Warum ist Quecksilber bei Raumtemperatur flüssig? Wenn Sie diese Frage in einem Schulklassenzimmer stellen, wird Ihnen wahrscheinlich gesagt, dass die Relativitätstheorie die Orbitale von Schwermetallen beeinflusst, sie zusammenzieht und ihre Bindung verändert. Der erste Beweis, dass diese Erklärung richtig ist, wurde jedoch gerade erst veröffentlicht.Ein internationales Team unter der Leitung von Peter Schwerdtfeger von der Massey University Auckland in Neuseeland nutzte die Quantenmechanik, um die Wärmekapazität des Metalls einschließlich oder ohne relativistische Effekte zu berechnen. Sie zeigten, dass, wenn sie die Relativitätstheorie bei ihren Berechnungen ignorierten, der vorhergesagte Schmelzpunkt von Quecksilber 82 ° C betrug, aber wenn sie relativistische Effekte einschlossen, entsprach ihre Antwort genau dem experimentellen Wert von -39 ° C.

Die Relativitätstheorie besagt, dass Objekte umso schwerer werden, je schneller sie sich bewegen. In Atomen hängt die Geschwindigkeit der innersten Elektronen mit der Kernladung zusammen. Je größer der Kern wird, desto größer ist die elektrostatische Anziehung und desto schneller müssen sich die Elektronen bewegen, um nicht hineinzufallen. Wenn Sie also das Periodensystem hinuntergehen, werden diese 1s-Elektronen immer schneller und daher schwerer, wodurch der Radius des Atoms schrumpft. Dies stabilisiert einige Orbitale, die ebenfalls eine eigene relativistische Natur haben, während andere destabilisiert werden. Dieses Zusammenspiel bedeutet, dass bei schweren Elementen wie Quecksilber und Gold die äußeren Elektronen stabilisiert werden. Im Fall von Quecksilber bleiben die Elektronen, anstatt Bindungen zwischen benachbarten Quecksilberatomen zu bilden, mit ihren eigenen Kernen verbunden, und schwächere interatomare Kräfte wie Van-der-Waals-Bindungen halten die Atome zusammen.

Long time coming

In den 1960er Jahren entdeckte Pekka Pyykkö, jetzt an der Universität Helsinki, Finnland, dass die Farbe von Gold das Ergebnis relativistischer Effekte war. Er zeigte, dass die niedrigeren Energieniveaus des 6s-Goldorbitals bedeuten, dass die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus dem 5d-Band anzuregen, eher im sichtbaren als im UV-Bereich des Lichts liegt. Dies bedeutet, dass Gold blaues Licht absorbiert, während es gelbes und rotes Licht reflektiert, und dies verleiht dem Metall seinen charakteristischen Farbton. Wenn die Energien der beiden Bänder ohne relativistische Effekte berechnet wurden, ist die erforderliche Energie viel größer. Weitere Berechnungen haben in der Folge den Einfluss der Relativitätstheorie auf die Farbe und Bindungslängen von Schwermetallverbindungen sowie deren Bedeutung für die Katalyse gezeigt. Der niedrige Schmelzpunkt von Quecksilber konnte jedoch nur aufgrund relativistischer Effekte als ‚wahrscheinlich‘ bezeichnet werden.

‚Auf spekulativer Ebene gibt es diese Idee seit den späten 1970er Jahren‘, erklärt Pyykkö, der nicht an der Arbeit beteiligt war, ‚aber dies ist der erste quantitative Beweis.‘

Insbesondere Schwerdtfegers Team arbeitet seit einigen Jahrzehnten an dem Problem. Der Grund für die Verzögerung, erklärt er, war, dass Computer bis vor kurzem die leistungsstarken Berechnungen des Teams nicht abschließen konnten. ‚Es war viel Computerzeit erforderlich‘, fügt er hinzu, ‚und die verwendeten Algorithmen sind heutzutage effizienter.‘

Aber abgesehen davon, dass er es in die Lehrbücher geschafft hat, was diese Arbeit definitiv tun wird, hofft Schwerdtfeger, dass er, indem er zeigt, dass sein Ansatz funktioniert, die Schmelzpunkte anderer metallischer Systeme berechnen kann.Aber noch wichtiger: Wenn ein Lehrer das nächste Mal nach einem der auffälligsten Beispiele der Relativitätstheorie gefragt wird, wird er wissen, dass es Beweise gibt, die seine Erklärung stützen.