Ce legătură are mercurul fiind lichid la temperatura camerei cu teoria relativității a lui Einstein?

Unul dintre marile momente din știința secolului XX a avut loc atunci când Paul Dirac a căsătorit mecanica cuantică cu Teoria specială a relativității a lui Einstein pentru a produce mecanica cuantică relativistă. Teoria lui Dirac a făcut multe lucruri – a prezis spinul electronului și al pozitronului, a analizat coliziunile atomice, a declanșat revoluția în electrodinamica cuantică – dar a avut și repercusiuni foarte importante pentru chimie. Cu toate acestea, aceste repercusiuni nu au devenit cunoscute decât peste câteva decenii, deoarece s-a dovedit că, pentru rezolvarea majorității problemelor din chimie, se puteau neglija efectele relativiste. Deslușirea legăturilor chimice, predicția proprietăților termodinamice ale moleculelor și a vitezelor reacțiilor chimice, înțelegerea lipiciului molecular care ține proteinele împreună; toate aceste probleme au cedat la calcul fără ca chimiștii să se preocupe de relativitate.

Toate cu excepția unei probleme, adică. Și aceasta se referă la o întrebare pe care fiecare copil, încă din antichitate, și-a pus-o: De ce este mercurul lichid la temperatura camerei? Mercurul – singurul metal cu această proprietate – i-a sedus și fascinat pe oameni timp de secole; o substanță strălucitoare care curge cu o gravitație studiată, suportă greutatea monedelor, pare să dizolve în mod magic alte metale și rezistă tuturor încercărilor de a-l aduna. O substanță care poate ajuta sănătatea atunci când este calibrată în interiorul unui termometru și care poate ucide atunci când se acumulează în țesuturile vii. Dar singura calitate a mercurului care este evidentă pentru toți cei care au cea mai mică cunoștință cu el este natura sa lichidă.

De ce este așa? Se pare că, uneori, observațiile simple din știință pot avea explicații complicate, deși foarte interesante, iar acesta este unul dintre aceste cazuri. Din fericire, miezul problemei este simplu și a primit cea mai completă și mai satisfăcătoare tratare într-o lucrare publicată recent în revista Angewandte Chemie. Dar mai întâi să ne întoarcem la elementele de bază. Mercurul este un metal, ceea ce înseamnă că ocupă mijlocul tabelului periodic, alături de alte metale precum aurul, zincul și cadmiul. De fapt, se află în același grup cu zincul și cadmiul, și totuși nu ar putea fi mai diferit de acestea. Zincul și cadmiul nu sunt lichide la temperatura camerei și se cristalizează sub o formă diferită de cea a mercurului. În plus, mercurul se află chiar lângă aur și, cu toate acestea, proprietățile lor sunt complet diferite.

Reamintiți-vă din chimia din facultate că orbitalii atomici vin în diferite arome; orbitalii s, p, d și f se disting prin numere cuantice diferite și „forme” diferite. Metalele sunt caracterizate de orbitali d semnificativ ocupați. În plus, orbitalii plini implică o stabilitate specială. Faptul singular care distinge mercurul de vecinii săi este faptul că are un orbital atomic 6s cel mai exterior umplut. Acest lucru înseamnă că electronii din acest orbital sunt împerecheați în mod fericit între ei și sunt reticenți în a fi împărțiți între atomii de mercur vecini. Acolo unde intervine teoria relativității este în explicarea modificărilor subtile ale maselor electronilor din mercur și ale razelor atomice care, cu toate acestea, au efecte profunde asupra proprietăților fizice ale metalului.

Conform relativității speciale, masa aparentă a unui obiect crește pe măsură ce viteza acestuia se apropie de viteza luminii. Din teoria structurii atomice a lui Niels Bohr știm că viteza unui electron este proporțională cu numărul atomic al unui element. În cazul elementelor ușoare, cum ar fi hidrogenul (numărul atomic 1), viteza este nesemnificativă în comparație cu viteza luminii, astfel încât relativitatea poate fi ignorată în esență. Dar pentru electronul 1s al mercurului (număr atomic 80), acest efect devine semnificativ; electronul se apropie de aproximativ 58% din viteza luminii, iar masa sa crește la 1,23 ori masa sa de repaus. Relativitatea a intrat în acțiune. Având în vedere că, în teoria Bohr, raza orbitei unui electron (orbitală mai exact) este invers proporțională cu masa, această creștere a masei duce la o scădere de 23% a razei orbitale. Această micșorare face o diferență enormă, deoarece are ca rezultat o atracție mai puternică între nucleu și electroni, iar acest efect se transpune în orbitalul 6s cel mai exterior, precum și în alți orbitali. Efectul este agravat de orbitalii d și f, mai difuze, care protejează insuficient electronii s. Combinată cu natura plină a orbitalului 6s, contracția relativistă face ca mercurul să fie într-adevăr foarte reticent în a-și împărți electronii cei mai externi și în a forma legături puternice cu alți atomi de mercur.

Legătura dintre atomii de mercur din clusterele mici rezultă astfel, în principal, din forțele slabe Van der Waals, care apar din fluctuațiile locale de sarcină în atomii vecini, mai degrabă decât din împărțirea electronilor. Dar toate acestea erau conjecturi; cineva trebuia să facă calculele riguroase, tratând fiecare electron din element în mod relativist și calculând proprietățile relevante. În acest caz, proprietatea relevantă este capacitatea termică a unei substanțe care se schimbă dramatic în timpul unei tranziții de fază, de exemplu de la solid la lichid. Întrebarea era simplă: folosind cele mai moderne calcule, ați putea prezice temperatura la care mercurul se topește, după cum indică o schimbare bruscă a capacității termice? Într-un articol publicat luna aceasta în Angewandte Chemie, chimiști din Noua Zeelandă, Germania și Franța au oferit un rezultat care este cel mai complet de până acum. Ei au simulat de fapt topirea mercurului folosind dinamica moleculară cuantică, rezolvând ecuația Schrodinger, calculând forțele și vitezele din mecanica cuantică și permițând clusterelor atomice să eșantioneze diferite orientări geometrice în mod aleatoriu. Ei au efectuat calculele mai întâi prin excluderea relativității și apoi prin includerea acesteia, iar rezultatele au fost lipsite de ambiguitate; atunci când efectele relativiste au fost luate în considerare, punctul de topire al mercurului a scăzut de la 355 kelvin la 250 kelvin, în acord excelent cu experimentul și însoțit de o schimbare bruscă a capacității termice.

Natura lichidă a mercurului nu este singurul lucru pe care îl explică teoria specială. Aceasta explică, de asemenea, de ce aurul este galben, în timp ce argintul este alb. În acest caz, divizarea orbitalilor și energia mai mică a orbitalului 6s face ca aurul să absoarbă lumina albastră și să emită galben și roșu. Deoarece nivelul 6s este mai ridicat în argint, energia necesară pentru a excita un electron corespunde regiunii UV în loc de regiunea vizibilă; în consecință, argintul apare lipsit de culori din regiunea vizibilă a spectrului.

Întotdeauna simt o tresărire de plăcere atunci când dau peste studii de acest gen. Există puține lucruri mai satisfăcătoare decât aplicarea cu succes a celor mai prețuite și mai precise teorii ale noastre pentru a explica cele mai banale și totuși fascinante fenomene ale vieții. Despre asta este vorba în știință.

.