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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Warum ist Hg bei Raumtemperatur flüssig?


nobody
16.10.2000, 15:48
Warum ist Hg als einziges Metall bei Raumtemperatur flüssig?

Fabio
17.10.2000, 12:03
weil es einen niedrigen Schmelzpunkt hat http://www.chemieonline.com/forum/smilies/biggrin.gif !

Dichte: 13,546 g/cm3
Schmelzpunkt: -38,84 °C

MfG

------------------
Moderator
Fabio
fabio.chemiepsycho@gmx.de
http://www.fabios-chemiepage.de

nobody
17.10.2000, 14:20
Die Gründe dafür sind relativistischer Natur und liegen in der Kontraktion der 6s-Orbital beim Auffüllen des 4f-Niveaus und noch stärker beim Auffüllen der 5d-Zustände.
Das bedeutet nichts anderes, als dass die Radien der Atome am Ende des "d-Blocks" im Periodensystem in der 6. Periode extrem klein werden.
Die Elektronen im 6s-Orbital rücken also näher zum Kern (=Stabilisierung, höhere Ionisierungsenergie (also "edler")). Die Energie, die dafür notwendig ist, stammt aus einer Destabilisierung der 5d-Orbitale (werden also energetisch angehoben).

Diese relativistische Kontraktion bestimmt die besonderen Eigenschaften von Gold und Quecksilber (liegen am Ende des "d"-Blocks).


Der Grund für diese Kontraktion liegt in der Höhe der Kernladung. Bei den sehr schweren Elementen der 6.Periode werden die Elektronen (negativ geladen) durch die starke positive Ladung des Kerns so stark beschleunigt, dass sie näher an der Lichtgeschwindigkeit liegen und damit eine höhere Masse erhalten und so mit einen kleineren Radius um den Kern rotieren (Bohrsches Atommodell) was eine Verkleinerung der Ausdehnung des Atoms bewirkt ("Kontraktion").

Damit kann man unter anderem die gelbe Farbe des Goldes und sein edles Verhalten erklären, aber auch die Eigenschaften des Quecksilbers.

Wegen der Abnahme des Atomradius beim Quecksilber sind seine Valenzelektronen sehr stark gebunden. Quecksilber besitzt also eine hohe Ionisierungsenergie, wird chemisch inert und ähnelt somit den Edelgasen, kommt also am liebsten atomar vor und nicht untereinander verbunden, die Wechselwirkung zwischen den Atomen ist nur gering.
Bestehen zwischen Atomen/Molekülen nur geringe zwischenatomere (-molekulare) Kräfte, besitzen sie nur einen geringen Schmelz/Siedepunkt. Beispiele sind die Edelgase, der hohe Siedepunkt von Wasser (Zwischenmolekulare Wechselwirkung durch Wasserstoffbrückenbindungen) oder der niedrige Schmelzpunkt von Quecksilber.

Ich hoffe, das war einigermassen verständlich. Relativistische Effekte sind immer mehr oder weniger kompliziert.

nobody
28.10.2000, 22:13
Hallo Dirk,

RESPEKT, RESPEKT.

minutemen
18.04.2002, 13:39
bleibt noch hinzuzufügen - da die frage jetzt nochmal aufgerührt wurde - dass die besagte kontraktion durch die auffüllung der 4f-elektronen zustandekommt und daher auch den namen lanthaniden-kontraktion trägt. das hat ausserdem zur folge, dass sich die atomradien der NG-elemente der V und VI periode sehr ähneln & sich die chemie der in einer gruppe stehenden NG-elemente dieser perioden gleicht (insbesondere 4./5./6. NG, abnehmende ähnlichkeit mit wachsender OZ).

Tomboy
18.04.2002, 14:54
Und warum findet eine Kontraktion statt, wenn die 4f-Orbitale aufgefüllt werden? Hat das was damit zu tun dass ein LUMO energetisch höher liegt als ein HOMO?

Adam
19.04.2002, 00:19
Und warum findet eine Kontraktion statt, wenn die 4f-Orbitale aufgefüllt werden?


Die Kontraktion hat mit der Aufüllung der 4f-Orbitale nicht unbedingt direkt etwas zu tun (oder?), sondern eher ,dass die Kernladung der Elemente bei welchen die 4f-Orbitale aufgefüllt werden so groß ist, dass die p u. s -Orbitale (Kernnah)eine Kontraktion erfahren.
Das heißt die relativistsiche Kontraktion der s und p-Orbitale führt zu einer indirekter relativistsicher f-Orbital Expansion...


.

Tomboy
19.04.2002, 14:02
Moment, nochmal für Anfänger. Du sagst also, die p- und s-Orbitale werden stärker an den Kern gezogen und als Folge dessen werden die f-Orbitale weiter weggeschoben, ja? (Also gebn praktisch die f-Orbitale Energie an die p- und s-Orbitale ab, die beschleunigt werden und nach unten rutschen)

Habe ich das soweit richtig verstanden?

Godwael
19.04.2002, 15:41
Nenenee, vorsicht. Die unterschiedlichen Orbitale können keine Energie abgeben und nach "unten" rutschen, weil es "unten" nur diskrete Energieniveaus gibt, und die sind alle besetzt.
Die p- und s-Orbitale schirmen den Kern elektrisch ab.

