Nguyễn Văn Sơn
Writer
Phần lớn các nguyên tố kim loại tan chảy ở nhiệt độ hàng trăm độ, nhưng đối với thủy ngân thì nhiệt độ đó là -38,9°C. Vậy tại sao kim loại thủy ngân lại khác với tất cả những kim loại khác?
Tất cả là do các electron bên ngoài và sự kết hợp của nhiều yếu tố khiến chúng liên kết kém một cách bất thường.
Điều đầu tiên cần lưu ý là câu hỏi tiêu đề có thể không hoàn toàn chính xác. Có thể có hai nguyên tố chuyển tiếp uranium, không xuất hiện trong tự nhiên vì chúng phân rã quá nhanh để có thể tồn tại sau khi được tạo ra trong siêu tân tinh hoặc kilonova ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng. Chu kỳ bán rã ngắn tương tự có nghĩa là chúng phải được sản xuất nhân tạo, đồng nghĩa với việc chúng ta không có nhiều thời gian để nghiên cứu chúng. Copernicium và Flerovium được cho là ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, nhưng vì một loại tồn tại vài giây trước khi phân rã, còn loại kia thậm chí còn ít hơn, nên có khá nhiều điều không chắc chắn về điều này.
Thủy ngân là nguyên tố duy nhất ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, nhưng tại sao?
Bỏ những điều tò mò này sang một bên, thủy ngân nổi bật trong số các nguyên tố ổn định. Ở mức độ đơn giản nhất, nguyên nhân là do các electron ngoài cùng của thủy ngân không liên kết với nhau rất mạnh, làm suy yếu lực hút giữa nguyên tử thủy ngân này với nguyên tử khác. Điểm yếu đó có nghĩa là ngay khi thủy ngân nhận được một lượng năng lượng khá khiêm tốn thì tổ chức của chất rắn bị phá vỡ và các nguyên tử bắt đầu chuyển động tự do hơn.
Một cách khác để xem xét điều này là khi các nguyên tử liên kết với nhau một phần động năng của chúng được chuyển thành năng lượng của liên kết. Có rất ít năng lượng trong liên kết của thủy ngân với chính nó nên không cần nhiều chuyển động để tách chúng ra. Vì ở cấp độ nguyên tử, động năng ngẫu nhiên tạo ra nhiệt, thủy ngân không cần phải ấm, chứ đừng nói đến nóng, để trở thành chất lỏng, nhưng các kim loại khác, với nhiều năng lượng được lưu trữ trong liên kết của chúng, thì làm được.
Trạng thái lỏng của Sao Thủy đã được biết đến từ hơn ba nghìn năm trước, nhưng đó không phải là điều mà chúng ta có thể dự đoán được nếu nguyên tố này chỉ được phát hiện khi bảng tuần hoàn được điền vào. Hầu hết các chất lỏng quen thuộc đều có mật độ khá thấp, do đó, việc gặp phải một chất lỏng ở phía dưới bảng tuần hoàn đi ngược lại với mong đợi của chúng tôi. Những người hàng xóm của nó trong bảng tuần hoàn, vàng và thallium, lần lượt tan chảy ở nhiệt độ hơn 1000 và 300 độ C. Tuy nhiên, nó rất hữu ích: sự kết hợp giữa mật độ và tính chất lỏng của thủy ngân là lý do tại sao nó rất phù hợp với nhiệt kế, phong vũ biểu và đo huyết áp.
Vậy điều gì khiến các electron bên ngoài của thủy ngân dẫn đến liên kết yếu hơn nhiều so với các kim loại cùng loại? Hóa ra thủy ngân đang ở vị trí thuận lợi trên bàn, nơi có ba tác dụng kết hợp. Đầu tiên là lớp vỏ electron bên ngoài của nó đã đầy. Các electron trong lớp vỏ được lấp đầy một phần sẽ dễ dàng thoát ra hơn nhiều, trở thành một phần của đám sương mù electron hóa trị giữ các nguyên tử lại với nhau. Kim loại có các electron dễ chia sẻ hơn thường có điểm nóng chảy cao hơn, chắc chắn cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng.
