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Nous avons tendance à considérer les métaux comme durs, solides et résistants aux températures élevées – il suffit de regarder le fer, l’aluminium et l’acier. Bien que cela soit généralement vrai, il existe une exception clé : le mercure. Avec un point de fusion de moins 37,9 degrés Fahrenheit (moins 38,8 degrés Celsius), le mercure est l’un des deux seuls éléments liquides à température ambiante. (L’autre est le brome, qui n’est pas un métal.)
Mais pourquoi le mercure est-il si différent de ses semblables ?
Des atomes de mercure, comme atomes de tous les autres métaux, liés entre eux par des liaisons métalliques – un réseau de particules métalliques chargées positivement, appelées ions, est entouré d’une mer d’électrons délocalisés (libérés), et l’attraction électrostatique entre ces particules de charges opposées agit comme la colle qui maintient le métal ensemble. Cette structure explique bon nombre des autres propriétés caractéristiques des métaux, telles que la conductivité électrique, car les électrons peuvent se déplacer librement à travers le matériau, et la malléabilité, car les couches de particules positives peuvent glisser les unes sur les autres pour adopter une nouvelle forme, lubrifiées par les électrons libres. Mais c’est précisément la force de l’attraction électrostatique qui régit le point de fusion.
La disponibilité d’électrons externes pour créer cette mer délocalisée est donc un facteur clé. « Plus le centre métallique est positif et plus les électrons de valence sont délocalisés à l’extérieur, plus l’attraction est grande, et généralement elle se déplace de gauche à droite dans le tableau périodique », a expliqué Ashbridge.
En tant que métal du groupe 12, le mercure possède théoriquement 12 électrons externes qui pourraient contribuer à la liaison métallique. « Cependant, tous ces électrons se trouvent dans des « sous-couches remplies », a-t-elle ajouté. « Quand ils sont pleins, cela les rend plus stables et moins susceptibles de se délocaliser, ce qui rend le mercure particulièrement réticent à partager ses électrons, même avec d’autres atomes de mercure. »
Pourtant, cet effet de sous-couche remplie n’est pas assez important pour expliquer le point de fusion inhabituellement bas du mercure. La force de la liaison métallique – et, par conséquent, le point de fusion – diminue également du haut vers le bas du tableau périodique, à mesure que les atomes grossissent. Mais en extrapolant à partir de ces tendances établies, le mercure devrait encore avoir un impact point de fusion d’environ 266 F (130 C)ce qui le rendrait solide à température ambiante.
Alors, qu’est-ce qui cause cette énorme disparité ?
L’état liquide de Mercure résulte presque entièrement d’effets relativistes, a déclaré Peter Schwerdtfegerphysicien quantique à l’Université Massey en Nouvelle-Zélande. Vers le bas du tableau périodique, les électrons des éléments les plus lourds subissent une telle attraction vers le noyau atomique qu’ils se rapprochent du noyau atomique. vitesse de la lumière. À ce stade, ils n’obéissent plus aux lois de la physique classique et les phénomènes quantiques qui en résultent – appelés effets relativistes – conduisent à des propriétés physiques surprenantes. La façon dont ceux-ci se manifestent dépend de l’élément.
« Les effets relativistes deviennent extrêmement importants pour les éléments du groupe 11 et du groupe 12, où or et le mercure le sont », a-t-il déclaré à Live Science. Par conséquent, les propriétés physiques étranges résultant de ces effets quantiques sont plus observables dans ces éléments. L’or a une teinte jaunâtre extrêmement inhabituelle et le mercure est un liquide à température ambiante.
« Ils nous montrent un soi-disant maximum d’effets relativistes, et l’enveloppe externe de ces atomes se contracte en conséquence. C’est énorme. Pour le mercure, c’est environ 20% », a déclaré Schwerdtfeger. En termes chimiques, cette contraction induite par la relativité s’explique plus facilement en considérant une fois de plus la configuration électronique du mercure.
La sous-couche 4f complète, qui contient les électrons associés au terre rareou éléments lanthanides, est extrêmement mauvais pour protéger les autres électrons de la charge nucléaire. Cela signifie que les électrons les plus externes sont maintenus beaucoup plus près du noyau que d’habitude – un phénomène appelé contraction des lanthanides. Ces électrons contractés se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et subissent donc des effets relativistes.
« Cela augmente leur masse, et lorsqu’ils ont une masse accrue en raison de cette vitesse élevée, cela rapproche encore plus ces électrons du noyau », a déclaré Ashbridge. Par conséquent, les effets relativistes réduisent la disponibilité des électrons pour contribuer à la liaison métallique, abaissant ainsi le point de fusion du métal en dessous de la température ambiante.
Au niveau de la mécanique quantique, cependant, cette explication qualitative est extrêmement difficile à étayer par des calculs.
« Le équation de Schrödinger » — qui décrit généralement les positions possibles de particules telles que les électrons — » ne remplit pas les principe de relativité d’Albert Einstein », a expliqué Schwerdtfeger. En conséquence, cette équation ne fonctionne pas pour les particules à grande vitesse telles que les électrons du mercure. Les scientifiques doivent plutôt se tourner vers l’équation beaucoup plus compliquée équation de Diracce qui rend toute simulation extrêmement exigeante en termes de calcul.
Finalement, les progrès de l’informatique ont permis à Schwerdtfeger de concevoir un modèle capable de simuler avec précision la fusion du mercure et de fournir une explication théorique quantique du point de fusion anormal.
« En utilisant ce que nous appelons la théorie fonctionnelle de la densité, nous avons pu établir que le point de fusion est abaissé de plus de 200 degrés Celsius (360 F) par les effets relativistes », a-t-il déclaré. Ces contributions quantiques dominent, ainsi, alors que les tendances périodiques prédisent un faible point de fusion pour le mercure, les effets relativistes font de l’élément un liquide à température ambiante.
