nauki ścisłe
Autor: Andrzej Majhofer | dodano: 2012-08-08
Dlaczego rtęć jest ciekła?

Dlaczego rtęć jest ciekła, mimo że sąsiadujące z nią w układzie okresowym pierwiastki są ciałami stałymi?

Odpowiada dr hab. Andrzej Majhofer z Wydziału Fizyki UW:

Rtęć intrygowała od czasów sta­rożytnych. Do dziś krążą legendy o sadzawkach wypełnionych żywym srebrem, po których – ku swej ucie­sze – spacerowali cesarze Chin i ka­lifowie średniowiecznego imperium arabskiego. Pierwiastek ten wzbudza zainteresowanie i teraz, wszak jest jedynym metalem, który w normal­nych warunkach występuje w stanie ciekłym. Zanim stwierdzono tok­syczność jego oparów, służył poszu­kiwaczom złota do ekstrahowania drobin złotego pyłu. (Rtęć tworzy ze złotem amalgamat, z którego póź­niej łatwo odzyskuje się cenny kru­szec). Ale wróćmy do zadziwiającej płynności tego metalu.

Rtęć krzepnie dopiero w tempe­raturze –38.83°C, czyli wyraźnie niż­szej niż sąsiadujące z nią w 12 gru­pie układu okresowego cynk i kadm (pierwszy zestala się w 419.53°C, a drugi w 321.07°C). Ponieważ także typ struktury krystalicznej rtęci jest wyjątkowy, wiemy, że ma ona inny niż otaczające ją metale mechanizm wią­zania chemicznego. Niestety, w pełni zadowalające wyjaśnienie tych różnic, sięgające podstawowych praw przyro­dy, wciąż jest dla fizyków i chemików wyzwaniem.

Wiemy jednak, że wyjątkowość tego metalu na pewno związana jest ze szczególną strukturą powłok elek­tronowych jego atomów. Zewnętrz­ne elektrony atomów cynku, kadmu i rtęci tworzą stabilne (choć różnią­ce się między sobą) konfiguracje cał­kowicie wypełnionych powłok s i d. W atomie rtęci dodatkowo całkowi­cie wypełniona jest powłoka f. Ale jaki to ma wpływ na jej temperaturę krzepnięcia?

Ma i to duży. Związane w atomie elektrony mogą przyjmować jedy­nie ściśle określone, skwantowane wartości energii oraz momentu pę­du i każdemu stanowi elektronu od­powiada charakterystyczny kształt rozkładu ładunku. Powłoki te zosta­ły nazwane kolejno, poczynając od najmniejszej wartości orbitalnego mementu pędu, literami s, p, d, f, g itd. Utworzenie wiązania metalicz­nego i krzepnięcie materiału zależy od stopnia zapełnienia ich przez elektrony. W metalach część elek­tronów odrywa się od atomów i nie­mal swobodnie porusza się między jonami. Powstaje w ten sposób gaz zdelokalizowanych ładunków ujem­nych, który przewodzi prąd oraz wiąże ze sobą dodatnie jony.

Dzieje się tak w większości metali. W atomach rtęci natomiast elektrony na powłoce f szczelnie otaczają jądro i niechętnie tworzą gaz elektronowy. Taki rozkład sprawia, że oddziaływa­nie kulombowskie jest silnie ekra­nowane, i dużo trudniej tworzą się wiązania metaliczne. Przez to rtęć słabiej przewodzi prąd elektryczny (w temperaturze pokojowej 16 razy słabiej niż cynk, 13 razy słabiej niż kadm i aż 60 razy słabiej niż srebro – najlepszy klasyczny przewodnik) oraz ma niższą temperaturę krzep­nięcia i w normalnych warunkach pozostaje w stanie ciekłym.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 02/2007 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Historia Polski pełna jest mitów, półprawd, przemilczeń i niedomówień. Różne jej wątki bywały w ciągu wieków retuszowane, poprawiane i wygładzane, by w końcu przybrać postać miłej dla ucha opowieści – stawały się narodowymi mitami.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Andrzej Majhofer | dodano: 2012-08-08
Dlaczego rtęć jest ciekła?

Dlaczego rtęć jest ciekła, mimo że sąsiadujące z nią w układzie okresowym pierwiastki są ciałami stałymi?

Odpowiada dr hab. Andrzej Majhofer z Wydziału Fizyki UW:

Rtęć intrygowała od czasów sta­rożytnych. Do dziś krążą legendy o sadzawkach wypełnionych żywym srebrem, po których – ku swej ucie­sze – spacerowali cesarze Chin i ka­lifowie średniowiecznego imperium arabskiego. Pierwiastek ten wzbudza zainteresowanie i teraz, wszak jest jedynym metalem, który w normal­nych warunkach występuje w stanie ciekłym. Zanim stwierdzono tok­syczność jego oparów, służył poszu­kiwaczom złota do ekstrahowania drobin złotego pyłu. (Rtęć tworzy ze złotem amalgamat, z którego póź­niej łatwo odzyskuje się cenny kru­szec). Ale wróćmy do zadziwiającej płynności tego metalu.

Rtęć krzepnie dopiero w tempe­raturze –38.83°C, czyli wyraźnie niż­szej niż sąsiadujące z nią w 12 gru­pie układu okresowego cynk i kadm (pierwszy zestala się w 419.53°C, a drugi w 321.07°C). Ponieważ także typ struktury krystalicznej rtęci jest wyjątkowy, wiemy, że ma ona inny niż otaczające ją metale mechanizm wią­zania chemicznego. Niestety, w pełni zadowalające wyjaśnienie tych różnic, sięgające podstawowych praw przyro­dy, wciąż jest dla fizyków i chemików wyzwaniem.

Wiemy jednak, że wyjątkowość tego metalu na pewno związana jest ze szczególną strukturą powłok elek­tronowych jego atomów. Zewnętrz­ne elektrony atomów cynku, kadmu i rtęci tworzą stabilne (choć różnią­ce się między sobą) konfiguracje cał­kowicie wypełnionych powłok s i d. W atomie rtęci dodatkowo całkowi­cie wypełniona jest powłoka f. Ale jaki to ma wpływ na jej temperaturę krzepnięcia?

Ma i to duży. Związane w atomie elektrony mogą przyjmować jedy­nie ściśle określone, skwantowane wartości energii oraz momentu pę­du i każdemu stanowi elektronu od­powiada charakterystyczny kształt rozkładu ładunku. Powłoki te zosta­ły nazwane kolejno, poczynając od najmniejszej wartości orbitalnego mementu pędu, literami s, p, d, f, g itd. Utworzenie wiązania metalicz­nego i krzepnięcie materiału zależy od stopnia zapełnienia ich przez elektrony. W metalach część elek­tronów odrywa się od atomów i nie­mal swobodnie porusza się między jonami. Powstaje w ten sposób gaz zdelokalizowanych ładunków ujem­nych, który przewodzi prąd oraz wiąże ze sobą dodatnie jony.

Dzieje się tak w większości metali. W atomach rtęci natomiast elektrony na powłoce f szczelnie otaczają jądro i niechętnie tworzą gaz elektronowy. Taki rozkład sprawia, że oddziaływa­nie kulombowskie jest silnie ekra­nowane, i dużo trudniej tworzą się wiązania metaliczne. Przez to rtęć słabiej przewodzi prąd elektryczny (w temperaturze pokojowej 16 razy słabiej niż cynk, 13 razy słabiej niż kadm i aż 60 razy słabiej niż srebro – najlepszy klasyczny przewodnik) oraz ma niższą temperaturę krzep­nięcia i w normalnych warunkach pozostaje w stanie ciekłym.