Вчора брав участь в засіданнях протягом 4 годин ... Але це нікому не цікаво. Цікаво, що в другому засіданні справа по борту від мене висіла таблиця хімічних елементів Д. І. Менделєєва. І я від туги і безвиході тупо її вивчав знову ...
І чогось мене потягнуло в 6 період в побічну або b-підгрупу.
Золото від ртуті відрізняється всього лише на один протон і два нейтрони в ядрі, що на тлі вісімдесяти протонів і 120 нейтронів практично ніщо - становить менше 1% відмінності по масі; і на один електрон у зовнішній оболонці - у золота 79 електронів, а у ртуті 80. Невеликі відмінності. Але як сильно розрізняються їх властивості. Ртуть - це рідина при кімнатній температурі. Що для металів - нонсенс! А про золото ви і так багато знаєте, що це за "фрукт".
Чому такі радикальні відмінності ртуті від інших металів і, особливо, від найближчого сусіда золота? Я якось про це серйозно не замислювався - ну відрізняються і відрізняються: така хімія і фізика. Відповідь задовольняє всіх школярів і студентів. А зараз задумався. І не зрозумів!
У атома золота на зовнішньої орбіталі знаходиться один s-електрон, а у атома ртуті два s-електрона. З хімічної точки зору різниця велика і визначає відмінність хімічних властивостей елементів першої та другої груп. Це добре відомо. Але чому ж срібло і кадмій або мідь і цинк не відрізняються за своїми металевим властивостям також як і золото від ртуті? Різниця кількості протонів, нейтронів і електронів у них точно така ж як і у золота і ртуті!
За логікою найпростіше отримати золото з ртуті - досить прибрати з атома ртуті один протон і два нейтрони. Алхіміки це "відчували" і намагалися це зробити. Але проти науки витратило не попреш. Великі енергії потрібні для цього - ядерні енергії. Це до слова ...
Чому ж ртуть рідка при нормальних умовах? Я не розумію.
Буду думати...
Пояснити можна практично все! А зрозуміти?
Ось моє пояснення. Газоподібне, рідке і тверде стану обумовлюються різницею між кінетичної енергією атомів і молекул речовини в даному стані (температура) і енергією їх взаємодії (потенційна енергія): у газу кінетична енергія руху атомів і молекул багато більше їх потенційної енергії тяжіння і атомно-молекулярні частинки можуть незалежно рухатися в будь-яку сторону; у рідин ці величини можна порівняти при невеликому переважання енергії зв'язку - виникають стійкі асоціати атомів і молекул; у твердих тіл енергія зв'язку молекул і атомів набагато перевищує їх кінетичну енергію руху і вони більше часу проводять поруч один з одним, виникають агломерати.
Раз ртуть рідка, то це свідчить про ослаблення металевої зв'язку між атомами в порівнянні з іншими металами. Чому? Тому що чомусь атоми ртуті в меншій мірі схильні до утворення делокалізованной металевої зв'язку за допомогою усуспільнення зовнішніх електронів.
Будова атома ртуті можна представити наступною схемою Hg) 2) 8) 18) 32) 18) 2. Числа показують кількість електронів, що знаходяться на електронних оболонках (енергетичних рівнях) навколо ядра атома ртуті. Всі електронні оболонки гранично заповнені і хімічно активними електронами у атома ртуті є тільки 2 зовнішніх, так званих, s-електрона (буква s означає, що електрони сферически симетрично розподілені навколо атома, а раз їх два на одній орбіталі, то їх магнітні моменти (спини ) протилежно орієнтовані, що забезпечує їх взаємозв'язок магнітними полями як у двох магнітиків).
Будова атома золота виглядає наступним чином: Au) 2) 8) 18) 32) 18) 1. Як видно різниця полягає лише у відсутності одного s-електрона на зовнішній орбіталі. І ця різниця призводить до таких великих наслідків в різниці фізичних властивостей золота і ртуті.
Теплопровідність і електропровідність металів зменшується в ряду:
Ag, Cu, Au, Zn, Ni, Fe, Pt, Hg. Ртуть, як видно, має найменшу теплопровідність і електропровідність в цій послідовності металів. Електропровідність і теплопровідність ртуті в 40 разів менше, ніж у золота і в 60 разів менше, ніж у срібла.
Тільки у вісмуту і германію електропровідність менше, ніж у ртуті.
Теплопровідність і електропровідність металів обумовлюються однією причиною: наявністю мобільних, вільних електронів (не локалізовано тільки на орбіталях окремих атомів) в речовині з причини виникнення так званої "металевої" зв'язку: делокалізованних електрони по всьому об'єму металу. Ця обставина відбивається законом Бідемана-Франца: ставлення теплопровідності до електропровідності є величина постійна, мало що змінюється зі зміною природи металу.
Чим більше електронів делегується в зону провідності - зону вільного переміщення електронів по всій масі речовини, зону делокализации електронів (це таке енергетичний стан електронів, коли вони перестають належати окремим атомам і починають брати участь в провідності і теплопровідності всього речовини - тобто переміщатися під дією електричного або градієнта термічного поля) - тим більше теплопровідність і електропровідність цієї речовини.
