De meeste metalen elementen smelten bij temperaturen van honderden graden, maar voor kwik is dit -38,9 °C (-38,0 °F). Dus waarom is dit metaal anders dan andere? Het draait allemaal om de buitenste elektronen en een combinatie van factoren die hun verbinding ongewoon zwak maken.
Het eerste dat u moet opmerken is dat de titelvraag mogelijk niet helemaal juist is. Er kunnen twee transurane elementen zijn, die in de natuur niet voorkomen omdat ze te snel vervallen om hun vorming in supernova's of kilonova's te overleven die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur. Dezelfde korte halfwaardetijden die ervoor zorgen dat ze kunstmatig moeten worden geproduceerd, zorgen ervoor dat we niet veel tijd krijgen om ze te bestuderen. Er wordt vermoed dat Copernicium en Fleurophium vloeistoffen zijn bij kamertemperatuur, maar aangezien de ene enkele seconden duurt voordat hij oplost, en de andere minder, bestaat hierover een behoorlijke mate van onzekerheid. We hebben zeker niet veel aan studeren gedaan.
Afgezien van deze vreemde dingen valt kwik op tussen de stabiele elementen. Op het eenvoudigste niveau is de reden dat de buitenste elektronen van kwik niet erg sterk gebonden zijn, wat de aantrekkingskracht tussen het ene kwikatoom en het andere verzwakt. Deze zwakte betekent dat zodra het kwik een bescheiden hoeveelheid energie opneemt, de organisatie van de vaste stof uiteenvalt en de atomen vrijer beginnen te bewegen.
Een andere manier om hiernaar te kijken is dat wanneer atomen zich met elkaar verbinden, een deel van hun kinetische energie wordt omgezet in… Bind energie. Er zit zo weinig energie in de bindingen van kwik met zichzelf, dat er niet veel beweging voor nodig is om het uit elkaar te halen. Omdat willekeurige kinetische energie op atomair niveau neerkomt op warmte, hoeft kwik niet warm te zijn, laat staan heet, om vloeibaar te worden, maar andere metalen, met meer energie opgeslagen in hun bindingen, doen dat wel.
De vloeibare toestand van Mercurius is al meer dan drieduizend jaar bekend, maar dit had niet voorspeld kunnen worden als het element pas ontdekt was tijdens het invullen van het periodiek systeem. De meeste bekende vloeistoffen hebben een zeer lage dichtheid, dus het tegenkomen van een vloeistof zo ver onder het periodiek systeem is volledig in strijd met onze verwachtingen. De buren op het periodiek systeem, goud en thallium, smelten bij temperaturen van respectievelijk meer dan 1.000 en 300 graden Celsius. Het is echter nuttig: de combinatie van dichtheid en het feit dat kwik vloeibaar is, maakt het zeer geschikt voor thermometers, barometers en bloeddrukmetingen.
Dus wat zorgt ervoor dat de buitenste elektronen van kwik tot een veel zwakkere binding leiden dan andere metalen? Het blijkt dat kwik zich op een goede plek op tafel bevindt, waar drie invloeden samenkomen. De eerste is dat de buitenste elektronische schaal vol is. Het is veel gemakkelijker voor elektronen in een gedeeltelijk gevulde schil om te ontsnappen en onderdeel te worden van de mist van valentie-elektronen die atomen aan elkaar binden. Metalen met elektronen delen meestal gemakkelijker Hogere smeltpuntenzeker veel hoger dan kamertemperatuur.
Kwik is echter niet het enige metaal met volledige beschietingen, dus dit kan niet de enige reden zijn. Beide andere factoren zorgen ervoor dat de buitenste elektronen van de aangetaste atomen dichter bij hun kernen blijven, waardoor hun vermogen om zich met andere atomen te binden wordt verstoord.
Leden van de lanthanidereeks van elementen, die de zesde periode delen met kwik in het periodiek systeem, ervaren wat bekend staat als ‘lanthanidecontractie’. De 4f-subshell-elektronen schermen de elektronen niet af van de positieve lading van de kern zoals andere elektronen, waardoor de buitenste elektronen naar binnen worden getrokken. De meeste elementen in periode 6 hebben dus atoomstralen van vergelijkbare grootte als die in de periode erboven, wat resulteert in een veel grotere dichtheid.
Bovendien ervaren de buitenste elektronen van kwik een relativistische samentrekking en bewegen ze zo snel dat effecten die de lichtsnelheid benaderen een rol spelen. Dit is iets dat alleen echt van belang is bij zwaardere elementen, omdat een grotere massa de elektronen meer versnelt. Net zoals de planeet Mercurius sneller rond de zon beweegt dan objecten die verder weg zijn, bewegen elektronen die dichtbij de kern worden aangetrokken sneller, in gevallen zoals die van Mercurius, snel genoeg om relativistische effecten uit te oefenen.
De combinatie van deze twee effecten interfereert met de binding tussen kwikatomen. Ze houden het niet alleen vloeibaar bij kamertemperatuur, maar zorgen er ook voor dat de kwikatomen bij verhitting tot het punt waarop het een gas vormt, niet paren, zoals de meeste elementaire gassen (denk aan H2of2 Of n2). In plaats daarvan behouden de kwikatomen zichzelf als edelgassen.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”