτά τα στοιχεία, τα άτομα υδραργύρου έχουν ένα γεμάτο κέλυφος 6s. Το εξαιρετικά σταθερό κέλυφος σθένους σημαίνει ότι τα άτομα δεν κερδίζουν ή χάνουν εύκολα ηλεκτρόνια. Σε συνδυασμό με την ισχυρή έλξη μεταξύ των ηλεκτρονίων σθένους και του πυρήνα, ο υδράργυρος δρα σαν ευγενές αέριο. Τα άτομά του απλώς δεν αλληλεπιδρούν τόσο έντονα μεταξύ τους ώστε να στερεοποιηθούν σε θερμοκρασία δωματίου.

Άλλες ιδιότητες υδραργύρου

Επειδή ο υδράργυρος δεν είναι καλός στο να μοιράζεται τα ηλεκτρόνια του με άλλα άτομα υδραργύρου, δεν μεταφέρει θερμότητα ή ηλεκτρισμό όπως και άλλα μέταλλα. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που ο στερεός υδράργυρος είναι ένα μαλακό μέταλλο. Ο υδράργυρος δεν σχηματίζει εύκολα χημικούς δεσμούς με τον εαυτό του και είναι το μόνο μέταλλο που δεν σχηματίζει διατομικά μόρια (Hg₂ ) ως αέριο.

Γιατί ο χρυσός και το θάλλιο δεν είναι υγρά

Όπως ο υδράργυρος, τα άτομα χρυσού και θαλλίου έχουν τροχιακά ηλεκτρονίων 6s χαμηλής ενέργειας. Τα άτομα και των τριών στοιχείων έχουν τεράστιους πυρήνες, βιώνουν σχετικιστικά φαινόμενα και έχουν συμπληρώσει 4f κοχύλια. Όμως, τόσο ο χρυσός όσο και το θάλλιο είναι (μαλακά) στερεά σε θερμοκρασία δωματίου. Γιατί; Η απάντηση βρίσκεται στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων αυτών των μετάλλων.

Στοιχείο	Ατομική μάζα	Διαμόρφωση ηλεκτρονίων
Χρυσός (Au)	196.9665	[Kr] 4d 4f 5s 5p 5d 6s
Ερμής (Hg)	200,59	[Kr] 4d 4f 5s 5p 5d 6s
Θάλλιο (Tl)	204.383	[Kr] 4d 4f 5s 5p 5d 6s 6p

Τα χρυσά 6s το τροχιακό είναι μόνο μισογεμάτο. Έτσι, παρόλο που τα 6s Το ηλεκτρόνιο είναι στενά συνδεδεμένο, ένα άτομο χρυσού δέχεται εύκολα ένα άλλο ηλεκτρόνιο και συμμετέχει στον δεσμό μετάλλου-μετάλλου. Ο χρυσός είναι ένα σχετικά αδρανές ευγενές μέταλλο επειδή δεν αποδίδει εύκολα το ηλεκτρόνιο σθένους.

Ένα άτομο θαλλίου είναι ακόμη πιο μαζικό από ένα άτομο υδραργύρου. Έχει γεμάτα 6s τροχιάς. Όμως, έχει ένα μοναχικό 6π ηλεκτρόνιο. Αυτό το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να πλησιάσει τόσο κοντά στον πυρήνα όσο τα 6s ηλεκτρόνια. Είναι αρκετά αντιδραστικό, επομένως συμμετέχει σε μεταλλικούς δεσμούς και συνήθως σχηματίζει το ιόν Tl.

Αναφορές

• Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey (1988). Προηγμένη Ανόργανη Χημεία (5η έκδ.). Νέα Υόρκη:Wiley-Interscience,. ISBN 0-471-84997-9.
• Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2004). Ανόργανη Χημεία (2η έκδ.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-039913-7.
• Lide, D. R., ed. (2005). Εγχειρίδιο CRC Χημείας και Φυσικής (86η έκδ.). Boca Raton (FL):CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
• Norby, L.J. (1991). «Γιατί ο υδράργυρος είναι υγρός; Ή, γιατί τα σχετικιστικά φαινόμενα δεν μπαίνουν στα εγχειρίδια χημείας;» J. Chem. Εκπαιδεύω . 68(2):110. doi:10.1021/ed068p110
• Rustad, D. S. (1987). «Πόσο μαλακός είναι ο υδράργυρος; (Επιστολή στον Συντάκτη)». J. Chem. Εκπαιδεύω . 64:470.