Ayın Matematik Sorusu köşesinde Temmuz 2021 sorusunu doğru çözenler belli oldu.
Birçok Ağır Metal Oda Sıcaklığında Katıyken Cıva Neden Sıvıdır?
Metal atomlarının değerlik elektronları, metal atomları bir araya geldiğinde oluşan molekül orbitallerinde bulunur.
Metal atomlarının değerlik elektronları, metal atomları bir araya geldiğinde oluşan molekül orbitallerinde bulunur. Metal atomlarının oluşturduğu kristal yapı nedeniyle bir metal atomu çok sayıda metal atomuyla komşudur. Bu nedenle metallerin değerlik elektronları çok sayıdaki molekül orbitalinde serbestçe hareket eder. Bu, metallerin fiziksel birçok özelliğinin (örneğin sertlik, yüksek erime ve kaynama noktası, elektrik iletkenliği, dövülebilirlik) sebebidir. Metaller, serbest haldeki değerlik elektronları ve artı yüklü metal iyonları arasındaki çekim kuvveti sayesinde bir arada tutulur. Metallerin ortaklaşa kullandığı değerlik elektronlarının sayısı arttıkça sertlikleri artar. Bu nedenle cıvanın da içinde bulunduğu geçiş metallerinin birçoğu hayli serttir. Ancak cıva atomları birbirine daha zayıf kuvvetlerle bağlıdır. Çünkü cıvanın 6s orbitalinde iki değerlik elektronu vardır ve cıva bu elektronları ortaklaşa kullanma eğilimde değildir.
Peki, cıva değerlik elektronlarını ortaklaşa kullanmaya neden isteksizdir? s orbitallerindeki elektronlar çekirdeğe çok yakındır ve bu elektronlar çekirdek etrafında ışık hızıyla kıyaslanabilir hızlarda döner. Örneğin cıvanın 1s orbitalindeki bir elektronunun hızı, ışık hızının yaklaşık %58’ine yaklaşır. Özel görelilik kuramına göre bir parçacığın hızı ışık hızına yaklaştıkça etkin kütlesi artar. Bu artış orbitalin çapının küçülmesine neden olur. Cıva gibi kalabalık çekirdekli bir atom (cıvanın çekirdeğinde 80 proton vardır) bu elektronları büyük bir elektrostatik kuvvetle çeker. Bütün bu etkiler atom çapının küçülmesine neden olur. Bu nedenle cıva 6s orbitalindeki değerlik elektronlarını ortaklaşa kullanma ve diğer cıva atomlarıyla kuvvetli bağlar yapma konusunda isteksizdir. Angewandte Chemie (International Edition) dergisinde yayımlanan çalışmalarında araştırmacılar görelilik etkisi dâhil edilmediğinde cıvanın erime noktasının 82°C olması gerektiğini, bu etki hesaba katıldığında elde edilen sonuçların cıvanın deneysel erime noktası olan -39°C’ye çok yakın olduğunu gösterdi.