汞為什麼是流動的？

■李玉鋒/文

汞，又稱水銀，位於化學元素周期表上第 80 號元素，位於第6周期、第IIB族，是常溫常壓（25℃，一個大氣壓）下唯一以液態存在的金屬。它的化學符號 Hg 取自拉丁文hydrargyum（水銀），英文名 mercury 則來自羅馬神話中跑得很快的信使神-墨丘利（拉丁語：Mercurius；由於水星運行的速度很快，所以西方科學家把水星也叫 Mercury）。

那麼，為什麼汞是流動的？

流動的單質汞

汞可以分為單質汞、無機汞化合物與有機汞化合物。只有單質汞是流動的。無機汞化合物中最典型的是硫化汞，辰砂（又稱硃砂、丹砂、赤丹、汞沙等）主要成分就是硫化汞。有機汞化合物中最典型的單甲基汞，它是一種具有神經毒性的環境污染物，主要侵犯中樞神經系統中大腦的枕葉和小腦，可嚴重造成語言和記憶能力障礙等。很多處於食物鏈上層的海魚、海洋哺乳動物體內含有較高含量的單甲基汞，另外，汞污染地區的稻米中也發現含有單甲基汞。水俁病就是食用受單甲基汞污染的食物造成的。比單甲基汞毒性更強的是二甲基汞，它已知最危險的有機汞化合物。

二甲基汞

單質汞為什麼能流動？

很簡單，因為它是液體

為什麼單質汞是液體？

因為它的熔點低（-38.87 ℃）

可它是金屬，與它同族的鋅和鎘都是妥妥的固體啊！與它臨近的同周期的金和鉈也是固體啊。那麼為什麼汞是熔點最低的金屬呢? 這個問題有點難度。

「內事問百度，外事問狗狗」，搜一下維基百科，他們的解釋是這樣滴，「Mercury has an exceptionally low melting and boiling temperaturesfor a d-block metal. A complete explanation of this delves deep into the realm ofquantum physics, but it can besummarized as follows: mercury has a unique electronic configuration whereelectrons fill up all the available 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s,5p, 5d and 6s subshells. Since this configuration strongly resists removal ofan electron, mercury behaves similarly to noble gas elements, which form weakbonds and become solids which melt easily at relatively low temperatures」，翻譯過來大致是「…對於這個性質的完整解釋需要非常深入量子物理的領域，簡單解釋就是：汞原子的核外電子填滿了所有1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f、5s、5p、5d和6s軌道，而這樣的電子排布有效的阻止汞原子失去電子，所以汞的性質與稀有氣體（以前叫惰性氣體）類似，原子與原子之間只有弱的分子間作用力，所以固體非常容易熔化」。

科學家是如何用量子物理解釋汞是熔點最低的金屬元素呢?

科學家們是用相對論來解釋這個現象的：）我們知道，電子在原子核周圍飛快地運動，而核電荷數很大的原子即重原子中，強大的核電荷會使內層電子運動速度快到堪與光速相比，這樣就會產生相對論效應。相對論效應源自重原子內層電子的運動速度。當內層s 電子的運動速度達到堪與光速相比的程度時, 根據愛因斯坦相對論公式，電子的質量會相應增加並引起內層電子軌道收縮。例如：金的1s 電子的運動速度達到了光速的65%。相對論效應造成1s 軌道的收縮同時致使外層的6s 軌道也發生收縮並趨於穩定。正是由於6s 軌道的收縮及穩定化使得金的5d 同6s 之間的能帶間隙變狹到僅為214eV ，而銀的4d 同5s 的能帶間隙卻高達315eV 。於是，金在可見光範圍內吸收藍光，閃爍出黃燦燦的金色。這迥異於一般金屬的金黃色正是相對論效應造成6s 軌道收縮從而對金的顏色起了重要影響的反映。

利用相對論效應也成功解釋了作為金屬的汞在常溫下卻離奇地以液態存在這一現象。與金相仿，汞的6s 軌道在收縮的同時並趨於穩定化導致了一種稱之為「惰性對」效應：汞的

應隨主量子數增加而減小。所以，同族的鋅與鎘能量間隔變小，但由鎘到汞的能量間隔一反而陡然增加，正是相對論收縮效應致使全滿的

殼層非常穩定。由於得不到所需的激發能，具有惰性

殼層的汞原子之間就無法形成強的金屬鍵，汞原子之間僅靠范德華力相互維繫，所以單質汞在常溫下呈液態。

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