Привет. С самого раннего детства каждый из нас знает, что ртуть находится в жидком состоянии при комнатной температуре. И это вызывало у меня вопрос – но почему? Быть может ртуть – это вовсе не металл, а какая-то жидкость? Ведь все металлы твёрдые! Именно такие мысли посещали меня в детском саду во время тихого часа.
И считал ртуть странным веществом не один только я, как оказалось позже. Например, китайский император Цинь Ши Хуан, правивший Поднебесной с 258 по 246 до н. э. очень любил употреблять смеси, содержащие ртуть, поскольку считал, что это вещество даст ему вечную жизнь. Но неожиданно это человек умер от отравления печеньками ртутью в возрасте 49 лет.
Ртуть интересна тем, что плавится при температуре -39°C. Этот элемент является одним из немногих металлов, которые можно встретить в жидком состоянии в повседневной жизни.
Хм. Хм. Говорите за себя! Потому что мы, жители Оймякона, видим ртуть большую часть времени в твёрдом состоянии, чем в жидком! (Так может сказать любой житель крайнего Севера нашей страны).
Спасибо за информацию. Давайте тогда уточним: наши размышления происходят в Сочи. На городском пляже, если спускаться к нему от театра, там ещё на берегу чешский пивной ресторан стоит. С собой у нас будет ведёрко ртути. Запаянное, конечно. И пусть оно будет воображаемое.
Сегодняшняя статья будет достаточно длинной. Поскольку для того, чтобы понять, почему ртуть плавится при таких низких для металлов температурах, нам придётся немного поговорить о понятии температуры, химических связях и специальной теории относительности. Постараюсь упростить по возможности некоторые моменты.
Итак, поехали.
И для начала давайте вспомним, что такое температура. А это ничто иное, как скорость, с которой двигаются атомы или молекулы. Другими словами, когда объект очень горячий, это означает, что его атомы очень быстро вибрируют. Если объект холодный, его атомы будут двигаться медленнее.
Теперь второй момент: когда электроны двух атомов взаимодействуют, они могут объединяться, образуя химические связи. Когда эти связи очень прочные, атомы остаются связанными между собой, образуя жёсткую структуру. Эту структуру мы называем «твёрдым телом».
Однако если силы, удерживающие атомы вместе, очень слабые, они не смогут образовать никакой структуры. И атомы просто будут находиться рядом друг с другом, «переваливаясь» с одной стороны на другую, когда их что-то тревожит. Именно так ведёт себя жидкость.
И если мы объединим в своей голове «понимание» работы двух этих фактов, то сможем без труда понять, почему разные вещества плавятся при разной температуре.
Продолжим.
По мере повышения температуры твёрдого материала его молекулы начинают вибрировать всё все быстрее и быстрее, пока не наступает момент, когда эта вибрация становится настолько быстрой, что химические связи больше не могут поддерживать жёсткую структуру, и она разрушается.
Так при нагревании любой материал переходит из твёрдого состояния в жидкое.
Температура, при которой этой происходит, или, другими словами, скорость, с которой атомы должны вибрировать, чтобы какая-то структура разрушилась, зависит от того, насколько прочны химические связи.
Например, вольфрам плавится при температуре 3422 градусов Цельсия, поскольку его атомы связаны очень прочными связями, способными выдерживать очень интенсивные вибрации. Связи, соединяющие атомы других металлов, слабее, чем у вольфрама. Например, свинец плавится всего при 327°С.
И из всех металлов атомы ртути наименее прочно связаны друг с другом. Именно поэтому ртуть плавится при температуре -39°C. Вроде бы всё понятно.
Но вопрос всё ещё не раскрыт – а почему у ртути такие слабые связи между атомами? Вот что интересно! (Может сказать мой пытливый читатель).
Терпение. Дальше мы обязательно поговорим об этом. И это будет не совсем просто. Приготовьте серое вещество.
Итак, для того, чтобы понять, почему связи атомов ртути настолько слабы и, следовательно, почему этот металл плавится при такой низкой температуре, нам придётся немного поговорить о… теории относительности.
