Warum ist Quecksilber bei Raumtemperatur flüssig, andere Metalle hingegen nicht?

Die meisten metallischen Elemente schmelzen bei Temperaturen von mehreren hundert Grad, für Quecksilber liegt die Temperatur jedoch bei -38,9 °C (-38,0 °F). Warum unterscheidet sich dieses Metall von anderen? Es geht um die äußersten Elektronen und eine Kombination von Faktoren, die ihre Verbindung ungewöhnlich schwach machen.

Zunächst ist zu beachten, dass die Titelfrage möglicherweise nicht ganz korrekt ist. Möglicherweise gibt es zwei transuranische Elemente, die in der Natur nicht vorkommen, weil sie zu schnell zerfallen, um ihre Entstehung in bei Raumtemperatur flüssigen Supernovae oder Kilonovae zu überleben. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit, die dazu führt, dass sie künstlich hergestellt werden müssen, bleibt uns nicht viel Zeit, sie zu untersuchen. Es wird vermutet, dass Copernicium und Fleurophium bei Raumtemperatur flüssig sind. Da sich das eine jedoch erst nach Sekunden auflöst und das andere weniger, besteht diesbezüglich ein gewisses Maß an Unsicherheit. Wir haben sicherlich nicht viel gelernt.

Abgesehen von diesen seltsamen Dingen sticht Quecksilber unter den stabilen Elementen heraus. Auf der einfachsten Ebene liegt der Grund darin, dass die äußersten Elektronen des Quecksilbers nicht sehr stark gebunden sind, was die Anziehung zwischen einem Quecksilberatom und einem anderen schwächt. Diese Schwäche bedeutet, dass, sobald das Quecksilber eine bescheidene Energiemenge aufnimmt, die Organisation des Feststoffs zusammenbricht und die Atome beginnen, sich freier zu bewegen.

Eine andere Sichtweise ist, dass bei der Bindung von Atomen ein Teil ihrer kinetischen Energie in … umgewandelt wird. Bindungsenergie. In den Bindungen von Quecksilber mit sich selbst steckt so wenig Energie, dass es keiner großen Bewegung bedarf, um es aufzubrechen. Da zufällige kinetische Energie auf atomarer Ebene Wärme bedeutet, muss Quecksilber nicht warm, geschweige denn heiß sein, um flüssig zu werden, was bei anderen Metallen, in deren Bindungen mehr Energie gespeichert ist, jedoch der Fall ist.

Der flüssige Zustand von Merkur ist seit mehr als dreitausend Jahren bekannt, aber dieser hätte nicht vorhergesagt werden können, wenn das Element erst beim Ausfüllen des Periodensystems entdeckt worden wäre. Die meisten bekannten Flüssigkeiten haben eine sehr geringe Dichte, sodass die Begegnung mit einer Flüssigkeit, die so weit unterhalb des Periodensystems liegt, völlig im Widerspruch zu unseren Erwartungen steht. Seine Nachbarn im Periodensystem, Gold und Thallium, schmelzen bei Temperaturen von mehr als 1.000 bzw. 300 Grad Celsius. Es ist jedoch nützlich: Aufgrund der Kombination aus Dichte und Flüssigkeit eignet sich Quecksilber gut für Thermometer, Barometer und Blutdruckmessungen.

Was führt also dazu, dass die äußersten Elektronen von Quecksilber eine viel schwächere Bindung eingehen als andere Metalle? Es stellt sich heraus, dass sich Quecksilber an einem Punkt auf dem Tisch befindet, an dem drei Einflüsse zusammenkommen. Das erste ist, dass seine äußere elektronische Hülle voll ist. Für Elektronen in einer teilweise gefüllten Hülle ist es viel einfacher, zu entkommen und Teil des Nebels aus Valenzelektronen zu werden, die Atome zusammenhalten. Metalle, die leicht Elektronen teilen können, haben normalerweise Elektronen Höhere Schmelzpunktesicherlich viel höher als Raumtemperatur.

Da Quecksilber jedoch nicht das einzige Metall ist, bei dem es zu einem vollständigen Beschuss kommt, kann dies nicht der einzige Grund sein. Beide anderen Faktoren führen dazu, dass die äußersten Elektronen der betroffenen Atome näher an ihren Kernen bleiben, was ihre Fähigkeit, sich mit anderen Atomen zu verbinden, beeinträchtigt.

Mitglieder der Lanthanoid-Reihe von Elementen, die im Periodensystem die sechste Periode mit Quecksilber teilen, erfahren eine sogenannte „Lanthanoid-Kontraktion“. Die Elektronen der 4f-Unterschale schirmen die Elektronen nicht wie andere Elektronen von der positiven Ladung des Kerns ab, was dazu führt, dass die äußersten Elektronen nach innen gezogen werden. Daher haben die meisten Elemente in der Periode 6 Atomradien von ähnlicher Größe wie die in der darüber liegenden Periode, was zu einer viel größeren Dichte führt.

Darüber hinaus unterliegen die äußersten Elektronen des Quecksilbers einer relativistischen Kontraktion und bewegen sich so schnell, dass Effekte in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit eine Rolle spielen. Dies ist nur bei schwereren Elementen wichtig, da eine größere Masse die Elektronen stärker beschleunigt. So wie sich der Planet Merkur schneller um die Sonne bewegt als entfernte Objekte, bewegen sich Elektronen, die sich dem Kern nähern, schneller, in Fällen wie dem von Merkur schnell genug, um relativistische Effekte auszuüben.

Die Kombination dieser beiden Effekte stört die Bindung zwischen Quecksilberatomen. Sie sorgen nicht nur dafür, dass es bei Raumtemperatur flüssig bleibt, sondern sorgen auch dafür, dass sich die Quecksilberatome nicht paaren, wenn es so weit erhitzt wird, dass es ein Gas bildet, wie es bei den meisten elementaren Gasen der Fall ist (denken Sie an H₂oder₂ Oder n₂). Stattdessen bleiben die Quecksilberatome wie Edelgase erhalten.