შეეკითხე მეცნიერს

კითხვა:

გამარჯობათ ძალიან გთხოვთ დამეხმაროთ, აუცილებლად მჭირდება პასუხი. -რატომ არის ვერცხლისწყალი თხევად მდგომარეობაში?
ხატია კუჭუხიძე

პასუხი:.

ელემენტთა პერიოდულობის ცხრილში ერთი შეხედვით ელემენტები მკაცრად განსაზღვრული წესის თანახმად არიან განლაგებულნი, თუმცა როგორც სხვა დანარჩენი რამ, მასშიც ვხვდებით რამდენიმე გამონაკლისს.

ერთ-ერთი ასეთი გამონაკლისი არის ვერცხლისწყალი. მისი „გვერდითი კარის“ მეზობლები ოქრო და თალიუმი მყარი ნაერთებია. მეტალთა რეაქციისუნარიანობა ჯგუფში ზემოდან ქვებით იზრდება, მაგრამ ვერცხლისწყალი უფრო ნაკლებად აქტიურია, ვიდრე თუთია და კადმიუმი - იგი ძალიან რთულ პირობებში იჟანგება. ამ ერთადერთი თხევადი მეტალის თავისებურებანი მხოლოდ ამით არ ამოიწურება. მისივე ჯგუფის სხვა მეტალებისაგან განსხვავებით იგი ძალიან ცუდად ატარებს ელექტრულ დენსა და სითბოს.

სანამ ძირითად კითხვაზე გავცემდეთ პასუხს, ჯერ კიდევ ერთხელ გადავხედოთ მეტალთა ბუნებას. ყველა მათგანი მყარია (Hg-ის გარდა). მეტალებისათვის დამახასიათებელია მეტალური ბმა. მეტალურ ბმაში ატომი სავალენტო ელექტრონებს უზიარებს გარშემომყოფ მეტალთა ატომებს. შესაბამისად მიიღება ერთგვარი „ელექტრონთა ზღვა“, რომლის ფსკერზე ჩაძირული და დაფიქსირებულია მეტალთა კატიონები. ამგვარი ელექტრონული ზღვის მოდელის საშუალებით შესაძლებელია აიხსნას მეტალთა ყოფაში არაერთი თვისება და ხასიათი. მაგალითად, მეტალები ატარებენ ელექტრულ დენს იმიტომ, რომ ელექტრონები მკაცრად არ არიან მიჯაჭვული ატომებს, და ელექტრული ველის მოდების შემთხვევაში მათ შესწევთ უნარი გადაადგილდნენ თავისუფლად. იგივე შეიძლება ითქვას სითბოს გატარების უნარზე. მეტალები არამეტალებისაგან განსხვავებით ჭედადები არიან, ადვილად შეიძლება მათი გაჭიმვა, მავთულად დახვევა, რაიმე ფორმის გამოჭედვა. ამ დროს ატომბირთვები იცვლიან განლაგებას, ელექტრონების ზღვის ფსკერზე, ხოლო თვით ზღვა იცვლება ფსკერის შესაბამისად - თითქოს სითხე ერთი სახის ჭურჭლიდან მეორეში გადაგვაქვს.

ელექტრონების ზღვის მოდელის საშუალებით შეიძლება ავხსნათ მეტალთა სიმტკიცის ფენომენი და ლღობის ტემპერატურის მაღალი მნიშვნელობები. მაგალითად, მაგნიუმი უფრო მაღალ ტემპერატურაზე ლღვება, ვიდრე ნატრიუმი, რადგან Mg²⁺ იონები ფსკერზე ორი ელექტონით არის „დაწებებული“, ხოლო ნატრიუმის - მხოლოდ ერთით.

ვერცხლისწყალი გარე სავალენტო შრეზე მოიცავს ორ გაწყვილებულ s-ელექტრონს, ოქროს კი მხოლოდ ერთი ამგვარი ელექტრონი აქვს. s-ელექტრონის ისედაც სუსტი რეაქციისუნარიანობის გამო ოქროს შეუძლია ორატომიანი (გაზურ ფაზაში) მოლეკულების წარმოქმნა, ვერცხლისწყალს კი არა. ამიტომ სითბოს გადაცემისას Hg-Hg ბმები უფრო ადვილად ირღვევა, ვიდრე Au-Au ბმები. შესაბამისად, ვერცხლისწყალი -39°C-ზე ლღვება, ხოლო ოქრო - 1064°C-ზე. ნივთიერება, რომლის ლღობის ტემპერატურა ოთახის ტემპერატურაზე დაბალია, ნორმალურ პირობებში თხევად აგრეგატულ მდგომარეობას იკავებს.

რატომ ავლენს ინერტულობას 6s ელექტრონული წყვილი? ისინი მოძრაობენ დიდი ზომის ატომბირთვის გარშემო თითქმის სინათლის სიჩქარით. მაღალი სიჩქარით მოძრაობისას კი აინშტაინის ცნობილი „ფარდობითობის თეორია“ ერთვება საქმეში. მაღალი სიჩქარით მოძრავი ელექტრონის მასა იზრდება ფარდობითობის ეფექტის გამო. დიდი მასის გამო ისინი უფრო დიდ დროის გატარებას იწყებენ ატომბირვის სიახლოვეს, ვიდრე შედარებით ნელი (მსუბუქი) ელექტრონები. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ისინი უფრო ნაკლები ენერგიის მატარებლები (ნაკლებ რეაქციისუანარიანნი) არიან და თითქოს უფრო ღრმად არიან ჩაძირულნი ატომის გარსში.

მაგრამ იბადება კითხვა, იგივე ეფექტი რატომ არ ეხება ოქროსა და თალიუმს? ოქროს ვერცხლისწყლისაგან განსხვავებით 6s ორბიტალზე ერთი ელექტრონი აქვს, ხოლო თალიუმს ვერცხლისწყალთან განსხვავებით დამატებით კიდევ გააჩნია ერთი p ელექტრონი. მათი 6s ორბიტალებიც, ისევე როგორც ვერცხლისწყლის, დაბალი ენერგიის შემცველები არიან, მაგრამ ოქროს გაუწყვილებელი ელექტრონი აქვს და ამიტომ მისი ენერგია აღემატება ვერცხლისწყლისას. მის მიერ წარმოქმნილი მეტალ-მეტალური ბმა უფრო მტკიცეა და შესაბამისად, მაღალი ლღობის ტემპერატურა გააჩნია.

თალიუმი კიდევ უფრო მასიურია და ამიტომ მისი 6s ორბიტალი კიდევ უფრო ინერტულია. მაგრამ იგი მოიცავს 6p ელექტრონსაც. P-ელექტრონის ბუებიდან გამომდინარე, არ შეუძლია s-ელექტრონზე უფრო ახლოს განთავსება ატომბირთვთან. ამასთანავე მას გააჩნია სიმეტრიის საკვანძო სიბრტყე. ამიტომ მასზე ნაკლებად მოქმედებს ფარდობითობა. აქედანვე აიხსნება, თუ რატომაა Tl⁺ უფრო სტაბილური, ვიდრე Tl⁺³, იმავე ჯგუფის ბორისა და ალუმინისაგან განსხვავებით.

დეტალურად იხილეთ მასალა L.J. Norrby, "Why is mercury liquid? Or, why do relativistic effects not get into chemistry textbooks?" Journal of Chemical Education, 68, 110-113 (1991