Причина незвичайних властивостей ртуті

Вже при -39 oC розглянутий метал починає плавитися і переходить в рідкий стан, а при температурі 357 oC він починає кипіти і активно утворює пар. Очевидно, що причиною такої поведінки є слабкі металеві зв’язку в кристалічній решітці, коли речовина знаходиться в твердому стані.

Щоб зрозуміти, чому рідка ртуть, згадаємо, що являє собою металічний зв’язок. Згідно із спрощеною і наочної моделі, ця хімічна зв’язок утворюється, коли атоми металу легко віддають слабо зв’язані валентні електрони в міжатомних простір. Останні утворюють електронний газ, який пов’язує в результаті кулонівських взаємодій позитивно заряджені іони в кристалічній решітці.

Тепер звернемося до атомного будовою ртуті. Атом цього унікального металу має електронну структуру [Xe]4f145d106s2. Видно, що всі електронні оболонки його завершені, тому він дуже неохоче віддає свої електрони. Щоб відірвати один електрон з зовнішнього рівня, знадобиться енергія аж у 10 ев (для прикладу, температурі 300 К відповідає енергія 0,01 ев). Оскільки ядро атома ртуті міцно пов’язано з валентними електронами, то ніякого зв’язку металевої в кристалі цієї речовини не утворюється. Тверде стан металу можливе лише при температурі нижче -39 oC за рахунок дії слабких сил Ван-дер-Ваальса.

Зауважимо, що подібної електронної структурою мають також цинк і кадмій. Обидва металу також є легкоплавкими, однак їх температура плавлення все-таки вище, ніж у ртуті, що обумовлено відсутністю у атомів цих елементів заповненої f-орбіталі.