Каждый человек, когда слышит слово "металл", представляет себе твердое блестящее тело, которое кажется холодным, если к нему прикоснуться. Однако в природе существует металл, который при комнатной температуре является жидким. Речь идет о ртути. Рассмотрим в статье свойства этого элемента, обращая особое внимание на вопрос плотности ртути.
Химический элемент
Если взглянуть на таблицу Менделеева, то под номером 80 в ней расположен элемент ртуть. Ему соответствует символ Hg, который имеет латинское название гидраргирум. Это слово с древнегреческого языка переводится как "жидкое серебро", что обусловлено серебристым цветом металла и его жидким состоянием при нормальных условиях.
Перед ртутью в периодической таблице находится золото (Au). Такое соседство не является случайным, ведь многие химические свойства ртути подобны таковым для "царя металлов".
Рассматриваемый элемент не является химически активным, он плохо проводит тепло, однако является хорошим проводником электричества. Ртуть не растворяется в воде, ее способны растворить лишь концентрированные кислоты, например, азотная. В самом жидком металле легко растворяются многие другие металлы, включая серебро и золото. Любопытно, что железо в ртути не растворяется, это позволяет его использовать в качестве материала для контейнеров, содержащих ртуть.
Причина необычных свойств ртути
Уже при -39 oC рассматриваемый металл начинает плавиться и переходит в жидкое состояние, а при температуре 357 oC он начинает кипеть и активно образует пар. Очевидно, что причиной такого поведения являются слабые металлические связи в кристаллической решетке, когда вещество находится в твердом состоянии.
Чтобы понять, почему ртуть жидкая, вспомним, что собой представляет металлическая связь. Согласно упрощенной и наглядной модели, эта химическая связь образуется, когда атомы металла легко отдают слабо связанные валентные электроны в межатомное пространство. Последние образуют электронный газ, который связывает в результате кулоновских взаимодействий положительно заряженные ионы в кристаллической решетке.
Теперь обратимся к атомному строению ртути. Атом этого уникального металла имеет электронную структуру [Xe]4f145d106s2. Видно, что все электронные оболочки его завершены, поэтому он очень "неохотно" отдает свои электроны. Чтобы оторвать один электрон из внешнего уровня, понадобится энергия аж в 10 эВ (для примера, температуре 300 К соответствует энергия 0,01 эВ). Поскольку ядро атома ртути прочно связано с валентными электронами, то никакой связи металлической в кристалле этого вещества не образуется. Твердое состояние металла возможно лишь при температуре ниже -39 oC за счет действия слабых сил Ван-дер-Ваальса.
Заметим, что подобной электронной структурой обладают также цинк и кадмий. Оба металла также являются легкоплавкими, однако их температура плавления все же выше, чем у ртути, что обусловлено отсутствием у атомов этих элементов заполненной f-орбитали.
Какая плотность ртути?
Поскольку при нормальных условиях ртуть является текучим веществом, то любопытно узнать, насколько она тяжелая. Плотность ртути в кг на кубический метр составляет 13546. Это значение говорит, что рассматриваемый металл является очень тяжелым. Если ртутью набрать сосуд объемом 1 литр, то его масса составит 13,5 килограмм.
Большая плотность рассматриваемого металла связана с тем, что его атомы имеют относительно большую массу, которая равна 200,59 а.е.м. Для доказательства этого утверждения проведем простой расчет. Он будет заключаться в сравнении плотности ртути и воды. Как известно, вода при 4 oC имеет плотность 1000 кг/м3, а молекулярная масса H2O равна 18 а.е.м. Разделим массу атома Hg на массу H2O, получим:
m(Hg)/m(H2O) = 200,59/18 = 11,14.
Плотности же рассматриваемых веществ отличаются в 13,5 раз. Мы получили очень близкую цифру, подтвердив тем самым изложенный выше факт. Поскольку расчетная цифра оказалась несколько меньше, чем экспериментальное значение, то это говорит о том, что среднее расстояние между атомами ртути в жидкости меньше, чем расстояние между молекулами воды.
Плотность ртути практически не зависит от температуры, что является справедливым для большинства жидкостей, поскольку коэффициент ее теплового расширения очень маленький (имеет порядок 10-4 K-1).
Твердая ртуть
При температуре ниже -39 oC рассматриваемое вещество кристаллизуется, то есть из жидкого состояния переходит в твердое. Смена агрегатного состояния сопровождается выделением небольшого количества теплоты (2,3 кДж/моль), что свидетельствует об образовании слабых химических связей в твердом теле. Для типичных металлов теплота образования на порядок больше, чем у ртути.
Переход в твердое состояние сопровождается небольшим уменьшением объема и, как следствие, незначительным увеличением плотности ртути. Она становится равной 14184 кг/м3, то есть возрастает всего на 4,8 % относительно этой величины для жидкости.
Как большая плотность проявляет себя на практике?
Будучи плотной жидкостью, ртуть также обладает огромным поверхностным натяжением. Когда ртуть разливают практически на любую поверхность, то она собирается в круглые капли.
Большая плотность приводит к тому, что любой железный предмет спокойно плавает на ее поверхности в результате действия на него архимедовой силы.