为什么汞在室温下是液态而其他金属不是？

大多数金属元素的熔点为数百度，但汞的熔点为 -38.9° C (-38.0° F)。那么，这种金属为何与众不同呢？原因在于外层电子以及导致其结合力异常差的多种因素。

首先要注意的是，标题问题可能并不完全准确。可能有两个这些元素之所以不会出现在自然界中，是因为它们衰变得太快，无法从形成之初就留存下来。在室温下呈液态。同样的短这意味着它们必须人工生产，这意味着我们没有太多时间研究它们。人们怀疑 Copernicium 和 Flerovium 在室温下是液态的，但由于其中一个衰变前仅持续几秒钟，而另一个则更短，因此对此存在相当大的不确定性。我们当然没有大量生产它们来研究。

抛开这些好奇心不谈，汞在稳定元素中脱颖而出。从最简单的层面来说，原因是汞的最外层电子结合不太牢固，削弱了汞原子之间的拉力。这种弱点意味着，只要汞吸收了哪怕是相当少量的能量，固体的组织就会瓦解，原子开始更自由地移动。

另一种看待这个问题的方式是，当原子结合在一起时，它们的部分动能被转化为键能。汞与自身键合的能量非常小，因此不需要太多运动就能将它们分开。由于在原子水平上，随机动能相当于热量，因此汞不需要加热，更不用说加热，就可以变成液体，但其他金属的键中储存的能量更多，因此需要加热。

早在三千多年前，人们就已知道汞是液态的，但如果在元素周期表被填满时才发现这种元素，我们不可能预测到这一点。大多数常见的液体密度都很低，因此在元素周期表如此靠后的位置遇到一种液体，这完全出乎我们的意料。元素周期表中的邻居金和铊的熔点分别超过 1000 和 300 摄氏度。但它很有用：汞的密度和液态相结合，使它非常适合用作温度计、气压计和测量血压。

那么，汞的外层电子为何比其他金属的键合弱得多呢？事实证明，汞处于最佳位置，三种效应结合在一起。首先，它的外层电子壳层已满。部分填充的电子壳层中的电子更容易逃逸，成为雾的一部分。使原子结合在一起。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，汞并不是唯一一种具有完整外壳的金属，因此这不可能是唯一的原因。其他两个因素都会导致受影响原子的外层电子更靠近原子核，从而干扰它们与其他原子结合的能力。

镧系元素与汞同处于元素周期表的第六周期，它们经历了所谓的“镧系收缩”。4f 亚壳层电子不像其他电子那样能将更远的电子与原子核的正电荷隔离开来，导致外层电子被拉向内部。因此，第六周期中的大部分元素的原子半径与上一个周期的元素相似，从而导致密度大得多。

此外，水星的外层电子会经历相对论性收缩，移动速度如此之快，以至于接近光速的效果开始发挥作用。这只对较重的元素才真正重要，因为质量越大，电子的速度就越快。正如行星水星绕太阳的运行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，在水星等情况下，速度快到足以使相对论效应发挥作用。

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，它们还确保当加热到形成气体的程度时，汞原子不会像大多数元素气体（如 H₂, 哦₂或 N₂）相反，汞原子像惰性气体一样保持自身状态。