Hur funkar kvicksilver?

Med tanke på att det är en metall så är det ganska svårbegripligt att det är flytande vid rumstemperatur. Är det helt enkelt så att det är en smält form, precis som järn är flytande vid tillräckligt hög temperatur? eller är det(och det antar jag) dess naturliga tillstånd.

en annan grej, vid höga temperaturer avger kvicksilver giftiga gaser. Kan man "koka" bort dessa gaser så att kvicksilvret inte avger något mer?

Såg ett experiment där en järnspik flöt i kvicksilver p.g.a att densiteten i järn är lägre än i kvicksilver. Undrar hur det hade varit att bada i kvicksilver..... man hade ju flytit något grymt bra.

Ja, det är så "enkelt". Nu "råkar" det vara så att de flesta metaller är i sitt fasta tillstånd (undantag cesium, francium och gallium) vid rumstemperatur.

Anledning till att just kvicksilver är flytande är att dess valenselektroner (2 st 6s-elektroner) är mycket starkt bundna till jonkärnan. I vanliga metaller lämnar elektronerna jonkärnan och används som ett "lim" för att binda ihop jonerna. I kvicksilver vill elektronerna inte lämna kärnan och limmet blir således dåligt - det finns "få" elektroner som hjälper till att binda ihop kvicksilverjonerna. Därför krävs det lite termisk energi för att smälta kvicksilver.

Av samma anledning leder kvicksilver ström dåligt och är den enda metall (?) som är monoatomisk i gasfasen (och är supraledande vid "måttliga" temperaturer).

Varför är elektronerna starkt bundna till kärnan? Det är faktiskt en relativistisk effekt. De rör sig mycket snabbt, vilket gör att de beter sig som att de får större massa (läs om speciell relativitetsteori), vilket gör att de måste befinna sig närmare kärnan. Man kan visa att avståndet till atomkärnan är inverst proportionellt mot massan.[*] Eftersom de är närmare kärnan så upplever de den elektrostatiska attraktionen till kärnan starkare och vill ogärna delta i bindning.

Låt oss titta på grannarna till kvicksilver i periodiska systemet.

Guld har nästan samma elektronkonfiguration som kvicksilver men här har vi bara en 6s-elektron vilket gör att angränsande guld-atomer kan dela på elektroner för att fylla detta skal och sänka sin energi. Guld är dock fortfarande ganska mjukt och icke-reaktivt.

Tallium har samma fyllda 6s-skal som kvicksilver men har även en extra 6p-elektron. Kvantmekaniken lär oss att p-elektroner inte kan närma sig kärnan på samma sätt som selektroner (de har en annan symmetri på vågfunktionen) så dessa pelektroner kommer att vara "längre ut" och kan därför bidra till bindningen.


De giftiga gaserna du tänker på är nog helt enkelt kvicksilverånga. Även i en vätska som hålls under sin kokpunkt så försvinner en del av vätskan alltid i gasform. Ju högre temperatur desto mer gas "dunstar". Läs om ångtryck om du är intresserad.

Alltså kan du inte bli av med dessa gaser.


Ja, men hur nyttigt är det...
[*] Man skulle kunna förklara detta i termer av rörelsemängdsmomentets bevarande, som man märker då en konståkare drar in händerna under en piruett och ökar sin fart. Lite grovt kan man säga att massa*hastigheten*avståndet ska vara konstant. Om således massan ökar måste avståndet minska. Detta är dock lite oärligt eftersom s-elektroner inte har något rörelsemängdsmoment i den kvantmekaniska bilden.

En intressant artikel om relativistiska effekter inom kemi:
http://bama.ua.edu/~chem/seminars/student_seminars/spring04/papers-s04/gutowski-sem.pdf

Tackar evolute för denna länk, har letat länge efter en sådan.

Själv har jag länge protesterat emot kemisternas fixering vid Schrödingerekvationen som unviversalmetod för att beräkna allehanda egenskaper. Jag menar att Diracekvationen ger en bättre beskrivning, eftersom den dels tar hänsyn till relativistiska effekter, dels förmår beskriva elektronspinnet. Till skillnad från Schrödingerekvationen.

Detta har bemötts med total oförståelse från kemister, i bästa fall. Vilket fått mig att ibilla mig att jag har en skruv lös.


Enligt denna länk tydligen inte. Det var en lättnad.

Ska läsa på. Relativistisk kvanmekanik är inte precis vad kemisterna dagligen tar hänsyn till inom den oorganiska kemin.

Jo, givetvis är Diracekvationen bättre men som med allt annat - bättre betyder krångligare. Till och med inom materialfysiken så förkastar man ofta relativistiska modeller till förmån för enklare, icke-relativistiska, och om man tror sig veta att inga magnetiska effekter förekommer så förkastar man till och med spinn. Nedan är en bild av en simulering jag gjorde som student av tillståndstätheten för götit, alfa-FeOOH, (korrekt svenska?), ett antiferromagnetiskt naturligt förekommande mineral. Man ser den dramatiska skillnaden i tillståndstäthet vid fermiytan för beräkningar med/utan spinn. Eftersom denna storhet till stor del bestämmer den magnetiska kopplingen ser man tydligt vikten av att inkludera spinn (inte oväntat så klart...).

http://i6.tinypic.com/1zlamtg.jpg

Jag tycker också det är intressant med relativistiska effekter eftersom de ofta kopplas samman med rymdskepp och svarta hål. Att då kunna förklara vardagliga fenomen som kvicksilvers låga smältpunkt och gulds "gula" färg med enkla relativistiska argument är roligt.

