Ртуть за кімнатної температури стає рідкою, а інші метали — ні: у чому причина

Більшість металічних хімічних елементів плавляться за температури в сотні градусів Цельсія. Але ртуть плавиться за температури мінус 38,9 градуса Цельсія. Чим же цей метал відрізняється від усіх інших? Уся справа в зовнішніх електронах і поєднанні факторів, які роблять їхній зв'язок надзвичайно поганим, пише IFLScience.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Важливо зазначити, що існують два трансуранових хімічних елементи, які не зустрічаються в природі, і їх можна створити штучно, але вони також перетворюються на рідину за кімнатної температури. Через короткий період напіврозпаду у вчених немає багато часу, щоб вивчити їхні властивості. Передбачається, що коперніцій і флеровій стають рідкими при кімнатній температурі, але оскільки один з них розпадається за кілька секунд, а інший ще за менший час, у цьому відношенні існує значний ступінь невизначеності.

Тому серед стабільних металів виділяється ртуть. Причину, через яку ртуть стає рідкою при кімнатній температурі, на найпростішому рівні, можна пояснити тим, що зовнішні електрони ртуті не дуже міцно пов'язані між собою і послаблюють тяжіння між одним атомом ртуті та іншим. Це означає, що щойно ртуть захоплює навіть маленьку кількість енергії, її структура руйнується, і атоми починають рухатися більш вільно.

Інше пояснення полягає в тому, що, коли атоми з'єднуються один з одним, частина їхньої кінетичної енергії перетворюється на енергію зв'язку. У зв'язках ртуті так мало енергії, що не потрібно багато руху, щоб їх зруйнувати. Оскільки на атомному рівні випадкова кінетична енергія дорівнює теплу, ртуть не обов'язково має бути теплою, а тим паче гарячою, щоб перейти в рідкий стан на відміну від інших металів, у зв'язках яких зберігається більше енергії.

Рідка властивість ртуті була відома людям ще понад 3000 років тому, але тільки з формуванням періодичної таблиці хімічних елементів, вчені змогли пояснити це. Більшість відомих рідин мають доволі низьку густину, тож зустріч із рідиною, розташованою так далеко в періодичній таблиці, суперечить очікуванням. Сусіди ртуті в періодичній таблиці хімічних елементів, золото і талій, плавляться при температурах понад 1000 і 300 градусів за Цельсієм відповідно. Поєднання щільності та можливості ртуті бути рідкою є причиною того, що вона так добре підходить для термометрів і барометрів.

Виявляється, ртуть перебуває в "золотій середині" періодичної таблиці, де поєднуються три чинники. По-перше, зовнішня оболонка ртуті заповнена електронами. Електронам у частково заповненій оболонці набагато легше втекти і стати частиною валентних електронів, які утримують атоми разом. Метали, у яких електрони розділяються легше, зазвичай плавляться за вищих, ніж кімнатна, температур.

Але ртуть є не єдиним металом із заповненою оболонкою, тому це не єдина причина. Два інші чинники змушують зовнішні електрони атомів залишатися ближче до їхнього ядра, що заважає їм зв'язуватися з іншими атомами.

Більшість елементів, які так само як і ртуть, займають шостий період періодичної таблиці, мають атомні радіуси такого самого розміру, як і в періоді вище, що призводить до їхньої набагато більшої густини. Зовнішні електрони ртуті зазнають релятивістського стиснення, рухаючись настільки швидко, що набувають чинності ефекти наближення до швидкості світла. Це має значення для важких елементів, оскільки більша маса сильніше прискорює електрони.

Поєднання двох чинників порушує зв'язок між атомами ртуті. Крім збереження стану рідини за кімнатної температури, вони гарантують, що під час нагрівання до такої міри, що ртуть перетвориться на газ, атоми ртуті не утворюють пари, як у більшості елементарних газів. Замість цього атоми ртуті тримаються окремо, як у благородних газах.

Як уже писав Фокус, учені розповіли, чи можуть люди бачити небезпечне ультрафіолетове світло. Воно має дуже короткі довжини хвиль, які коротші за фіолетовий колір у видимому спектрі. Деякі люди можуть сприймати частину цього світла.