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每日一问|金的金黄色为何与众不同,常温下金属为何只有水银是液态的?

2016-1-29 10:28| 发布者: 书书爱材料| 查看: 1671| 评论: 8|来自: 材料人网
摘要: 在前几期的“每日一问”里,我们讨论了金属为什么有光泽,在对金属的研究过程中,忽然发现一个容易被人忽略的常识,常温下金属一般为固体,但有一种是液体,只有一种,那就是:水银。这是为什么呢?原因很简单: 原 ...
在前几期的“每日一问”里,我们讨论了金属为什么有光泽,在对金属的研究过程中,忽然发现一个容易被人忽略的常识,常温下金属一般为固体,但有一种是液体,只有一种,那就是:水银。这是为什么呢?原因很简单:
 
原子中,电子在核的周围飞快地运动。在核电荷数很大的原子即重原子中,强大的核电荷使内层电子运动速度快到堪与光速相比,相对论效应影响随即而生。相对论效应对重原子以及含重原子的分子、原子簇的化学、光谱性质具有实质影响。相对论效应源自重原子内层电子的运动速度。当内层s电子的运动速度达到与光速相比的程度时,根据Einstein相对论公式,电子的质量会相应增加并引起内层电子轨道收缩。例如:金核外电子排布:79Au(g):54Xe|4f14,5d10,6s1。在1s电子的运动速度达到了光速的65%。相对论效应造成1s轨道的收缩同时致使外层的6s轨道也发生收缩并趋于稳定。正是由于6s轨道的收缩及稳定化使得金的5d同6s之间的能带间隙变狭到仅为214eV,而银的4d同5s的能带间隙却高达315eV。于是,金在可见光范围内吸收蓝光,闪烁出黄灿灿的金色。这迥异于一般金属的金黄色正是相对论效应造成6s轨道收缩从而对金的颜色起了重要影响的反映。表现出相对论效应影响的另一例子是汞的状态。汞的核外电子排布80Hg(g):54Xe|l4f14,5d10,6s2,作为金属的汞在常温下却离奇地以液态存在。上述的相对论收缩效应理论能为这一不寻常的现象提供解释。
 
与金相仿,汞的6s轨道在收缩的同时并趋于稳定化导致了一种称之为“惰性对”效应:汞的6s2壳层在成键过程中呈现惰性。可以看到汞的6s26p激发能远远超过镉和锌的相应激发能。按照一般周期规律能量间隔(ns2)1S(ns1np1)1P应随主量子数增加而减小。所以,由锌到镉能量间隔变小原在预料之中。然而由镉到汞该能量间隔反而陡然增加。这里可以再次看到正是相对论收缩效应致使全满的6s2壳层安然稳定,于是汞的6s26p能量间隔骤增。只要得不到所需的激发能,具有惰性6s2壳层的汞原子之间就无法形成强键。基态Hg2仅靠范德华力相互维系,所以金属汞在常温下呈液态。
 

 
嗯,没错,就是这样!
 
参考文献:
 
 
[2] Why is mercury liquid? Or, why do relativistic effects not get into chemistry textbooks?
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed068p110
 
 
本文由材料人科普团队天魔星供稿,材料人网编辑整理,欢迎大家关注,材料人为你展现更全面的材料世界。
 
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