Вчера участвовал в заседаниях в течении 4 часов... Но это никому не интересно. Интересно, что во втором заседании справа по борту от меня висела таблица химических элементов Д.И.Менделеева. И я от тоски и безысходности тупо её изучал снова...
И чего-то меня потянуло в 6 период в побочную или b-подгруппу.
Золото от ртути отличается всего лишь на один протон и два нейтрона в ядре , что на фоне восьмидесяти протонов и 120 нейтронов практически ничто - составляет менее 1% отличия по массе; и на один электрон во внешней оболочке - у золота 79 электронов, а у ртути 80. Небольшие различия. Но как сильно различаются их свойства. Ртуть - это жидкость при комнатной температуре. Что для металлов - нонсенс! А про золото вы и так многое знаете, что это за "фрукт".
Почему такие радикальные отличия ртути от других металлов и, особенно, от ближайшего соседа золота? Я как-то об этом серьёзно не задумывался - ну отличаются и отличаются: такова химия и физика. Ответ удовлетворяющий всех школьников и студентов. А сейчас задумался. И не понял!
У атома золота на внешней орбитали находится один s-электрон, а у атома ртути два s-электрона. С химической точки зрения разница большая и определяющая различие химических свойств элементов первой и второй групп. Это хорошо известно. Но почему же серебро и кадмий или медь и цинк не отличаются по своим металлическим свойствам также как и золото от ртути? Разница количества протонов, нейтронов и электронов у них точно такая же как и у золота и ртути!
По логике проще всего получить золото из ртути - достаточно убрать из атома ртути один протон и два нейтрона. Алхимики это "чувствовали" и пытались это проделать. Но против науки не попрёшь. Большие энергии нужны для этого - ядерные энергии. Это к слову...
Почему же ртуть жидкая при нормальных условиях? Я не понимаю.
Буду думать...
Объяснить можно практически всё! А понять?
Вот моё объяснение. Газообразное, жидкое и твёрдое состояния обуславливаются разницей между кинетической энергией атомов и молекул вещества в данном состоянии (температура) и энергией их взаимодействия (потенциальная энергия): у газа кинетическая энергия движения атомов и молекул много больше их потенциальной энергии притяжения и атомно-молекулярные частицы могут независимо двигаться в любую сторону; у жидкостей эти величины сопоставимы при небольшом преобладании энергии связи - возникают устойчивые ассоциаты атомов и молекул; у твёрдых тел энергия связи молекул и атомов намного превышает их кинетическую энергию движения и они большее время проводят рядом друг с другом, возникают агломераты.
Раз ртуть жидкая, то это свидетельствует об ослаблении металлической связи между атомами по сравнению с другими металлами. Почему? Потому что почему-то атомы ртути в меньшей мере склонны к образованию делокализованной металлической связи посредством обобществления внешних электронов.
Строение атома ртути можно представить следующей схемой Hg)2)8)18)32)18)2. Числа показывают количество электронов, находящихся на электронных оболочках(энергетических уровнях) вокруг ядра атома ртути. Все электронные оболочки предельно заполнены и химически активными электронами у атома ртути являются только 2 внешних, так называемых, s-электрона ( буковка s означает, что электроны сферически симметрично распределены вокруг атома, а раз их два на одной орбитали, то их магнитные моменты (спины) противоположно ориентированы, что обеспечивает их взаимосвязь магнитными полями как у двух магнитиков).
Строение атома золота выглядит следующим образом: Au)2)8)18)32)18)1. Как видно разница состоит только в отсутствии одного s-электрона на внешней орбитали. И эта разница приводит к таким большим последствиям в разнице физических свойств золота и ртути.
Теплопроводность и электропроводность металлов уменьшается в ряду:
Ag, Cu, Au, Zn, Ni, Fe, Pt, Hg. Ртуть, как видно, обладает наименьшей теплопроводностью и электропроводностью в этой последовательности металлов. Электропроводность и теплопроводность ртути в 40 раз меньше, чем у золота и в 60 раз меньше, чем у серебра.
Только у висмута и германия электропроводность меньше, чем у ртути.
Теплопроводность и электропроводность металлов обуславливаются одной причиной: наличием мобильных, свободных электронов (не локализованных только на орбиталях отдельных атомов) в веществе по причине возникновения так называемой "металлической" связи: делокализованные электроны по всему объёму металла. Это обстоятельство отражается законом Бидемана-Франца: отношение теплопроводности к электропроводности есть величина постоянная, мало изменяющаяся с изменением природы металла.
Чем больше электронов делегируется в зону проводимости - зону свободного перемещения электронов по всей массе вещества, зону делокализации электронов (это такое энергетическое состояние электронов, когда они перестают принадлежать отдельным атомам и начинают участвовать в проводимости и теплопроводности всего вещества - то есть перемещаться под действием электрического или градиента термического поля) - тем больше теплопроводность и электропроводность этого вещества.
