Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Что вообще определяет агрегатное состояние вещества? Почему одни материалы твёрдые, а другие жидкие при одинаковых температурах? Верно, сила связи между частицами.
Про это было в моем ролике из цикла «Простые понятия». Ртуть при комнатной температуре жидкая и тут мы на автомате говорим — «хм, ну так это по той причине, что внутренняя энергия частиц довольно высокая, а потому они движутся интенсивнее, чем обычно«. Вот только мало кто знает, что специфику самой связи между атомами ртути (и, как следствие, её жидкое состояние при нормальной температуре) описывает… Теория относительности Эйнштейна.
Если мы хотим понять причину, по которой ртуть (являющаяся металлом) остаётся жидкой при комнатной температуре, мы должны обратиться к специальной теории относительности.
Согласно этой теории, масса частицы увеличивается, когда ее скорость приближается к скорости света. Именно так одно время описывали невозможность тела, обладающего массой, двигаться со скоростью света, так как подразумевалась бесконечная энергия. Но оказалось, что это не совсем так.
Известно, что скорость электрона пропорциональна атомному номеру элемента. Это следует из уравнения, в котором для электрона, движущегося по стабильной круговой орбите вокруг ядра, выталкивающая центростремительная сила должна равняться притягивающей электростатической силе. Тут занятно, что закономерность относится скорее к атому Резерфорда, тогда как сегодня оптимальным считается атом Шрёдингера. Но при этом математический подход сохранился старым и продолжает использоваться.
В целом всё логично и без уравнений — замените всё шариками и сопоставьте логику с движением по круговым орбитам. Для того, чтобы сохранить дальнюю орбиту, нужны большие силы притяжения. Скажу сейчас «криво», но понятно — сила притяжения будет зависеть от скорости движения объекта по орбите. Вот и получаем эффект.
Для легких элементов, таких как водород (атомный номер 1), скорость электрона пренебрежимо мала по сравнению со скоростью света, поэтому относительность можно игнорировать.
Но для электронов ртути, которая имеет атомный номер 80, релятивистский эффект становится значительным. Скорость ее электрона близка к 58% скорости света, а ее масса увеличивается до 1,23 от массы покоя. Это увеличение массы вызывает уменьшение радиуса орбиты на 23% и большее притяжение между ядром и электронами.
Представьте себе, что весь материал был образован из магнитных шариков подобно конструктору неокуб, но в какой-то момент шарики неокуба оставили рядом так, чтобы магнитное взаимодействие между ними сохранялось, но отодвинули дальше друг от друга. Так получился эквивалент перехода из твёрдого состояния в жидкое. Связи между шариками какие-то есть, это единое физическое тело, но связей недостаточно для сохранения каркаса. Это как уменьшать радиус расположения катающихся на карусели. Так бы их выбрасывало, а тут они ближе к центру и крепко хватаются за сам карусель. Катающиеся при этом иллюстрируют электроны в атоме.
Релятивистское сжатие заставляет ртуть очень неохотно делиться своими внешними электронами с другими близлежащими атомами ртути и образовывать с ними довольно прочные связи.
Слабое взаимодействие между атомами ртути, таким образом, в основном обусловлено силами Ван-дер-Ваальса (которые возникают из-за колебаний зарядов в соседних атомах), а не обменом электронами. Силы Ван-дер-Ваальса образуют связи между атомами за счёт кулоновского взаимодействия между электронами и ядрами одного из атомов и ядрами и электронами другого из атомов. Тогда как стандартная металлическая связь была бы обусловлена взаимным присвоением электронов ядрами атомов.
По этой причине ртуть является одним из немногих металлов, которые являются жидкими при комнатной температуре.
Если бы электроны охотно перепрыгивали между атомами, то образовалась бы металлическая связь, построенная на перекрытии электронных облаков. Получился бы самый обычные металл. Но поскольку в случае ртути орбиты довольно большие, релятивистские эффекты заставляют атомы «сжиматься». Электроны каждого атома оказываются плотнее вовлеченными во взаимодействие с ядром своего атома, а потому неохотно взаимодействуют с окружением. Атомы вроде как связаны, а вроде и не настолько сильно, чтобы образовать кристаллическую металлическую решетку. Всё остаётся жидким.
Поделись видео: