Наверняка вы слышали про странный элемент, который является металлом по всем канонам химии, но при комнатной температуре ведёт себя совсем не так, как это делает свинец или обычное железо. Да, речь именно про ртуть.
История с этим элементом довольно интересная. Сначала, пока человек совсем ещё не знаком с основами химии и физики, сам факт того, что ртуть - это металл, но он жидкий в обычных условиях, вызывает ВАУ. Потом находится якобы объяснение и мы уже вполне уверенно полагаем, что виной всему низкая температура плавления. И это, в общем-то, действительно так, но детали аномалии удивляют порой и людей, неплохо ориентирующихся в термодинамике.
Забегая вперед сразу отмечу, что виноват в жидком агрегатном состоянии Эйнштейн, а ещё ртуть умеет превращаться в шарики при обычных давлениях и обладает рядом прочих интересных свойств, которые делают элемент чем-то невероятным по обычным мерками. Всё это мы сейчас и обсудим.
Почему ртуть не хочет быть твёрдой
Обычные металлы, такие как железо, алюминий или медь, образуют прочную металлическую связь. Атомы в них делятся внешними электронами, создавая общее облако, благодаря которому металл становится твёрдым и проводит электричество. Но ртуть ломает эту схему. Связи между её атомами оказываются настолько слабыми, что кристаллическая решётка просто не образуется при нормальной температуре.
У ртути атом очень тяжёлый. А чем тяжелее ядро, тем быстрее двигаются вокруг него электроны. Настолько быстро, что их скорость достигает почти половины скорости света. Не нужно тут путать простое движение по окружности и интенсивное движение, наделяющее систему кинетической энергий. Этот момент я подробно разбирал в видео про унибигексий.
Когда электрон начинает двигаться так быстро, вступает в силу теория относительности. Масса электрона возрастает, а его электронные орбитали “прижимаются” ближе к ядру. Мы сейчас невероятно сильно упрощаем сложный квантовый процесс, но в целом можно использовать эти формулировки.
В результате внешние электроны, которые у других металлов свободно участвуют в создании общей электронной “сетки”, у ртути оказываются слишком глубоко притянутыми к своим атомам. Они не хотят делиться с соседями и не образуют прочных связей. Именно поэтому ртуть остаётся жидкой уже при комнатной температуре. Не только потому что она “тёплая”, а потому, что её электроны слишком быстрые. И да, это напрямую следует из работ Эйнштейна.
В результате ртуть ещё жидкая при -39 °C и кипит при +357 °C. Это делает её уникальным металлом и элементом.
Откуда берутся серебристые шарики
Из обозначенной выше ситуации следует и ещё кое-что. Если внимательно посмотреть на ртуть, разлившуюся по столу, можно заметить как она стремительно стягивается в гладкие серебристые шарики. Это прямое следствие необычайно высокого поверхностного натяжения.
У атомов ртути слабые связи с окружающим миром, они почти не смачивают поверхности и предпочитают держаться друг за друга. Именно поэтому ртуть не растекается тонким слоем, как вода, а собирается в упругие капли, стремящиеся к идеальному шару - фигуре с минимальной площадью поверхности. Будь атмосферное давление чуть больше, эти капли-шарики бы тоже расплющило, как это происходит с водой (вспоминаем невесомость и обычные условия). Но при обычных условиях ртути энергетически выгоднее быть шариком, чем кляксой.
Причина снова уходит в её релятивистскую природу. Поскольку электроны ртути удерживаются атомами крайне сильно и не хотят вступать в связи с внешними поверхностями, металл буквально избегает любого контакта. Он не цепляется за стекло, металл или дерево. Слабое взаимодействие с другими материалами рождает одно из самых сильных поверхностных натяжений среди всех жидкостей, отчего ртуть и ведёт себя как живой серебристый организм, свертывающийся в шарики при любой возможности.
При этом всегда есть искушение поиграться с такими шариками. Но делать это не очень полезно. Впрочем, современные дети вряд ли где-то найдут это вещество.
