수은은 어떻게 존재하게 된 것인가요?
자연에서 존재하는 원소중에해서 액체상태로 존재하는 유일한 금속이 바로 수은인데요 왜 수은은 금속으로 분류가 된것이고 존재하게 된것인지 궁금합니다.
안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.
수은이 왜 액체인지 설명하려면 상대성 이론을 도입해야 합니다.
전자가 운동하지 않으면 핵에 이끌려 충돌이 일어납니다.
때문에 전자는 어느정도 속도 이상으로 핵 주변을 운동하고 있습니다.
그런데 6주기로 넘어가면 양성자가 많아지면서, 원자핵과 전자의 인력이 매우 매우 강해집니다.
이 인력을 이기기 위하여 전자는 더 빠른 속도로 운동해야 하고,
그 결과로, Hg의 1s 오비탈의 전자는 빛의 속도의 0.58 배 정도의 속도로 운동합니다.
상대성효과로 인하여 전자의 무게는 약 1.23배 무거워지고,
오비탈 반경은 수축됩니다.
1s 오비탈 반경 수축은 2번째 껍질의 오비탈 수축으로 이어지고,
결국에 최외각 전자인 6s까지 영향을 미칩니다.
특히나 d오비탈과 f오비탈은 핵 가리움 효과가 적어서
5s오비탈의 전자는 안그래도 4주기나 5주기 전이금속에 비해 강하게 핵전하를 받는데,
반경까지 줄었으니, 핵과의 정전기적 인력은 매우 커집니다.
질문자님도 언급하였듯이 6s오비탈에 2개의 전자가 있고,
이미 이들은 짝지어져 있어서
기본적으로 공유결합을 잘 하지 않으려 합니다.
여기에 더해 상대론적 효과인해, 핵과의 인력이 강해졌으니,
6s 오비탈의 전자는 더욱 더 공유결합을 하지 않으려 합니다.
때문에 수은 원자간 인력은 반데르발스 인력의 비중이 매우 높습니다.
약한 원자간 인력때문에 수은 원자가 단단히 결속되지 못하고,
수은은 상온에서 액체로 존재합니다.
2013년 7월에 Angewandte Chemie(앙게반테 쉐미)에 실린 논문에 따르면
상대론적 효과를 고려하지 않으면 녹는점은 82 ℃로 계산되었고,
상대론적 효과를 고려하여 시뮬레이션한 경우 녹는점은 -23 ℃로 계산되었습니다.
(실제 수은의 녹는점은 약 -39 ℃)
즉, 상대론적 효과로 인하여 녹는점이 100 ℃ 가량 떨어졌고,
이 때문에 수은은 상온에서 액체입니다.
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