Течният парадокс: Защо живакът е течен, докато всички останали метали са твърди?

Всички метали са твърди. Желязото, златото, медта, алуминият: опитайте се да огънете който и да е от тях с голи ръце и ще разберете колко здрава е кристалната им решетка. Но има един елемент, който нарушава това правило толкова дръзко, че е озадачил алхимиците още в древността. Живакът, единственият метал, който остава течен при стайна температура, беше разбран едва когато физиците се заеха с теорията на относителността на Айнщайн.

Защо живакът е течен при стайна температура

За да разберем защо живакът е течен, първо трябва да разберем защо другите метали не са. Според изданието Live Science в типичните метали атомите са подредени в подредена кристална решетка. Външните им електрони са обединени и образуват така нареченото „море от електрони“. Именно тази метална връзка държи атомите заедно и прави металите твърди, лъскави и електропроводими.

Колкото по-силна е връзката между атомите, толкова по-висока е температурата на топене на метала. Така например температурата на топене на волфрама е 3422 градуса, а на желязото – около 1538 градуса. Живакът, от друга страна, се топи при едва -38,83 градуса. За сравнение, това е по-студено от зимна нощ в далечния север и въпреки това живакът вече е течен. При стайна температура от +20 градуса той отдавна се е превърнал в познатата на всеки сребриста капка, който някога е счупил термометър и е изложил на опасност себе си и околните. Нали помним, че живакът е отровен?

Дълго време химиците го обясняват със „слабите връзки между атомите на живака“, но защо точно те са слаби, така и остана загадка. В края на краищата съседните на живака в Менделеевата таблица злато и талий са напълно здрави.

Живакът и общата теория на относителността

Отговорът се криеше не в обикновената химия, а в квантовата физика. Ядрото на атома на живака съдържа 80 протона, а това създава мощно електрическо поле. Вътрешните електрони трябва да се движат с колосална скорост, за да не попаднат в ядрото. Колко колосална? Електроните на живака се движат с около 58% от скоростта на светлината.

А при такива скорости се задейства специалната теория на относителността на Айнщайн. Според нея масата на даден обект се увеличава с приближаването му към скоростта на светлината. Електроните стават по-тежки и орбитите им се свиват по-близо до ядрото. Този ефект се нарича релативистично свиване на орбитите.

Изглеждаше, че това се отнася само за вътрешните електрони. Но уловката се състои в това, че притискането на вътрешните обвивки във веригата се отразява на външните обвивки. Външните електрони на живака са толкова плътно притиснати към ядрото, че те участват изключително неохотно в образуването на връзки със съседните атоми. Казано по-просто, живакът „не иска“ да споделя електроните си и металните му връзки се оказват аномално слаби.

Какво е общото между златото и живака

Най-любопитното е, че същият релативистичен механизъм обяснява друга загадка: защо златото е жълто, а не сребристо като повечето метали. Златото има 79 протона, само с един по-малко от живака. Релативисткото компресиране на орбитите измества прага за поглъщане на светлината, така че златото поглъща синята част от спектъра и отразява жълто-оранжевата. Без теорията на относителността златото би изглеждало като сребро.

Но в златото външните електрони все още образуват достатъчно силни връзки за твърдо състояние. А при живака, с неговия допълнителен протон и напълно запълнена обвивка, ефектът преминава един критичен праг. Електронната двойка в орбитата е толкова стабилна, че почти не участва в междуатомните взаимодействия. Това явление понякога се нарича „ефектът на инертната двойка“.

През 2013 г. група учени публикува в списание Angewandte Chemie изчисления, които окончателно се потвърждават: ако се „изключат“ релативистките ефекти в компютърния модел, живакът ще стане твърд с температура на топене около +82 градуса по Целзий. С други думи, без Айнщайн живакът би се държал като обикновен метал.

Защо живачните термометри вече не се продават

При цялата си физическа красота живакът е изключително токсичен. Парите му влияят на нервната система, бъбреците и белите дробове. Ето защо живачните термометри постепенно остават в миналото: в Европейския съюз продажбата им е забранена от 2009 г., а в някои други държави има забрана за производство и разпространение на живачни термометри от 2020 г.

Основната опасност е, че живакът се изпарява при стайна температура. Счупеният термометър е нещо повече от парчета стъкло: микрокапчиците живак се търкалят в пукнатините и техните пари могат да отровят въздуха в помещенията в продължение на седмици. Ако това се случи, не се опитвайте да събирате живака с прахосмукачка, защото тя само ще го разпръсне. Обадете се на специалистите!

В някои области обаче живакът все още е незаменим. Той се използва в някои видове лампи, в научните инструменти и дори в някои ваксини в безопасни микродози, въпреки че това постепенно се преустановява.

Живакът е единственият метал, който е течен при стандартна стайна температура (20°C). Има обаче и други, които се топят съвсем близо до нея:

• Цезий: 28,4°C
• Галий: 29,7°C (топи се в дланта ви)
• Рубидий: 39,3°C