У ртути, судя по всем её тепло-электрическим характеристикам, явная проблема с долей электронов, переходящих в зону проводимости и, соответственно, прочностью металлической связи. Такая слабость металлической связи и приводит к очень низкой для металлов температуре плавления ртути ( -39 С), температуре её кипения (358 С), теплоте плавления (12 кДж/кг), низкой электропроводности и теплопроводности. У ближайшего соседа ртути золота, температура плавления 1063 С, температура кипения 2850 С, а теплопроводность и электропроводность в 40 раз больше чем у ртути.
Все эти факты наводят на представление о том, что химические связи между атомами ртути определяются не только металлической связью - делокализованными электронами, - но и ковалентными: перекрыванием атомных электронных орбиталей атомов ртути.
Это приводит к тому, что у атомов ртути относительно меньшая доля металлической связи по сравнению с другими металлами. А ковалентная связь - это всегда локализованная между атомами, направленная, и насыщенная связь посредством пары электронов - по одному от каждого атома. Поэтому атомы ртути склонны к димеризации и полимеризации за счёт ковалентных связей. Такая особенность связи между атомами ртути приводит, также, к тому, что у ртути самое высокое значение энергии ионизации атомов (потенциал ионизации - энергия отрыва электрона от атома): 10,44 эВ! У золота, к примеру, 9,23 эВ , а у серебра - 7,58 эВ. Эти цифры свидетельствуют о более сильном удержании электрона атомами ртути по сравнению с другими металлами.
Действительно, для ртути характерно образование химических соединений состава 2:2, которые считаются соединениями одновалентной ртути. Но в таких соединениях атомы ртути имеют две связи: они связаны не только с другими элементами, но и между собой ковалентной связью: X-Hg-Hg-X. Такое строение "одновалентной" ртути доказано рентгенографически и кондуктометрически. Электропроводность, например, нитрата ртути(I) обуславливается переносом ионов Hg-Hg(+2), а не Hg(+1).
Все эти факты свидетельствуют об особом энергетическом состоянии двух 6-s электронов в атоме ртути. У этих электронов повышенная связанность между собой на орбитали за счёт магнитных свойств. Поэтому участие этих электронов в образовании металлической связи затруднено по сравнению с другими аналогичными металлами: кадмием и цинком. И именно это приводит к тому, что ртуть жидкость при комнатной температуре - доля металлической связи в межатомных взаимодействиях понижена и недостаточна для обеспечения твёрдого, кристаллического состояния. Склонность атомов ртути к димеризации и полимеризации и определяет её низкую теплопроводность и электронную проводимость. Мала концентрация свободных электронов.
Ртуть относится к, так называемым, "полублагородным" металлам ("благородные" - это рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина и золото).
Стандартный электрохимический потенциал ртути имеет положительное значение (она не растворяется соляной, разбавленной серной кислотами, не вытесняет водород из кислот), но его величина меньше чем у золота и платины (поэтому ртуть менее химически устойчива и более электрохимически активна чем золото и платина). Ртуть реагирует, хотя довольно не активно с типичными электроноакцепторными химическими соединениями (окислителями), то есть, она гораздо менее инертна чем золото и элементы платиновой группы.
Уникальность ртути состоит ещё и в том, что она легко растворяет другие металлы сохраняя фазовое состояние - образуются так называемые амальгамы. Это отдельная интересная тема про ртуть. Ещё любопытный факт о ртути: именно на этом металле был открыт эффект сверхпроводимости при низких температурах. Её удобно было размещать в стеклянных капиллярах.
Так почему же именно ртуть, а не её аналоги по таблице Менделеева - кадмий и цинк, - жидкая при комнатной температуре?
Причины, приводящие к этому, можно описать следующим образом: ослабление возможности внешних электронов атомов ртути участвовать в образовании металлической связи между атомами из-за относительно значительного магнитного взаимодействия между собой внешних s-электронов. Это обуславливается размером внешней 6s орбитали атома ртути, величиной энергии связи внешних s-электронов этой орбитали с ядром, величиной электронной плотности на этой орбитали. Все эти факторы приводят к возрастанию вклада и значения ковалентных связей в межатомных связях атомов ртути. Что ослабляет интегральную, коллективную металлическую связь атомов ртути.
Исходя их этого, логично предположить, что следующий аналог ртути - 112 элемент будет также легкоплавким. Хотя у этого элемента довольно большая масса ядер атомов и это может увеличить склонность данного вещества к твёрдому, кристаллическому состоянию при атмосферном давлении. Но температура плавления и кипения этого вещества явно должны быть сравнительно небольшими. Это можно проверить только опытным путём.
Критерий истины - практика!