Proč je rtuť kapalná?

Děkujeme za naprosto úžasný dotaz! Skutečnost, že je rtuť kapalná za běžné pokojové teploty, je jedním z nejnečekanějších důsledků plynoucích z Einsteinovy teorie relativity, která tak vstupuje do říše atomů a molekul. Současně je to fakt, který snad každý z nás měl možnost si ověřit, když si v horečce měříme teplotu rtuťovým teploměrem. To tento jev jaksi polidšťuje v jasném kontrastu k existenci černých děr, která také plyne z teorie relativity. Ale ruku na srdce, kdo z nás má tu možnost pozorovat černé díry?

Jak se tedy relativita promítá do vlastností prvků, které běžně popisujeme pomocí kvantové mechaniky? Z teorie relativity plyne, že pohybující se hmotné objekty s rychlostí těžknou. A toto pravidlo platí i pro elektrony, které obíhají atomová jádra tvořená protony a neutrony. Čím rychleji se elektron kolem jádra pohybuje, tím těžší se jeví. Elektrony, které se pohybují nejblíže atomovému jádru, označujeme jako 1s. Z jednoduché kvantové teorie plyne, že jejich rychlost je tím větší, čím vyšší je protonové číslo daného prvku (čím těžší je jeho atomové jádro). Rtuť má protonové číslo 80, proto 1s elektrony obíhají jádro rtuti rychlostí, která je přibližně rovna 60 % rychlosti světla [1].

Při těchto rychlostech je hmotnost pohybujícího se elektronu o pětinu větší než hmotnost elektronu v klidu. „Těžký“ elektron se bude kolem atomového jádra pohybovat jinak, než by se pohyboval „lehký“ elektron. Podle jednoduché Bohrovy teorie atomu [2], ve které elektrony obíhají atomové jádro po kruhové dráze, dojde k tomu, že se poloměr dráhy „těžkého“ 1s elektronu zmenší o 23 %. Ve skutečnosti elektrony neobíhají atomová jádra, tak jako planety obíhají Slunce, ale zaujímají určitý prostor v okolí atomového jádra, kterému říkáme orbital. To ale na výsledku nic nemění, v atomu rtuti v důsledku relativity dojde ke smrsknutí 1s orbitalu.

Atom rtuti má protonové číslo 80, proto má i 80 elektronů, které obsazují tzv. orbitaly. Všechny tyto orbitaly mají vůči sobě jisté vztahy a jedním z těchto vztahů je, že když se smrskne 1s orbital, udělají totéž i všechny ostatní. Jinými slovy jsme se dosud dozvěděli, že relativita způsobuje smrsknutí orbitalů, a tím ovlivňuje i velikost atomů u prvků, které jsou těžké, jako například rtuť nebo zlato.

Abychom skutečně poodhalili tajemství kapalné rtuti, potřebujeme ještě jednu informaci. Pro typické kovy, jako například zlato s protonovým číslem 79, které se v periodické tabulce prvků nachází hned vedle rtuti, je typické sdílení tzv. valenčních elektronů mezi jednotlivými atomy. Valenční elektrony jsou ty, které se podílejí na vazbách s jinými atomy a nacházejí se v orbitalech s nejvyšší energií, které jsou rozprostřeny nejdále od atomového jádra. Rtuť naopak své valenční elektrony sdílí jen velmi neochotně. Ale čím je to způsobeno?

Vysvětlení musíme hledat v elektronové struktuře, která se u zlata a rtuti liší. U obou těchto prvků je energeticky nejvyšší orbital označován 6s a vejdou se do něj dva valenční elektrony. Zlato má v orbitalu 6s pouze jeden elektron a ten může být poměrně snadno sdílen s jinými atomy. Proto je zlato za pokojové teploty pevná látka. Naproti tomu rtuť má v orbitalu 6s hned dva elektrony, a tak je valenční vrstva rtuti elektrony plně obsazena. Obdobně je tomu například u nereaktivních vzácných plynů (helium, neon nebo argon). Když je valenční elektronová vrstva plně obsazena, atom se váže s jinými atomy jen neochotně, a tak nemůže dojít ke vzniku dostatečně pevných vazeb, které jsou pro vznik pevné látky nezbytné. V kombinaci s relativistickým smrsknutím 6s orbitalu dojde k tomu, že tyto elektrony se mezi atomy rtuti sdílejí jen velmi málo.

Když si to shrneme, rtuť je za pokojové teploty kapalná, jelikož relativistické smrsknutí orbitalů způsobí, že jsou valenční elektrony pevně vázány k danému atomovému jádru a nerady se budou zapojovat do kovových vazeb, kterými se vyznačují kovy pevné za pokojové teploty. Současně má rtuť takovou elektronovou konfiguraci, ve které je nejvyšší 6s orbital plně obsazen dvěma elektrony, proto není pro rtuť jednoduché tvořit vazby s ostatními atomy rtuti.

Tato neochota tvořit vazby mezi jednotlivými atomy ovlivňuje tepelnou kapacitu rtuti, tedy kolik tepla je potřeba dodat, abychom pevnou rtuť zkapalnili. Jinými slovy relativita ovlivňuje bod tání, při kterém daná látka přechází z pevné látky na kapalinu. Teprve poměrně nedávno vědci spočítali [3], že bod tání rtuti bez započtení relativistických efektů (smrštění orbitalů) leží někde okolo 82 °C, tedy rtuť by byla za pokojové teploty pevnou látkou, což, jak víme, není ve skutečnosti pravda. Když vědci do výpočtů relativistické efekty zahrnuli, dostali hodnotu pro bod tání okolo −39 °C, která je velmi blízká experimentálně změřené hodnotě −37,89 °C. Rtuť je tedy kapalná díky tomu, že pohybující se objekty těžknou, jak nás naučila teorie relativity před více než 100 lety. Není to úžasné?

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek