Por que o mercúrio é líquido?

O mercúrio é um metal, mas possui algumas propriedades físicas peculiares, incluindo o estado líquido à temperatura ambiente.

Com informações de Live Science.

Tendemos a pensar nos metais como duros, fortes e resistentes a altas temperaturas — basta olhar para o ferro, o alumínio e o aço. Embora isso seja geralmente verdade, há uma exceção fundamental: o mercúrio. Com um ponto de fusão de -37,9 graus Fahrenheit ( -38,8 graus Celsius ), o mercúrio é um dos dois únicos elementos que são líquidos à temperatura ambiente. (O outro é o bromo, que não é um metal.)

Mas por que o mercúrio é tão diferente dos outros metais?

A resposta reside na posição do mercúrio na tabela periódica e no seu efeito subsequente na forma como o metal se liga aos outros elementos.

O ponto de fusão está diretamente relacionado à força das ligações — “quanto mais fortes as ligações, mais energia, na forma de calor, é necessária para quebrá-las”, disse Zoe Ashbridge, professora sênior de química do Ministério da Defesa do Reino Unido, ao Live Science.

Os átomos de mercúrio, assim como os átomos de todos os outros metais, unem-se por meio de ligações metálicas — uma rede de partículas metálicas carregadas positivamente, conhecidas como íons, é circundada por um mar de elétrons deslocalizados (livres), e a atração eletrostática entre essas partículas de cargas opostas atua como a cola que mantém o metal unido. Essa estrutura explica muitas das outras propriedades características dos metais, como a condutividade elétrica, já que os elétrons podem se mover livremente pelo material, e a moldabilidade, pois as camadas de partículas positivas podem deslizar umas sobre as outras para assumir uma nova forma, lubrificadas pelos elétrons livres. Mas é especificamente a intensidade da atração eletrostática que determina o ponto de fusão.

A disponibilidade de elétrons externos para criar esse mar de elétrons deslocalizados é, portanto, um fator crucial. “Quanto mais positivo for o centro metálico e quanto mais elétrons de valência deslocalizados estiverem na parte externa, maior será a atração, e geralmente isso ocorre da esquerda para a direita na tabela periódica”, explicou Ashbridge.

Como um metal do grupo 12, o mercúrio teoricamente possui 12 elétrons na camada de valência que poderiam contribuir para a ligação metálica. “No entanto, todos esses elétrons estão em subcamadas preenchidas”, acrescentou ela. “Quando estão preenchidos, tornam-se mais estáveis ​​e menos propensos à deslocalização, o que faz com que o mercúrio seja particularmente relutante em compartilhar seus elétrons, mesmo com outros átomos de mercúrio.”

No entanto, esse efeito de subcamada preenchida não é suficiente para explicar o ponto de fusão excepcionalmente baixo do mercúrio. A força da ligação metálica — e, portanto, o ponto de fusão — também diminui do topo para a base da tabela periódica, à medida que os átomos ficam maiores. Mas, extrapolando a partir dessas tendências estabelecidas, o mercúrio ainda deveria ter um ponto de fusão em torno de 130 °C (266 °F), o que o tornaria sólido à temperatura ambiente.

Então, o que causa essa enorme disparidade?

O estado líquido do mercúrio resulta quase inteiramente de efeitos relativísticos, afirmou Peter Schwerdtfeger, físico quântico da Universidade Massey, na Nova Zelândia. Na parte inferior da tabela periódica, os elétrons dos elementos mais pesados ​​sofrem uma atração tão forte pelo núcleo atômico que se movem a velocidades próximas à da luz. Nesse ponto, eles deixam de obedecer às leis da física clássica, e os fenômenos quânticos resultantes — conhecidos como efeitos relativísticos — levam a propriedades físicas surpreendentes. A forma como esses efeitos se manifestam depende do elemento.

“Os efeitos relativísticos tornam-se extremamente importantes para os elementos dos grupos 11 e 12, onde se encontram o ouro e o mercúrio”, disse ele à Live Science. Consequentemente, as propriedades físicas peculiares que surgem desses efeitos quânticos são mais observáveis ​​nesses elementos. O ouro tem uma tonalidade amarelada extremamente incomum e o mercúrio é líquido à temperatura ambiente.

“Eles nos mostram o chamado máximo dos efeitos relativísticos, e a camada externa desses átomos se contrai como resultado. É enorme. Para o mercúrio, é cerca de 20%”, disse Schwerdtfeger. Em termos químicos, essa contração induzida pela relatividade é explicada mais facilmente considerando-se, mais uma vez, a configuração eletrônica do mercúrio.

A subcamada 4f completa, que contém os elétrons associados aos elementos de terras raras, ou lantanídeos, é extremamente ineficiente em blindar os outros elétrons da carga nuclear. Isso significa que os elétrons mais externos ficam muito mais próximos do núcleo do que o normal — um fenômeno chamado contração dos lantanídeos. Esses elétrons contraídos se movem próximos à velocidade da luz e, portanto, sofrem efeitos relativísticos.

“Isso aumenta a massa deles e, quando eles têm uma massa aumentada devido a essa alta velocidade, isso atrai esses elétrons ainda mais para perto do núcleo”, disse Ashbridge. Consequentemente, os efeitos relativísticos reduzem a disponibilidade de elétrons para contribuir com a ligação metálica, diminuindo assim o ponto de fusão do metal abaixo da temperatura ambiente.

Em um nível de mecânica quântica, no entanto, essa explicação qualitativa é extremamente difícil de comprovar com cálculos.

“A equação de Schrödinger — que geralmente descreve as possíveis posições de partículas como elétrons — não satisfaz o princípio da relatividade de Albert Einstein”, explicou Schwerdtfeger. Consequentemente, essa equação não funciona para partículas de alta velocidade, como os elétrons no mercúrio. Os cientistas precisam, então, recorrer à equação de Dirac, significativamente mais complexa , o que torna qualquer simulação extremamente exigente em termos computacionais.

Porém, com o tempo, os avanços na computação permitiram que Schwerdtfeger desenvolvesse um modelo capaz de simular com precisão a fusão do mercúrio e fornecer uma explicação teórica quântica para o ponto de fusão anômalo.

“Usando o que chamamos de teoria do funcional da densidade, conseguimos estabelecer que o ponto de fusão é reduzido em mais de 200 graus Celsius [360 F] pelos efeitos relativísticos”, disse ele. Essas contribuições quânticas são dominantes, então, embora as tendências periódicas prevejam um ponto de fusão baixo para o mercúrio, os efeitos relativísticos fazem com que o elemento seja líquido à temperatura ambiente.