汞是室温下唯一的液态金属,汞是纯液体吗

美丽而致命的元素

汞在自然界中分布量极小，被认为是稀有金属，但是人们很早就发现了水银。天然的硫化汞又称为朱砂，由于具有鲜红的色泽，因而很早就被人们用作红色颜料。根据殷虚出土的甲骨文上涂有丹砂，可以证明中国在有史以前就使用了天然的硫化汞。

根据中国古文献记载：在秦始皇死以前，一些王侯在墓葬中也早已使用了灌输水银，例如齐桓公葬在今山东临淄县，其墓中倾水银为池。这就是说，中国在公元前7世纪或更早已经取得大量汞。

中国古代还把汞作为外科用药。1973年长沙马王堆汉墓出土的帛书中的《五十二药方》，抄写年代在秦汉之际，是现已发掘的中国最古医方，可能处于战国时代。其中有四个药方就应用了水银。例如用水银、雄黄混合，治疗疥疮等。

东西方的炼金术士们都对水银发生了兴趣。西方的炼金术士们认为水银是一切金属的共同性——金属性的化身。他们所认为的金属性是一种组成一切金属的“元素”。

中国古代劳动人民把丹砂（也就是硫化汞），在空气中煅烧得到汞。但是生成的汞容易挥发，不易收集，而且操作人员会发生汞中毒。中国劳动人民在实践中积累经验，改用密闭方式制汞，有的是密闭在竹筒中，有的是密闭的石榴罐中。

根据西方化学史的资料，曾在埃及古墓中发现一小管水银，据历史考证是公元前16—前15世纪的产物。但中国古代劳动人民首先制得了大量水银。

汞的毒性

微量的液体汞吞食一般不会造成严重的中毒反应（有资料称它在生物体内会形成有机化合物），但汞蒸气和汞盐（除了一些溶解度极小的如硫化汞）都是剧毒的，口服、吸入或接触后可以导致脑和肝损伤。

目前的温度计一般用酒精取代汞，然而中华人民共和国境内民用的温度计中仍然在使用汞。中国计划在2015年前逐步禁止汞温度计的使用，但收效甚微。

最危险的汞有机化合物是二甲基汞[（CH3）2Hg]，仅几微升二甲基汞接触在皮肤上就可以致死。

汞可以在生物体内积累，很容易被皮肤以及呼吸道和消化道吸收。水俣病是汞中毒的一种。汞破坏中枢神经系统，对口、粘膜和牙齿有不良影响。长时间暴露在高汞环境中可以导致脑损伤和死亡。尽管汞沸点很高，但在室内温度下饱和的汞蒸气已经达到了中毒剂量的数倍。

汞的特殊性质

作为金属的汞，在常温下却离奇地以液态存在。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“惰性电子对”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应随主量子数增加而减小。所以，由锌到镉能量间隔变小在预料之中，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。

大部分金属在常温下都是固体，为什么汞在常温下却是液体？

一般来说，金属元素的一个特征是，在常温下呈固 态。可是，为什么只有水银在常温下是呈液态的呢？对 此，日本东京大学工程学部应用化学科的御园生诚教授 为我们作了解答:“这是因为，在金属元素中只有水银其 原子和原子之间的结合是最弱的。”原子之间结合的强弱，取决于各个原子中的电子结 构。

原子是以原子核为中心，电子按着各自的轨道进行 着独立的运动。电子从靠近原子核的轨道起不断循序 拥积，各个轨道上能进入的数量是一定的。“纯粹的金属结晶是由同一种金属元素构成的，在 其原子的电子中间，最外侧轨道上的电子脱离原子，所 有的原子共同拥有(金属结合)这个电子。
  一般来说，金 属结合只有在电子结构处于最外侧的轨道差不多已一 半‘满席’时的情形下才是最强的。在这种电子结构中， 不仅轨道上的电子容易放出，而且从周围原子放出的电 子也容易进入这个轨道，所以能较强地结合。”但同为金属元素的水银，其电子结构却有点特别。
御园生诚教授介绍说:“水银的电子结构，其最外侧的轨 道是‘满席’的，虽然能放出电子，但却没有接受电子的 空闲轨道，所以电子一个也进不了。由于只能用能量高的空闲轨道进行结合，所以成了弱结合。在周期表中， 属于水银n B族的，还有锌和镉,它们也有着与水银相 同的电子结构，所以都是弱结合。
  ”那么，为什么同是n B族的锌和镉在常温下是固 体，只有汞(水银)是液体呢？“锌、镉、汞(水银)等，在周期表中越往后，电子进入的 最外侧的轨道与其上的空闲轨道之间的间隔就越大，因此， 水银虽能结合，但却是比锌和镉更弱的结合，所以它在常温 下成了液体。

为什么汞在常温下呈液态

这个问题实际相当复杂:
原子中,
电子在核的一旁飞快地运动。在核电荷数很大的原子即重原子中,
强大的核电荷役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。不过,
由于原子、分子的化学性质主要由价电子决定,
以致直到1970
年之前人们还普遍认为相对论纯属于物理界的事,
同化学没什么关系。
70
年代末,
出现了超级计算机,
含相对论效应的量子化学计算方法顿作劲疾发展。从此相对论同化学之间的直接联系得以洞识,
人们的看法也为之一改。本文所介绍的一些研究结果旨在表明:
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堪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:
金的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兰光,
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。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(n
s2)
1S-
(n
s1np
1)
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一反而陡然增加。
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van
der
Waal力相互维系,
所以金属汞在常温下呈液态。
参考资料：
http://www.chem.snnu.edu.cn/jpkc/jghx/jg-Axkqyan/24.pdf