Alkalimetallernas smält- och kokpunkter avtar med ökande atomnummer. Och liknande hos zinkgruppens element. Regelbundet uppförande.

Men det dyker upp oväntade anomalier på annat håll. En jag förbryllats över är gallium, atomnummer 31. Den uppvisar inga anomalier vad avser kokpunkt (2403 gr) eller densitet, men smältpunkten är minst sagt udda, +29,77 grader C. Eller för att vara exakt, +29,7714 gr C (har jag sett). Smältpunkten ska tydligen även utgöra den enda vedertagna temperaturfixpunkten mellan 0 och 100 grader.

Grannarna i periodiska sytemet uppvisar inga sådana udda smältpunkter. Om än In har låg smältpunkt, men inte så låg.

Andra konstiga egenskaper hos Ga:
fast fas har lägre densitet än flytande vid smältpunkten. Det medför expansion vid stelning (kärlsprängningsrisk). Bara Ga, Bi, Ge har den egenskapen av grundämnena (några hävdar även Sb).
En Ga-kristall är starkt anisotrop. Bl.a. dess elektriska ledningsförmåga i de olika kristallaxlarnas riktning varierar med upp till en faktor 10.

Gamla förutsägelser om dess framtida användning har emellertid helt kommit på skam. Dess stora användningsområde idag är inte som ersättning för kvicksilver. Istället är dess huvudsakliga användning idag som beståndsdel i halvledarmaterial (GaN, GaAs, med flera).

Själv tycker jag att gallium är mycket uddare än kvicksilver. Metallen och dess kemiska föreningar är i det närmaste ogiftiga (jämförbart med aluminium i det avseendet).


Men finns det någon förklaring till galliums låga smältpunkt?

För det första, du har bra smak GaussBonnet! En av mina favoritförfattare, Oliver Sacks, gillar också gallium: http://pubs.acs.org/cen/80th/gallium.html

Som du säger är Gallium starkt anisotropiskt och smält-temperaturen verkar vara kopplat till 1) "mjuka" bulk-fonon moder i [010]- och [001]-riktningen, 2) vibrationsamplituderna blir då tillräckligt stora för att de kovalenta anisotropiska bindningar börjar "likna" de isotropiska metalliska bindingar och detta destabiliserar kristallen. Gallium är väl en av få metaller där kovalenta och metalliska bidningar samexisterar. Möjligtvis initieras sedan smältningen från ytan. Från följande artikel: Bulk and surface premelting phenomena in α-gallium, Rühm, A.; Reichert, H.; Donner, W.; Dosch, H.; Grütter, Ch.; Bilgram, J., Physical Review B, vol. 68, Issue 22, id. 224110.

Jag citerar:


Följande citat (som försöker förklara låga smältpunkten hos gallium) gör mig dock irriterad:


Jävla Mendeleev! Show-off...

När jag sökte på information om gallium stötte jag på mycket information om gallium-kluster, vilka har den intressanta egenskapen att deras smältpunkt och värmekapacitet avviker starkt från bulk-Ga samt att addition av en enda atom till ett kluster kan ändra värmekapaciteten totalt. Nedstående artiklar argumenterar för skillnaden i smältpunkt beror på skillnad i bindning, kovalent för kluster och metallisk-kovalent för bulk, och att känsligheten är en geometrisk effekt eftersom en atom kan göra stor skillnad i vilken geometrisk struktur som har lägst energi. Intressant är det i alla fall.

http://www.arxiv.org/abs/cond-mat/0512724
http://www.arxiv.org/abs/physics/0312110

Mycket intressant evolute! Jag ska hungrigt läsa på.

Efter att ha tittat i Sachs (http://pubs.acs.org/cen/80th/gallium.html) måste jag protestera mot ett påstående där! Det felaktiga påståendet markerat med bold nedan.


"A strange optical illusion appears if one melts gallium in a cup: There seems to be a transparent liquid skimming and floating above a silver background. Is this due to the strongly concave meniscus of liquid gallium? I do not think I ever saw this, by contrast, with mercury, which has a strongly convex meniscus. And once melted, gallium may remain liquid, superfluid, for many hours, even if the room temperature is well below its melting point. The liquid may form a skin, wrinkled with fine lines, and when it finally solidifies, it may do so in shallow quadrangular prisms and zigzags like medieval fortifications."