Tuy nhiên, thủy ngân không phải là kim loại duy nhất có lớp vỏ hoàn chỉnh nên đó không thể là lý do duy nhất. Cả hai yếu tố còn lại đều khiến các electron bên ngoài của các nguyên tử bị ảnh hưởng ở gần hạt nhân hơn, cản trở khả năng liên kết của chúng với các nguyên tử khác.
Các thành viên của dãy nguyên tố lanthanide, có chung chu kỳ thứ sáu với thủy ngân trong bảng tuần hoàn, trải qua cái gọi là “sự co lại của lanthanide”. Các electron của lớp vỏ con 4f không che chắn các electron ra xa khỏi điện tích dương của hạt nhân nhiều như các electron khác, khiến các electron bên ngoài bị kéo vào trong. Do đó, hầu hết các nguyên tố trong chu kỳ 6 có bán kính nguyên tử có kích thước tương tự như các nguyên tố ở chu kỳ phía trên chúng, dẫn đến mật độ lớn hơn nhiều.
Hơn nữa, các electron bên ngoài của thủy ngân chịu sự co lại tương đối tính, chuyển động nhanh đến mức tác động của việc tiến gần đến tốc độ ánh sáng phát huy tác dụng. Đây là điều chỉ thực sự quan trọng với các nguyên tố nặng hơn, vì khối lượng lớn hơn làm tăng tốc các electron nhiều hơn. Giống như hành tinh thủy ngân di chuyển quanh Mặt trời nhanh hơn các vật thể ở xa hơn, các electron được kéo đến gần hạt nhân sẽ di chuyển nhanh hơn, trong những trường hợp như thủy ngân đủ nhanh để các hiệu ứng tương đối tính xảy ra.
Sự kết hợp của hai hiệu ứng này cản trở sự liên kết giữa các nguyên tử thủy ngân. Bên cạnh việc giữ nó ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, họ còn đảm bảo rằng khi đun nóng đến mức tạo thành khí, các nguyên tử thủy ngân không kết đôi với nhau, giống như hầu hết các loại khí nguyên tố (ví dụ như H2, O2 hoặc N2). Thay vào đó, các nguyên tử thủy ngân giữ mình giống như các khí hiếm.
Tất cả là do các electron bên ngoài và sự kết hợp của nhiều yếu tố khiến chúng liên kết kém một cách bất thường.
Điều đầu tiên cần lưu ý là câu hỏi tiêu đề có thể không hoàn toàn chính xác. Có thể có hai nguyên tố chuyển tiếp uranium, không xuất hiện trong tự nhiên vì chúng phân rã quá nhanh để có thể tồn tại sau khi được tạo ra trong siêu tân tinh hoặc kilonova ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng. Chu kỳ bán rã ngắn tương tự có nghĩa là chúng phải được sản xuất nhân tạo, đồng nghĩa với việc chúng ta không có nhiều thời gian để nghiên cứu chúng. Copernicium và Flerovium được cho là ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, nhưng vì một loại tồn tại vài giây trước khi phân rã, còn loại kia thậm chí còn ít hơn, nên có khá nhiều điều không chắc chắn về điều này.
Thủy ngân là nguyên tố duy nhất ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, nhưng tại sao?
Một cách khác để xem xét điều này là khi các nguyên tử liên kết với nhau một phần động năng của chúng được chuyển thành năng lượng của liên kết. Có rất ít năng lượng trong liên kết của thủy ngân với chính nó nên không cần nhiều chuyển động để tách chúng ra. Vì ở cấp độ nguyên tử, động năng ngẫu nhiên tạo ra nhiệt, thủy ngân không cần phải ấm, chứ đừng nói đến nóng, để trở thành chất lỏng, nhưng các kim loại khác, với nhiều năng lượng được lưu trữ trong liên kết của chúng, thì làm được.
