Хімічний елемент ртуть. Щільність металу в рідкому і твердому агрегатних станах

Кожна людина, коли чує слово “метал”, уявляє собі тверде блискуче тіло, яке здається холодним, якщо до нього доторкнутися. Проте в природі існує метал, який при кімнатній температурі є рідким. Мова йде про ртуті. Розглянемо у статті властивості цього елемента, звертаючи особливу увагу на питання щільності ртуті.

Хімічний елемент

Якщо поглянути на таблицю Менделєєва, то під номером 80 в ній розташований елемент ртуть. Йому відповідає символ Hg, який має латинське назва гидраргирум. Це слово з давньогрецької мови перекладається як “рідке срібло”, що обумовлено сріблястим кольором металу і його рідким станом за нормальних умов.

Перед ртуттю в періодичній таблиці знаходиться золото (Au). Таке сусідство не є випадковим, адже багато хімічні властивості ртуті подібні таким для “царя металів”.

Розглянутий елемент не є хімічно активним, він погано проводить тепло, однак є хорошим провідником електрики. Ртуть не розчиняється у воді, її здатні розчинити лише концентровані кислоти, наприклад, азотна. У самому рідкому металі легко розчиняються багато інші метали, зокрема срібло і золото. Цікаво, що залізо не розчиняється в ртуті, це дозволяє його використовувати в якості матеріалу для контейнерів, що містять ртуть.

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.

Яка щільність ртуті?

Оскільки при нормальних умовах ртуть є текучою речовиною, то цікаво дізнатися, наскільки вона важка. Щільність ртуті в кг на кубічний метр становить 13546. Це значення каже, що цей метал є дуже важким. Якщо ртуттю набрати посудину об’ємом 1 літр, то його маса складе 13,5 кілограм.

Велика щільність розглянутого металу пов’язана з тим, що його атоми мають відносно велику масу, яка дорівнює 200,59 а.е.м. Для доказу цього твердження проведемо простий розрахунок. Він полягатиме в порівнянні щільності ртуті і води. Як відомо, вода при 4 oC має щільність 1000 кг/м3, а молекулярна маса H2O дорівнює 18.е.м. Розділимо масу атома Hg на масу H2O, отримаємо:

m(Hg)/m(H2O) = 200,59/18 = 11,14.

Щільності ж розглянутих речовин відрізняються в 13,5 разів. Ми отримали дуже близьку цифру, підтвердивши тим самим викладений вище факт. Оскільки розрахункова цифра виявилася дещо меншою, ніж експериментальне значення, то це говорить про те, що середня відстань між атомами ртуті в рідині менше, ніж відстань між молекулами води.

Щільність ртуті практично не залежить від температури, що є справедливим для більшості рідин, оскільки її коефіцієнт теплового розширення дуже маленький (має порядок 10-4 К-1).

Тверда ртуть

При температурі нижче -39 oC аналізоване речовина кристалізується, тобто з рідкого стану переходить у твердий. Зміна агрегатного стану супроводжується виділенням невеликої кількості теплоти (2,3 кДж/моль), що свідчить про утворення слабких хімічних зв’язків у твердому тілі. Для типових металів теплота утворення на порядок більше, ніж у ртуті.

Перехід в твердий стан супроводжується невеликим зменшенням об’єму і, як наслідок, незначним збільшенням щільності ртуті. Вона стає рівною 14184 кг/м3, тобто зростає всього на 4,8% відносно цієї величини для рідини.

Як велика щільність проявляє себе на практиці?

Будучи щільною рідиною, ртуть також володіє величезним поверхневим натягом. Коли ртуть розливають практично на будь-яку поверхню, то вона збирається в круглі краплі.

Велика щільність призводить до того, що будь-залізний предмет спокійно плаває на її поверхні в результаті дії на нього до архімедового сили.