Warum ist Quecksilber bei Raumtemperatur flüssig?

nicht nur als einziges Metall (worauf meine Frage abzielt), sogar als einziges Element

Answer 1

[indiachinacook]

Es gibt ein anderes flüssiges Element (Brom), und außerdem einige flüssige Metalle (Legierungen, z.B. Na/K, Ga/In/Sn).

Daß Quecksilber flüssig ist, kommt anders als beim Brom ein bißchen als Über­ra­schung, weil seine Nach­barn im Periodensystem alle höher schmelzen. Hier braucht man zur Erklärung nicht nur Quantenmechanik, sondern auch Relativitätstheorie.

Die Elektronenkonfiguration ist […]5d¹⁰6s². Die d-Schale ist voll, und deshalb verhält sich Quecksilber (genauso wie seine leichten Homologen im PSE, Zn und Cd) eher wie ein Haup­tgruppenelement: Die Chemie wird nur von den 6s-Elektronen bestimmt. Das ist nicht weiter aufregend, sondern eigentlich zu erwarten.

Aber jetzt kommt noch ein relativistischer Effekt dazu: die 6s-Orbitale sind unge­wöhn­lich klein, also nahe am Kern und stärker gebunden. Die Ursache ist dieselbe, die uns auch den “inert pair effect” in den Hauptgruppen schenkt (die 6s-Elektronen sind eher un­inter­es­siert an Chemie, und die höchstmögliche Oxidationsstufe wird in­sta­bi­ler, z.B. ist PbO₂ ein starkes Oxidationsmittel und PbO ist stabil, umgekehrt wie bei C, Si, Ge). Der Grund ist, daß das 1s-Orbital wegen des relativistischen Massen­zu­wach­ses des Elektrons schrumpft, und die anderen s-Orbitale schrumpfen aus Ortho­gona­li­täts­grün­den.

Auch wenn Du den letzten Satz nicht verstanden hast: Die 6s-Elektronen des Queck­silbers sind stark gebunden und tun nicht viel.

• Deshalb ist Quecksilber ein edles Metall, es wird also ungerne oxidiert gemäß der Glei­chung Hg ⟶ Hg²⁺ + 2 e⁻ — bei Zn und Cd geht das viel einfacher.
• Deshalb schmilzt es tief, weil die metallische Bindung durch die unwilligen Elek­tro­nen nur schlecht funktioniert. Es hat auch einen niedrigen Siedepunkt.
• Es leitet auch (für ein Metall) den Strom nur schlecht, Silber ist ein 600mal bes­se­rer Leiter, Eisen noch ein zehnmal besserer

Wenn man es ein bißchen übertreiben möchte, kann man auch sagen, daß Queck­sil­ber so auf halbem Weg zwischen einem Metall und einem Edelgas steht. Sehr weit­ge­hen­de bis vollständige Faulheit der Außenelektronen führen ja zu einem Edelgas; beim Queck­silber ist das noch nicht ganz so schlimm, geht aber schon ein bißchen in diese Rich­tung.

Woher ich das weiß: Studium / Ausbildung – Chemiestudium mit Diss über Quanten­chemie und Thermodynamik

Comments

[Tamtamy]

Super informativ!
(Ich behaupte jetzt allerdings nicht, alles verstanden zu haben ...) 😁

Answer 2

[Galaxyman20]

Metallatome binden untereinander über sogenannte metallische Bindungen. Klassisch kann man sich das so vorstellen, dass die positiv geladenen Atomkerne (Atomrümpfe) von einem "Elektronengas" umgeben sind, das heißt, dass die Elektronen zwischen allen Metallatomen gleichmäßig verteilt sind. Dabei kann man sagen, dass diese Bindungen umso stärker sind, je bereitwilliger die Atome ihre Elektronen teilen.

Quecksilber (genauso wie Zink und Cadmium auch) besitzt eine abgeschlossene Valenzschale, was energetisch sehr günstig ist. Die Atome teilen deshalb ungerne ihre Elektronen – die metallische Bindung wird schwächer und der Schmelzpunkt sinkt massiv. Zink und Cadmium haben aus dem gleichen Grund auffällig niedrige Schmelzpunkte im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen in der selben Periode (Zn: 420 °C im Vergleich zu 1083–1890 °C in Periode 4, Cd: 321 °C im Vergleich zu 962–2617 °C in Periode 5). Bei Quecksilber kommt eben noch dazu, dass die Atome besonders groß sind (der größte Atomradius aller Übergangsmetalle!), die Atome sind also schon generell weiter auseinander.

Woher ich das weiß: Studium / Ausbildung

Answer 3

[DerRoll]

Einfaches Googlen liefert an zweiter Stelle

https://www.uni-heidelberg.de/presse/news2013/pm20130827_quecksilber.html

das es keine wirklich einfache Erklärung gibt. Weiterhin ist wie @Halswirbelstrom schon geschrieben hat auch Brom bei Zimmertemperatur flüssig.

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[flachglas]

Hä ist doch gut?

dass der niedrige Schmelzpunkt auf der besonderen Elektronenstruktur von Quecksilber beruht, die sich nur mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie (SRT) von Albert Einstein erklären lässt.

„Quecksilber ähnelt in seinem Verhalten häufig eher einem Edelgas als einem Metall.“

Mit dieser Theorie beschreibt Albert Einstein die Eigenschaften von sehr schnell bewegter Materie, die im Quecksilberatom in Form von 82 Elektronen auftritt. Das Quecksilberatom besitzt daher eine veränderte Elektronenstruktur gegenüber leichteren Atomen, bei denen solche Effekte eine geringere Rolle spielen.

konnten wir zeigen, dass die relativistischen Effekte für die Simulation von Quecksilbermaterialien von entscheidender Bedeutung sind. Ohne diese Effekte läge der Schmelzpunkt von kristallinem, sprich festem Quecksilber um 105 Grad Celsius höher und es wäre bei Raumtemperatur nicht flüssig, sondern fest“

[DerRoll]

@flachglas

Eine Erklärung die die SRT bei chemischen Themen mit einschließt mag gut sein, aber sicher nicht einfach :-).

Answer 4

[Halswirbelstrom]

Brom ist bei Zimmertemperatur auch flüssig.

LG H.

Answer 5

[Nitram]

Hallo, den genauen Grund kannst selbst erkunden aber so wie Wasser bei 0Grad C vom festen in den flüssigen und bei 100 Grad in den Gasförmigen zustand kommt ist es bei Quecksilber halt bei - 38,8 Grad vom feten in den flüsigen Zustand.

Woher ich das weiß: Recherche

Comments

[flachglas]

den genauen Grund versuche ich ja hier zu erkunden...