Ртуть — единственный металл, который остается жидким при комнатной температуре. Если спросить химика почему, он начнет рисовать электронные орбитали. Если физика — он вспомнит теорию относительности. Разбираемся, как тот факт, что электроны внутри атома ртути носятся почти со скоростью света, превратил этот тяжелый металл в лужицу.
Мы привыкли думать о металлах как о чем-то твердом, прочном и тугоплавком — достаточно взглянуть на железо, титан или вольфрам. Но ртуть ломает все шаблоны. Она плавится уже при –38,8 °C.
Более того, ртуть вообще не любит вести себя как нормальный металл. Она посредственно проводит тепло, неохотно образует соединения, а если перевести её в газообразное состояние, атомы ртути предпочитают летать поодиночке, как благородные газы вроде неона или аргона, вместо того чтобы объединяться в двухатомные молекулы.
В чем проблема этого «металла-интроверта»? Чтобы ответить на вопрос, нам придется спуститься на квантовый уровень и позвать на помощь Альберта Эйнштейна.
Ртуть (Hg) — это элемент 12-й группы таблицы Менделеева с атомным номером 80. Это означает, что в ее ядре сидят 80 протонов, создающих колоссальный положительный заряд.
По законам физики, чем сильнее заряд ядра, тем сильнее оно притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Чтобы не упасть в этот гравитационно-электромагнитный «колодец», электронам на самых глубоких внутренних орбиталях приходится вращаться вокруг ядра с чудовищной скоростью. В случае с тяжелой ртутью эта скорость составляет заметную долю от скорости света.
Самое время вспомнить о Специальной теории относительности.
Как мы знаем из уравнений Эйнштейна, по мере приближения к скорости света масса объекта возрастает. Когда внутренние электроны ртути разгоняются до околосветовых скоростей, они становятся «тяжелее». Из-за увеличения массы радиус их орбит сжимается. В квантовой химии это явление так и называется — релятивистское сжатие.
Но внутренними электронами дело не ограничивается. Сжимаясь, они тянут за собой и другие электронные оболочки. Внешняя сферическая s-орбиталь (6s²), на которой у ртути находятся два валентных электрона, оказывается притянута к ядру гораздо сильнее, чем диктуют классические законы.
В нормальных металлах валентные электроны легко отрываются от своих атомов и образуют так называемый «электронный газ» — эдакий универсальный клей, который намертво скрепляет атомы в прочную кристаллическую решетку. Именно поэтому кусок железа так трудно сломать.
Но у ртути орбиталь 6s² полностью заполнена, а из-за релятивистского эффекта она еще и невероятно стабильна. Атом ртути становится крайне «жадным» — он мертвой хваткой держится за свои электроны и отказывается делиться ими с соседями.
В итоге вместо крепкой металлической связи (поскольку нет общего «электронного клея») между атомами ртути действуют лишь очень слабые Ван-дер-Ваальсовы силы. Поэтому стоит температуре подняться чуть выше минус 39 градусов — связи рвутся, решетка разваливается, и ртуть течет.
Хотя теоретики давно догадывались, что всё дело в теории относительности, доказать это математически было невероятно сложно. Точно смоделировать поведение множества атомов ртути со всеми их квантовыми причудами — адская задача даже для суперкомпьютеров.
Но в 2013 году международная группа физиков под руководством Питера Швердтфегера (Peter Schwerdtfeger) из Университета Мэсси в Новой Зеландии наконец-то смогла это сделать. Они создали точную квантовую модель плавления ртути.
Самое интересное заключалось в методологии. Ученые провели два расчета. В первом они принудительно «выключили» релятивистские эффекты в коде, заставив электроны подчиняться исключительно классической нерелятивистской физике. В этой скучной, ньютоновской вселенной ртуть оказалась вполне заурядным твердым металлом с температурой плавления +82 °C.
Затем они снова «включили» теорию относительности. И вуаля: расчетная температура плавления в модели рухнула на 105 градусов — до –23 °C (что с учетом вычислительной погрешности отлично бьется с реальными –38,8 °C). Эти квантовые эффекты полностью доминируют над обычными периодическими свойствами элементов.
Более того, в 2021 году та же команда исследователей пошла дальше. Они смоделировали всю 12-ю группу (цинк, кадмий, ртуть и искусственный коперниций). Оказалось, что если бы Эйнштейн был неправ, и цинк, и кадмий, и ртуть плавились бы при примерно одинаковых температурах — около +377 °C (650 K). То есть именно релятивистские эффекты делают таблицу Менделеева такой, какой мы ее знаем.
Так что, если вам повезет и увидите старый ртутный термометр в эпоху цифровых градусников, то можете гордиться: ведь вы смотрите на одно из немногих макроскопических, осязаемых проявлений Специальной теории относительности в нашей повседневной жизни.
Самый текучий, непостоянный и «живой» металл на Земле является таковым именно потому, что внутри его атомов царит абсолютный консерватизм. Электроны ртути слишком самодостаточны и вращаются слишком быстро, чтобы позволить себе связи с окружающими.
Читайте также: Ученые могут создавать золото в лаборатории — есть лишь одна проблема
Помочь донатом на Boosty.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