У ртуті, судячи з усіх її тепло-електричним характеристикам, явна проблема з часткою електронів, що переходять в зону провідності і, відповідно, міцністю металевої зв'язку. Така слабкість металевої зв'язку і призводить до дуже низької для металів температурі плавлення ртуті (-39 С), температурі її кипіння (358 С), теплоті плавлення (12 кДж / кг), низькою електропровідності і теплопровідності. У найближчого сусіда ртуті золота, температура плавлення тисяча шістьдесят три С, температура кипіння 2850 С, а теплопровідність і електропровідність в 40 разів більше ніж у ртуті.
Всі ці факти наводять на уявлення про те, що хімічні зв'язки між атомами ртуті визначаються не тільки металевим зв'язком - делокалізованних електронами, - але і ковалентними: перекриванням атомних електронних орбіталей атомів ртуті.
Це призводить до того, що у атомів ртуті відносно менша частка металевого зв'язку в порівнянні з іншими металами. А ковалентний зв'язок - це завжди локалізована між атомами, спрямована, і насичена зв'язок за допомогою пари електронів - по одному від кожного атома. Тому атоми ртуті схильні до димеризации і полімеризації за рахунок ковалентних зв'язків. Така особливість зв'язку між атомами ртуті призводить, також, до того, що у ртуті найвище значення енергії іонізації атомів (потенціал іонізації - енергія відриву електрона від атома): 10,44 еВ! У золота, наприклад, 9,23 еВ, а у срібла - 7,58 еВ. Ці цифри свідчать про більш сильному утриманні електрона атомами ртуті в порівнянні з іншими металами.
Дійсно, для ртуті характерне утворення хімічних сполук складу 2: 2, які вважаються сполуками одновалентной ртуті. Але в таких з'єднаннях атоми ртуті мають дві зв'язку: вони пов'язані не тільки з іншими елементами, але і між собою ковалентним зв'язком: X-Hg-Hg-X. Така будова "одновалентной" ртуті доведено рентгенографически і кондуктометричну. Електропровідність, наприклад, нітрату ртуті (I) обумовлюється перенесенням іонів Hg-Hg (+2), а не Hg (+1).
Всі ці факти свідчать про особливе енергетичному стані двох 6-s електронів в атомі ртуті. У цих електронів підвищена зв'язаність між собою на орбіталі за рахунок магнітних властивостей. Тому участь цих електронів в утворенні металевої зв'язку утруднено в порівнянні з іншими аналогічними металами: кадмієм і цинком. І саме це призводить до того, що ртуть рідина при кімнатній температурі - частка металевого зв'язку в міжатомних взаємодіях знижена і недостатня для забезпечення твердого, кристалічного стану. Схильність атомів ртуті до димеризации і полімеризації і визначає її низьку теплопровідність і електронну провідність. Мала концентрація вільних електронів.
Ртуть відноситься до, так званих, "полублагородним" металам ( "благородні" - це рутеній, родій, паладій, осмій, іридій, платина і золото).
Стандартний електрохімічний потенціал ртуті має позитивне значення (вона не розчиняється соляної, розведеної сірчаної кислотами, які не витісняє водень з кислот), але його величина менше ніж у золота і платини (тому ртуть менш хімічно стійка і більш електрохімічно активна ніж золото і платина). Ртуть реагує, хоча досить неактивно з типовими електроноакцепторними хімічними сполуками (окислювачами), тобто, вона набагато менш інертна ніж золото і елементи платинової групи.
Унікальність ртуті полягає ще й в тому, що вона легко розчиняє інші метали зберігаючи фазовий стан - утворюються так звані амальгами. Це окрема цікава тема про ртуть. Ще цікавий факт про ртуть: саме на цьому металі був відкритий ефект надпровідності при низьких температурах. Її зручно було розміщувати в скляних капілярах.
Так чому ж саме ртуть, а не її аналоги по таблиці Менделєєва - кадмій і цинк, - рідка при кімнатній температурі?
Причини, що призводять до цього, можна описати наступним чином: ослаблення можливості зовнішніх електронів атомів ртуті брати участь в утворенні металевої зв'язки між атомами через відносно значного магнітного взаємодії між собою зовнішніх s-електронів. Це обумовлюється розміром зовнішньої 6s орбіталі атома ртуті, величиною енергії зв'язку зовнішніх s-електронів цієї орбіталі з ядром, величиною електронної густини на цій орбіталі. Всі ці фактори призводять до зростання вкладу та значення ковалентних зв'язків в міжатомних зв'язках атомів ртуті. Що послаблює інтегральну, колективну металеву зв'язок атомів ртуті.
Виходячи їх цього, логічно припустити, що наступний аналог ртуті - 112 елемент буде також легкоплавким. Хоча у цього елемента досить велика маса ядер атомів і це може збільшити схильність даної речовини до твердого, кристалічному стану при атмосферному тиску. Але температура плавлення і кипіння цієї речовини явно повинні бути порівняно невеликими. Це можна перевірити тільки досвідченим шляхом.
Критерій істини - практика!

рецензії