Кстати, приятный серебристый блеск, который выглядит иначе, нежели у большинства других металлов, хоть и не уходит в сторону золота (где отраженный свет вообще желтеет), связано всё с тем же релятивизмом.
Ртуть, в общем-то, вредная и лучше про это помнить
Ртуть считается вредной потому, что при обычных температурах она легко переходит в пары (примерно как и вода в стакане). Пар этот невидим и содержит атомарную ртуть.
Пары проникают в организм через дыхание и накапливаются в тканях. В отличие от многих других токсичных веществ, ртуть не выводится быстро. Она может накапливаться годами. Даже небольшие количества ртути превращают её в незаметную, но крайне серьёзную проблему.
Давайте делать амальгамы
Одно из самых необычных свойств ртути - её способность образовывать амальгамы, своеобразные жидкие или полужидкие сплавы с другими металлами.
Амальгамы интересны тем, что они ведут себя как нечто среднее между металлом и жидкостью. Твёрдый материал буквально превращается в текучую, блестящую массу, сохраняя при этом часть своих металлических свойств. Это редкое сочетание делает их полезными во множестве областей. Долгое время амальгамы применяли в стоматологии для пломб, потому что такой сплав легко заполнял форму зуба, а затем постепенно твердел (токсичность здесь не рассматривалась по той причине, что ртуть была в связанном состоянии и не парила, однако, в итоге от такой практике тоже отказались). В ювелирном деле амальгамы использовали для позолоты, нанося тончайший слой золота на поверхность предметов. Они впечатляют своей химической непредсказуемостью. В мире металлов такое поведение встречается крайне редко, и именно поэтому амальгамы вызывают искренний интерес у химиков, инженеров и материаловедов.
Если опустить в ртуть кусочек цинка или серебра, металл начнёт буквально растворяться, словно сахар в горячем чае, превращаясь в блестящую пасту. Атомы ртути легко встраиваются между атомами других металлов, нарушая их кристаллическую решётку и превращая всё в своеобразный жидкий гибрид.
Но ещё более любопытно, что ртуть не одинаково реагирует со всеми металлами. Например, железо, никель и платина для неё почти “невидимы”. Их атомы слишком плотно связаны в собственной решётке, и ртуть не может нарушить эту структуру, как делает с более мягкими металлами. Именно поэтому ртуть хранят в железных или стальных колбах. Она просто не способна их растворить.
Главный химический интроверт
В отличие от большинства металлов, которые активно вступает в реакции, ртуть почти не формирует соединения. Её внешние электроны сидят настолько плотно и комфортно на своих орбитах, что не взаимодействуют с другими атомами.
Многие реакции, привычные для других металлов, с ртутью либо проходят очень медленно, либо вообще не происходят. С другой стороны, именно такой интровертный характер позволяет ртути сохранять уникальные свойства - блеск, текучесть, способность образовывать амальгамы и высокое поверхностное натяжение.
Когда-то для алхимиков это выглядело почти магически - металл, который не подчиняется обычным законам, символизировал переход и трансформацию, объединяя твёрдое и жидкое, земное и духовное. Ртуть становилась центром алхимических экспериментов и философских размышлений о тайнах материи и превращениях природы.
В Древнем Египте и Китае ртуть применяли медицине, веря в её магические свойства, а в Средние века ртуть использовали для извлечения золота и серебра из руд, благодаря её способности растворять металлы и образовывать амальгамы. В более поздние века ртуть стала ключевым компонентом термометров, барометров, электрических приборов и стоматологических пломб, а её соединения использовали как антисептики, пигменты и консервирующие вещества. При этом понимание её токсичности пришло лишь в XX веке, когда обнаружилось, что ртуть и её органические соединения могут накапливаться в организме и повреждать нервную систему, что привело к постепенному ограничению её применения и поиску безопасных альтернатив.
Но все эти применения были возможны благодаря специфике столь странного и интересного элемента.
Читайте интересную подборку и про другие странности разных элементов на канале:
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями