Номер 2, страница 227 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 49. Ртуть. Глава 4. Металлы побочных подгрупп - номер 2, страница 227.

Условие.

2. Расскажите о физических свойствах ртути. Как объяснить тот факт, что при комнатной температуре ртуть — жидкость?

Решение.

Решение 2.

Расскажите о физических свойствах ртути.

Ртуть (химический символ Hg, от лат. Hydrargyrum) — это уникальный переходный металл, обладающий рядом характерных физических свойств, которые отличают его от большинства других металлов:

• Агрегатное состояние: Ртуть является единственным металлом, который находится в жидком состоянии при стандартных условиях (комнатной температуре около $20^{\circ}C$ и нормальном атмосферном давлении).
• Внешний вид: Это тяжёлая, очень подвижная, серебристо-белая жидкость с сильным металлическим блеском.
• Плотность: Ртуть — чрезвычайно плотное вещество. Её плотность при $20^{\circ}C$ составляет примерно $13546 \text{ кг/м}^3$ (или $13,546 \text{ г/см}^3$), что почти в 13,6 раз больше плотности воды. Из-за высокой плотности многие предметы, которые тонут в воде (например, железные гайки), плавают на поверхности ртути.
• Температуры фазовых переходов: Температура плавления (замерзания) ртути очень низкая и составляет $-38,83^{\circ}C$. Температура кипения — $356,73^{\circ}C$. Этот широкий диапазон существования в жидкой фазе исторически обусловил её применение в термометрах и барометрах.
• Электропроводность и теплопроводность: Как и все металлы, ртуть проводит электрический ток, однако её удельное электрическое сопротивление сравнительно велико (выше, чем у меди или серебра). Теплопроводность ртути также относительно низка для металла.
• Поверхностное натяжение: Обладает очень высоким коэффициентом поверхностного натяжения. Это приводит к тому, что ртуть не смачивает большинство поверхностей и на них собирается в виде маленьких блестящих шариков.
• Летучесть и токсичность: Ртуть заметно испаряется уже при комнатной температуре. Её пары бесцветны, не имеют запаха и чрезвычайно ядовиты, оказывая токсическое действие на нервную систему и внутренние органы.
• Способность к амальгамированию: Ртуть способна растворять в себе многие металлы (например, золото, серебро, натрий, цинк, олово), образуя жидкие или твёрдые сплавы, называемые амальгамами. Примечательно, что ртуть не взаимодействует с железом, поэтому её хранят и перевозят в стальной таре.

Ответ: Ртуть — это серебристо-белый, очень плотный ($13,546 \text{ г/см}^3$) жидкий при комнатной температуре металл, который замерзает при $-38,83^{\circ}C$ и кипит при $356,73^{\circ}C$. Она обладает хорошей электропроводностью, высоким поверхностным натяжением, значительной летучестью и способностью образовывать сплавы (амальгамы) с другими металлами.

Как объяснить тот факт, что при комнатной температуре ртуть — жидкость?

Тот факт, что ртуть является жидкостью при комнатной температуре, объясняется особенностями её электронного строения, которые приводят к аномально слабым металлическим связям между её атомами.

1. Электронная конфигурация. Атом ртути имеет электронную конфигурацию [Xe] $4f^{14}5d^{10}6s^{2}$. Это означает, что её внешняя электронная оболочка ($6s$) и предшествующая ей $5d$-оболочка полностью заполнены. Такая конфигурация является очень стабильной.

2. Релятивистские эффекты. Ртуть — тяжёлый элемент с зарядом ядра $Z=80$. Из-за такого большого заряда электроны на внутренних орбиталях движутся со скоростями, близкими к скорости света. Согласно теории относительности, это приводит к увеличению их массы и, как следствие, к сжатию s-орбиталей (и в меньшей степени p-орбиталей) и их приближению к ядру. Этот эффект, называемый релятивистским сжатием, сильно затрагивает и внешнюю $6s$-орбиталь.

3. Ослабление металлической связи. В результате релятивистского сжатия два электрона на $6s$-орбитали оказываются очень прочно связанными с ядром. Они крайне неохотно участвуют в образовании общих связей с соседними атомами, что является основой металлической связи. В итоге связь между атомами ртути оказывается очень слабой и близка по природе к слабым межмолекулярным силам Ван-дер-Ваальса, а не к прочной металлической связи, как у других металлов.

Поскольку межатомные связи очень слабы, для разрушения упорядоченной кристаллической структуры твёрдой ртути и её перехода в жидкое состояние требуется совсем немного тепловой энергии. Этим и объясняется её аномально низкая температура плавления ($-38,83^{\circ}C$), которая находится значительно ниже стандартной комнатной температуры (около $20-25^{\circ}C$).

Ответ: Ртуть является жидкостью при комнатной температуре из-за очень слабых связей между её атомами. Эта слабость вызвана релятивистскими эффектами в её тяжёлом атоме, которые делают два валентных электрона ($6s^2$) инертными и малоспособными к образованию прочной металлической связи. Вследствие этого температура, необходимая для плавления ртути, очень низка ($-38,83^{\circ}C$).