Почему ртуть жидкая, хотя все металлы твердые

Все металлы твердые. Железо, золото, медь, алюминий: попробуйте согнуть любой из них голыми руками, и станет понятно, насколько прочна их кристаллическая решетка. Но есть один элемент, который нарушает это правило так дерзко, что озадачивал алхимиков еще в античности. Ртуть, единственный металл, остающийся жидким при комнатной температуре, был понят только когда физики привлекли теорию относительности Эйнштейна.

Алхимики называли ртуть «живым серебром» и «матерью всех металлов». Источник изображения: livescience.com

Почему ртуть жидкая при комнатной температуре

Чтобы понять, почему ртуть жидкая, сначала стоит разобраться, почему остальные металлы не такие. По данным Live Science, в типичном металле атомы выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку. Их внешние электроны обобществляются, образуя так называемое «электронное море». Именно эта металлическая связь удерживает атомы вместе и делает металлы твердыми, блестящими и электропроводными.

Чем прочнее связь между атомами, тем выше температура плавления металла. У вольфрама, например, она составляет 3 422 градуса, а у железа около 1 538 градусам. Ртуть же плавится при жалких −38,83 градусах. Для сравнения: это холоднее, чем зимняя ночь в Якутске, и все равно ртуть уже жидкая. При комнатных +20 градусах она давным-давно превратилась в ту самую серебристую каплю, знакомую каждому, кто хоть раз разбивал градусник и подвергал себя и других опасности. Мы же помним, почему ртуть ядовитая?

Долгое время химики объясняли это «слабыми связями между атомами ртути», но почему именно они слабые, оставалось загадкой. Ведь соседи ртути по таблице Менделеева, золото и таллий, вполне себе твердые.

Ртуть и общая теория относительности

Ответ оказался скрыт не в обычной химии, а в квантовой физике. Ядро атома ртути содержит 80 протонов, и это создает мощнейшее электрическое поле. Внутренние электроны вынуждены двигаться с колоссальной скоростью, чтобы не «упасть» на ядро. Насколько колоссальной? Скорость электронов ртути достигает примерно 58% скорости света.

А при таких скоростях вступает в игру специальная теория относительности Эйнштейна. Согласно ей, масса объекта растет по мере приближения к скорости света. Электроны становятся «тяжелее», а их орбитали сжимаются ближе к ядру. Этот эффект называют релятивистским сжатием орбиталей.

Казалось бы, это касается только внутренних электронов. Но фокус в том, что сжатие внутренних оболочек по цепочке влияет на внешние. Внешние электроны ртути оказываются настолько плотно прижаты к ядру, что крайне неохотно участвуют в образовании связей с соседними атомами. Проще говоря, ртуть «не хочет» делиться своими электронами, и ее металлическая связь получается аномально слабой.

Золото и ртуть, соседи по периодической таблице, обязаны своими необычными свойствами одному и тому же релятивистскому эффекту. Источник изображения: Live Science

Что общего между золотом и ртутью

Самое любопытное, что тот же релятивистский механизм объясняет и другую загадку: почему золото желтое, а не серебристое, как большинство металлов. У золота 79 протонов, всего на один меньше, чем у ртути. Релятивистское сжатие орбиталей смещает порог поглощения света так, что золото поглощает синюю часть спектра и отражает желто-оранжевую. Без теории относительности золото выглядело бы как серебро.

Но у золота внешние электроны все же формируют достаточно прочные связи для твёрдого состояния. А вот у ртути, с ее дополнительным протоном и полностью заполненной оболочкой, эффект переходит критический порог. Электронная пара на орбитали настолько стабильна, что практически не участвует в межатомном взаимодействии. Это явление иногда называют «эффектом инертной пары».

В 2013 году группа ученых опубликовала в журнале Angewandte Chemie расчеты, которые окончательно подтвердили: если «выключить» релятивистские эффекты в компьютерной модели, ртуть стала бы твердой с температурой плавления около +82 градусов. Другими словами, без Эйнштейна ртуть вела бы себя как обычный металл.

Почему ртутные градусники больше не продаются

При всей своей физической красоте ртуть чрезвычайно токсична. Ее пары поражают нервную систему, почки и легкие. Именно поэтому ртутные термометры постепенно уходят в прошлое: в Евросоюзе их продажа запрещена с 2009 года, а в России с 2020 года действует запрет на производство и оборот ртутных градусников.

Главная опасность в том, что ртуть испаряется при комнатной температуре. Разбитый градусник, это не просто осколки стекла: микрокапли ртути закатываются в щели, и их пары могут отравлять воздух в помещении неделями. Если такое случилось, не пытайтесь собрать ртуть пылесосом, это только распылит ее. Вызывайте специалистов!

Еще больше познавательных материалов вы найдете в нашем канале в MAX. Подпишитесь прямо сейчас!

Впрочем, в некоторых областях ртуть пока незаменима. Она используется в определенных типах ламп, в научных приборах и даже в некоторых вакцинах в безопасных микродозах, хотя и от этого постепенно отказываются.