Per què el mercuri és líquid?

El mercuri és desconcertant en molts aspectes. Per començar, és líquid a temperatura i pressió ambient, quan tots els seus veïns a la taula periòdica són sòlids. També és molt menys reactiu que el cadmi o el zinc i és difícil d’oxidar. A més a més, no condueix la calor o l’electricitat tan bé com altres membres del seu grup. Les següents dades ho corroboren.

		Au	Hg	Tl
	Punt de fusió (ºC)	1064	-38.83	304
	Punt d’ebullició (ºC)	2853	356.73	1473
	Entalpia fusió(Kj/mol)	12.5	2.29	4.2
	Entalpia vap.(Kj/mol)	330	59.2	165
	Resistivitat elèctrica(10-8 Ohm m)	2.2	96	15
	1a Energia Ionització (KJ/mol)	890	1007	589
	Cond. tèrmica (w/ m·K)	320	8.3	46

Per poder entendre aquest comportament tan peculiar, convé recordar abans alguns conceptes bàsics.

Per què gairebé tots els metalls són sòlids en condicions ambientals normals?

A l’estructura de la majoria de metalls, els àtoms comparteixen els seus electrons de valència amb els àtoms circumdants. Podem imaginar el metall com un enreixat d’ions positius mantinguts units per un núvol d’electrons de valència compartits.

Aquest model de núvol d’electrons explica moltes propietats dels metalls. Per exemple:
Els metalls condueixen l’electricitat perquè els electrons compartits són lliures per a desplaçar-se; agafar un electró a una regió del metall provocarà que electrons d’àrees circumdants entrin precipitadament i omplin el forat.
Els metalls poden ser estirats en cables o finament laminats perquè els ions metàl·lics poden lliscar uns respecte als altres i segueixen encara units pels electrons de valència compartits.
El model de núvol d’electrons explica també algunes tendències en la duresa metàl·lica i el punt de fusió. Els més durs, els metalls de punt de fusió alt, tendeixen a compartir més electrons de valència que els més tous, els metalls més fàcilment fonedissos. Per exemple, el magnesi té un punt de fusió més alt que el sodi perquè els ions Mg²⁺ estan units per un núvol d’electrons amb 2 electrons per a cada àtom, mentre cada àtom en el sodi contribueix només amb un electró al núvol comú.

Les condicions particulars del mercuri:

En el cas del mercuri, els àtoms s’uneixen als seus 2 electrons de valència 6s molt fortament. Això fa que els seus electrons de valència no siguin compartits fàcilment, per tant l’enllaç mercuri-mercuri és més feble de l’esperat. (De fet el mercuri és l’únic metall que no forma molècules diatòmiques en la fase de gas). Per vèncer la feble unió entre els àtoms de mercuri no cal arribar a temperatures gaire altes, per això el mercuri bull i fon a temperatures més baixes que qualsevol altre metall.
Aquest núvol d’electrons de valència menys “lliures” no permet al mercuri conduir ni l’electricitat ni la calor tan bé com seria d’esperar per a un metall en aquesta posició de la taula periòdica.
Si els electrons de valència estan fortament atrets, la reactivitat del mercuri serà baixa. Amb aixó queden explicades les especials propietats d’aquest metall. Tota l’argumentació, però, es basa en l’afirmació feta al principi d’aquest apartat. Cal, idò, justificar-la:

Per què els àtoms de mercuri atreuen fortament els seus electrons 6s?

Els electrons dins orbitals s són capaços de moure’s fins molt prop del nucli. En el cas del mercuri, aquests electrons giren al voltant de nuclis molt massius i a velocitats comparables a la de la llum. Quan els objectes es mouen a tan altes velocitats, apareixen efectes relativistes: aquests electrons s es comporten com si fossin més massius que els electrons que es mouen a velocitats lentes. Aquesta major massa fa que passin més temps prop del nuclii i això es tradueix en una contracció de l’orbital (torna més petit). Aquesta contracció relativista de l’orbital 6s baixa la seva energia i fa que els seus electrons siguin molt menys actius a l’hora de demostrar algun comportament químic, estan literalment enterrats ben endins dins l’àtom.

Aquesta explicació provoca, però, un petit dilema: Si aquest efecte es dóna a tots els electrons de valència 6s, com es justifica que altres metalls amb gairebé la mateixa configuració electrònica del mercuri, com l’or o el tal·li, no siguin també líquids a temperatura ambient?

Si observam les configuracions electròniques de tots tres elements:

Els tres àtoms tenen orbitals 6s d’energia molt baixa, per tant relativament estables. En el cas de l’or, però, l’orbital 6s està només semiplè. L’acceptació d’un electró en aquest orbital, en baixarà encara més l’energia, i és d’esperar que la unió entre els seus àtoms sigui, per tant, més forta. De totes maneres, l’electró 6s és atret fortament, la qual cosa converteix l’or en inert i d’aquí la seva reputació com a metall noble.

El tal·li té el nucli més massiu que el mercuri, per tant el parell 6s és encara més inert que en el mercuri. Però el tal·li té un electró 6p. Cal recordar que els electrons p no poden acostar-se al nucli tan estretament com els electrons s ( l’orbital p té un plànol nodal, amb probabilitat zero per a l’electró, que passa pel nucli). Així, aquest electró 6p és clarament més reactiu que els electrons 6s. Això explica la diferència de comportament amb el mercuri, i també per què l’ió més comú del tal·li siugi el Tl+, i no l’ió Tl+3 com en el cas del bor i l’alumini i altres membres de la seva família.