Detta är inte sant! Jag har själv testat. Smälter man gallium i luft, så får metallen ett väldigt tråkigt "skinn" ovanpå, påminnande om det tråkiga skinn som bildas ovanpå en kopp choklad. Metallytan ser "säckig" och skitig ut, det var en besvikelse. Desutom gör den tunna beläggningen av oxid metallsmältan otroligt kladdig och kletig, metallen väter (adherar till) precis alla ytor den kommer i kontakt med. Smältan svärtar ner och förorenar precis allt det kommer i kontakt med, inklusive fingrarna. Helt förfärligt!
Ga smält under lufttillträde, med nämnda ytbeläggning, uppvisar denna "concave meniscus".

Men så funderade jag, vad är detta skinn för något? Svar: metalloxid. Så jag smälte metallen under ca 5% svavelsyra. Den syran är icke oxiderande (till skillnad från salpetersyra) och löser upp oxider under bildning av vattenlösliga salter. Och det fungerade förträffligt. Metallytan som var säckig och hopsjunken, oxidskiktet angreps snabbt och löstes upp av syran, metallytan blottlades, blev nu fullkomligt spegelblank, och metallsmältan drog ihop sig till en mycket vacker starkt speglande metalldroppe.
Förvandlingen var sannerligen häpnadsväckande, för att inte säga spektakulär! Den sålunda erhållna helt oxidfria metallen kladdade inte längre, den fäster inte på ytor längre.

Mitt antagande om förorening av metallytan med bildad oxid styrktes av ett analogt försök med smältning av Ga under oxiderande syra (salpetersyra). Under salpetersyran löstes oxiden inte upp, istället blev den än tjockare, och metallen såg ännu skitigare ut!
Salpetersyra löser inte upp oxiderna, istället oxideras metallen ytligt till ett tunt olösligt skikt av Ga2O resp Ga2O3. Det är ytbeläggningen av dessa oxider som förorsakar ytans skitiga och säckiga utseende.


Gallium smält under svavelsyra är till färgen vitare, vackrare och ljusare än kvicksilver. Dessutom gör den låga densiteten att metallsmältan blir mera "spänstig", dvs lättare påverkas av yttre mekaniska störningar. Jämför detta med Hg som är tung och mera trögrörlig.

Den av Sachs påstådda "concave meniscus of liquid gallium" gäller enbart för metall som smälts i luft och därmed oxiderats på ytan. Om Ga smälts utan lufttillträde (under svavelsyralösningen, under inert atmosfär eller i vakuum) har den i likhet med Hg en "strongly convex meniscus".

Jag fick erfara en mycket märkligt effekt vid smältning av gallium.

Smälte 100 g Ga i en 100 ml E-kolv (polykarbonat, inte glas!) under en liten skvätt syralösning. Värmde kolven i mikrovågsugn under några få sekunder, vattenlösningen blev varm och metallen smälte. Men så hettade jag lite för mycket.

Då hände det.
Metallsmältan var visserligen helt täckt med syralösning, men det var väldigt lite lösning. När jag så värmde, så drog sig plötsligt (och utan förvarning) vätskan ifrån metallytan. Vätskan samlades ute vid kanterna, mot kärlväggen. Mitten av metallen där syralösningen dragit sig undan blev metallen helt exponerad mot luften. Trots detta oxiderades metallen inte alls! Ytan förblev spegelblank och helt oxidfri.

Än konstigare, det såg ut som om det hände något hela tiden. Vätskan höll sig inte stilla utan rörde sig längs med kärlväggen, fram och tillbaka, oroligt, slingor av lösningen drog sin in i tunna strängar mot mitten snabbt och ut igen. Vätskan rörde sig på ett förbryllande sätt hela tiden. Men allra märkligast var att metallen i mitten som exponerades mot luften förblev opåverkad och oxiderades inte.

Det såg synnerligen spektakulärt ut.

Smältan kan förbli underkyld vid rumstemperatur under lång tid, så länge som det saknas kristallbildningsgroddar (damm, tunna fibrer, spetsiga hörn eller kanter).

När metallen till slut började stelna märkte jag dessutom att den fasta metallen hade annan färg än smältan! Smältan är helt silvervit, medan kristallerna är mörkare och tydligt blåaktiga till färgen.


Jag har aldrig sett en märkligare metall än gallium.

Är kvicksilver magnetiskt?
Isåfall, hur hade det sett ut om jag doppat en magnet i ett glas kvicksilver?

Nej, men du kan skapa ferrovätskor genom att blanda magnetiska pulver med en vätska.

Lite roliga videos som svarar på din andra frågor:

http://www.youtube.com/watch?v=zpBxCnHU8Ao
http://www.youtube.com/watch?v=c_D29D9nyq0
http://www.youtube.com/watch?v=I5Ti6PeGdNQ

Tack för filmerna, mycket intressant. Verkar som att ferrovätskan har ganska hög ytspänning.

Syre är däremot magnetiskt. Häller man flytande syre på en magnet så fastnar vätskan.

Vet inte hur det är med syre i gasfas men om gasen också är magnetisk kan jag tänka mig man borde kunna separera syre och kväve ur luften med magnetiska metoder.

Någon som har bättre kunskaper om detta?

Edit, hittade lite på youtube om syre

http://www.youtube.com/watch?v=Isd9IEnR4bw