Trạng thái lỏng của Sao Thủy đã được biết đến từ hơn ba nghìn năm trước, nhưng đó không phải là điều mà chúng ta có thể dự đoán được nếu nguyên tố này chỉ được phát hiện khi bảng tuần hoàn được điền vào. Hầu hết các chất lỏng quen thuộc đều có mật độ khá thấp, do đó, việc gặp phải một chất lỏng ở phía dưới bảng tuần hoàn đi ngược lại với mong đợi của chúng tôi. Những người hàng xóm của nó trong bảng tuần hoàn, vàng và thallium, lần lượt tan chảy ở nhiệt độ hơn 1000 và 300 độ C. Tuy nhiên, nó rất hữu ích: sự kết hợp giữa mật độ và tính chất lỏng của thủy ngân là lý do tại sao nó rất phù hợp với nhiệt kế, phong vũ biểu và đo huyết áp.
Vậy điều gì khiến các electron bên ngoài của thủy ngân dẫn đến liên kết yếu hơn nhiều so với các kim loại cùng loại? Hóa ra thủy ngân đang ở vị trí thuận lợi trên bàn, nơi có ba tác dụng kết hợp. Đầu tiên là lớp vỏ electron bên ngoài của nó đã đầy. Các electron trong lớp vỏ được lấp đầy một phần sẽ dễ dàng thoát ra hơn nhiều, trở thành một phần của đám sương mù electron hóa trị giữ các nguyên tử lại với nhau. Kim loại có các electron dễ chia sẻ hơn thường có điểm nóng chảy cao hơn, chắc chắn cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng.
Tuy nhiên, thủy ngân không phải là kim loại duy nhất có lớp vỏ hoàn chỉnh nên đó không thể là lý do duy nhất. Cả hai yếu tố còn lại đều khiến các electron bên ngoài của các nguyên tử bị ảnh hưởng ở gần hạt nhân hơn, cản trở khả năng liên kết của chúng với các nguyên tử khác.
Các thành viên của dãy nguyên tố lanthanide, có chung chu kỳ thứ sáu với thủy ngân trong bảng tuần hoàn, trải qua cái gọi là “sự co lại của lanthanide”. Các electron của lớp vỏ con 4f không che chắn các electron ra xa khỏi điện tích dương của hạt nhân nhiều như các electron khác, khiến các electron bên ngoài bị kéo vào trong. Do đó, hầu hết các nguyên tố trong chu kỳ 6 có bán kính nguyên tử có kích thước tương tự như các nguyên tố ở chu kỳ phía trên chúng, dẫn đến mật độ lớn hơn nhiều.
Hơn nữa, các electron bên ngoài của thủy ngân chịu sự co lại tương đối tính, chuyển động nhanh đến mức tác động của việc tiến gần đến tốc độ ánh sáng phát huy tác dụng. Đây là điều chỉ thực sự quan trọng với các nguyên tố nặng hơn, vì khối lượng lớn hơn làm tăng tốc các electron nhiều hơn. Giống như hành tinh thủy ngân di chuyển quanh Mặt trời nhanh hơn các vật thể ở xa hơn, các electron được kéo đến gần hạt nhân sẽ di chuyển nhanh hơn, trong những trường hợp như thủy ngân đủ nhanh để các hiệu ứng tương đối tính xảy ra.
Sự kết hợp của hai hiệu ứng này cản trở sự liên kết giữa các nguyên tử thủy ngân. Bên cạnh việc giữ nó ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, họ còn đảm bảo rằng khi đun nóng đến mức tạo thành khí, các nguyên tử thủy ngân không kết đôi với nhau, giống như hầu hết các loại khí nguyên tố (ví dụ như H2, O2 hoặc N2). Thay vào đó, các nguyên tử thủy ngân giữ mình giống như các khí hiếm.