Эта теория утверждает, что из-за описываемых ей эффектов масса объектов увеличивается тем больше, чем больше увеличивается их скорость. Конечно, эта концепция на самом деле несколько сложнее, чем предполагает фраза, написанная выше. И если говорить совсем упрощённо, то если что-то движется со значительной долей скорости света, кинетическая энергия этого объекта увеличивается, и это увеличение энергии отражается на его массе. Вроде бы понятно.
И вот что интересно: именно это обстоятельство, среди прочих, и делает ртуть жидкой.
Терпение. Идём дальше.
Все атомы имеют ядро, которое содержит протоны (положительно заряженные частицы). Они окружены электронами (отрицательно заряженными частицами). Каждый элемент таблицы Менделеева содержит в своём ядре разное количество протонов: у водорода он 1, у гелия их 2. И так до оганесона, последнего синтезированного элемента, у которого их 118 (этот элемент не существует в природе, и лишь несколько его атомов были созданы искусственно).
По мере продвижения по таблице Менделеева число протонов в ядрах атомов увеличивается. И, следовательно, сила, с которой они притягивают окружающие их электроны, становится все больше. В результате наступает момент, когда электронам, окружающим ядра тяжёлых элементов, приходится двигаться очень быстро, чтобы оставаться на орбите вокруг них.
В случае со ртутью электроны, вращающиеся по ближайшей к ядру орбите, должны двигаться со скоростью 58% скорости света, чтобы не упасть на него. На такой огромной скорости уже в полный рост проявляются релятивистские эффекты, и масса электронов увеличивается на 23% по сравнению с их массой покоя. Эти более массивные электроны ещё сильнее притягиваются к ядру атома. И вынуждены вращаться ближе к нему, чем обычно. Это сжатие распространяется и на все остальные орбиты, заставляя их «сжиматься».
И это одна из основных причин, по которой ртуть является жидкой при комнатной температуре: поскольку орбиты электронов находятся ближе к ядру, они сильнее притягиваются к нему, чем к электронам соседних атомов ртути. И не могут создавать с ними крепкие связи.
Вам любопытно, что произошло бы, если бы релятивистских эффектов не существовало?
Что же, согласно проведённому моделированию, ртуть в этом случае плавилась бы при температуре около 66°C.
Вы можете сейчас спросить - если всё это правда, то почему не все тяжёлые элементы являются жидкими при комнатной температуре? Например, атомы свинца содержат в своих ядрах больше протонов, чем атомы ртути, и они должны быть сжаты ещё сильнее, и по описанной логике свинец должен плавиться при ещё более низкой температуре. Но температура плавления этого металла гораздо выше!
Хороший вопрос, спасибо. Дело в том, что помимо релятивистского сжатия, существуют и другие факторы, которые определяют как силу связи атомов, так и их температуру плавления.
Самым серьёзным из них, который сильнее всего влияет на химическое поведение химического элемента, является количество электронов, которые его атомы имеют на своей внешней орбите. Ведь именно они взаимодействуют с электронами других атомов, образуя с ними связи.
Поскольку атомы всегда имеют такое же количество электронов, что и протоны, и, кроме того, каждый элемент содержит разное количество протонов, это означает, что каждый тяжёлый металл будет иметь разное количество электронов на своей внешней орбите. И, следовательно, химическое поведение каждого из них будет немного отличаться, независимо от того, насколько «сжаты» его атомы релятивистскими эффектами.
Если сравнивать ртуть и свинец, то становится очевидно, что атомам первого элемента труднее связываться друг с другом, поскольку их внешние подоболочки заполнены электронами (4f14 5d10 6s2), поэтому они не могут свободно ими делиться, или создавать с их помощью связи с другими атомами.
А вот атомы свинца не имеют такой проблемы. И могут относительно легко делиться своими свободными электронами, образуя более прочные связи.
Суммируя всё вышеописанное, можно сделать вывод – ртуть является жидкой при комнатной температуре в результате работы нескольких факторов. И самым важным из них является уникальная среди металлов конфигурация электронной оболочки атома этого химического элемента, которая среди металлов, даже более тяжёлых, больше никогда не встречается.
Всем добра.
P.S. Для тех, кто уверен, что является великим специалистом по теме статьи, рекомендую, пережде чем гневно обличать, ознакомиться в этим текстом (ссылка):👇
Релятивистская квантовая химия
Подарки на Новый год здесь!
Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543
Читайте ещё: