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为什么汞在室温下是液态而其他金属不是?

  • 2024-04-27
  • Kemberly

大多数金属元素在数百度的温度下熔化,但汞的熔化温度为 -38.9° C (-38.0° F)。那么为什么这种金属与其他金属不同呢?这一切都与外层电子以及导致它们结合异常不良的因素的组合有关。

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首先要注意的是,标题问题可能并不完全准确。可能有两个元素不会出现在自然界中,因为它们衰变得太快,无法在创造时幸存下来在室温下是液体。同样的短篇这意味着它们必须人工生产,意味着我们没有太多时间来研究它们。锴和镝被怀疑在室温下是液体,但由于其中一种在腐烂前只能持续几秒钟,而另一种甚至更短,因此对此存在相当程度的不确定性。我们当然没有花很多钱来研究。

抛开这些好奇心不谈,汞在稳定元素中脱颖而出。从最简单的角度来看,原因是汞最外层的电子结合不太牢固,从而削弱了一个汞原子与另一个汞原子之间的吸引力。这种弱点意味着,一旦汞吸收了相当少量的能量,固体的组织就会崩溃,原子开始更自由地移动。

另一种看待这个问题的方法是,当原子结合在一起时,它们的一些动能会转化为键能。水银与自身的结合能量非常小,不需要很大的运动就能将它们分开。由于在原子水平上,随机动能等于热量,因此汞不需要很热,更不用说很热,就能变成液体,但其他金属,在它们的键中储存了更多的能量,可以这样做。

水星的液体状态在三千多年前就已为人所知,但如果这种元素是在元素周期表填满时才被发现的,我们是无法预测到的。大多数熟悉的液体密度都相当低,因此遇到元素周期表中如此靠后的液体与我们的预期完全相反。它在元素周期表上的邻居金和铊的熔化温度分别超过 1000 和 300 摄氏度。但它很有用:水银的密度和液态相结合,使其非常适合温度计、气压计和测量血压。

那么,汞的外层电子是如何导致其键合力比其他金属弱得多的呢?事实证明,汞处于三种效应结合的最佳位置。首先是它的外电子层是满的。部分填充的壳层中的电子更容易逃逸,成为雾的一部分。将原子结合在一起。具有更容易共享电子的金属通常具有熔点更高,肯定远高于室温。

然而,水星并不是唯一具有完整外壳的金属,因此这并不是唯一的原因。另外两个因素都会导致受影响原子的外层电子更靠近其原子核,从而干扰它们与其他原子结合的能力。

镧系元素的成员在元素周期表上与汞共享第六周期,经历了所谓的“镧系元素收缩”。 4f 亚壳层的电子不会像其他电子那样将电子远离原子核的正电荷,从而导致外部电子被向内拉。因此,第 6 周期的大多数元素的原子半径与其上方周期的元素相似,从而导致密度更大。

此外,汞的外层电子会经历相对论收缩,移动速度如此之快,以至于接近光速的效应开始发挥作用。这仅对较重的元素才真正重要,因为质量越大,电子加速得越多。正如水星围绕太阳的运动速度比更远的物体更快一样,靠近原子核的电子运动速度也更快,例如水星的速度足以对物质产生相对论效应。

这两种效应的结合会干扰汞原子之间的结合。除了在室温下保持液态外,他们还确保当加热到形成气体时汞原子不会像大多数元素气体一样配对(想想 H2, 氧2或N2)。相反,汞原子像惰性气体一样保持独立。

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