Tomboy
19.04.2002, 15:44
Aber Kontraktion heißt doch dass sich die Orbitale zusammenziehen, oder? Hat das dann zur Folge dass der Kern stärker abgeschirmt wird?

Adam
20.04.2002, 00:15
Aber Kontraktion heißt doch dass sich die Orbitale zusammenziehen, oder? Hat das dann zur Folge dass der Kern stärker abgeschirmt wird?


Elektronen in Kernnähe bewegen sich recht schnell..erfahren eine Massenzunahme (Einstein lässt grüssen) und werden gravitationsbedingt stärker an den Kern gezogen...die erhöhte Kernladung tut ihr übriges...

Ja, der Kern wird stärker abgeschirmt, so dass die Elektronen in den f-Orbitalen weniger stark an den Kern gezogen werden; was zu der besagten f-Orbitalexpansion führt. Ich denke so kann man das erklären...bin da aber auch kein Experte :)

.

Tomboy
20.04.2002, 00:20
Dann nimmt doch aber der Atomradius eigentlich eher zu, oder? Wenn die f-Orbitale eine Expansion erfahren, sollte doch der Radius größer werden, wenn ich das richtig verstehe?
Wie die Bindungsstärke bei geringerem Radius abnimmt (wie oben beschrieben) habe ich ja verstanden...
Ich hoffe, ich kapier das noch irgendwann...

Adam
20.04.2002, 00:46
Dann nimmt doch aber der Atomradius eigentlich eher zu, oder? Wenn die f-Orbitale eine Expansion erfahren, sollte doch der Radius größer werden, wenn ich das richtig verstehe?


Hm..ich denke man darf aber die Wirkung der f-Orbitalexpansion nicht überschätzen...generell nimmt der Atomradius in der Reihe der Lanthanoide z.b.(mit einigen Ausnahmen) ab (Aufgrund der zunehmenden Kernladung), genau so wie der Ionenradius der dreiwärtigen Ionen....

.

Tomboy
20.04.2002, 01:04
Ah, ich habe gerade nochmal oben nachgelesen. Es ging ja darum, dass das 6s-Orbital eine Kontraktion erfährt und das 4f- bzw. 5d-Orbital eine Expansion. Ich denke mal, wenn man die Atomradien betrachtet, ist der Radius des energetisch höchsten Orbitals von entscheidender Bedeutung und das ist hier nun mal das 6s-Orbital, wenn ich meinem Tafelwerk glauben kann. Die höheren Orbitale liegen zwar ziemlich nahe beieinander, aber ich weiß auch nicht, wie stark sich das auswirkt...
Wenn jedoch das 4f-Orbital tiefer liegt, sollte es ja eigentlich auch eine stärkere Kontraktion erfahren, oder?
Na ja, ich schlafe erst mal ne Runde drüber, mal sehen ob ich bi smorgen irgendwelche schlagartigen Erkenntnisse oder sowas bekomme... ;)

Tomboy
22.04.2002, 15:19
Tja, das oben stehende habe ich zwar noch nicht vollständig verstanden, aber ich denke was ich davon weiß reicht für das, was ich bisher wissen muss...
Mir ist jedoch noch eine Frage gekommen:
Wir hatten nun also festgestellt, dass durch die Kontraktion des 6s-Orbitals die Bindung schwächer wird, da die Elektronen stärker stabilisiert sind. Um nun nochmal auf unseren speziellen Fall zurückzukommen: Wieso ist denn nun ausgerechnet Quecksilber flüssig? Wenn die Kontraktion des 6s-Orbitals mit steigender Ordnungszahl zunimmt, sollten die Elemente, die im PSE um Quecksilber herum liegen doch eine ähnlich niedrige Schmelz- und Siedetemperatur haben. Stattdessen liegen die Schmelztemperaturen der umgebenden Elemente in den Nebengruppen über 1000°C und bei den Elementen rechts von Quecksilber in den Hauptgruppen bei rund 300°C. Findet hier nun eine stärkere Kontraktion statt, weil die besetzten Niveaus vollständig aufgefüllt sind?

Mir ist auch aufgefallen, dass in den tieferen Schalen ein ähnliches Absinken der Schmelztemperatur in der 2 Nebengruppe im Vergleich zu den umliegenden Elementen stattfindet.
Ist also die höhere Stabilität dur die voll besetzten Niveaus dafür verantwortlich?

Adam
22.04.2002, 16:04
@Tomboy..

Wenn die Kontraktion des 6s-Orbitals mit steigender Ordnungszahl zunimmt, sollten die Elemente, die im PSE um Quecksilber herum liegen doch eine ähnlich niedrige Schmelz- und Siedetemperatur haben. Stattdessen liegen die Schmelztemperaturen der umgebenden Elemente in den Nebengruppen über 1000°C und bei den Elementen rechts von Quecksilber in den Hauptgruppen bei rund 300°C

Ich denke mal Cu, Zn, Ag, Cd .In und Ga könne wir aus unseren Betrachtungen weglassen...da hier keine f -Orbitale besetzt werden...
Und die Effekte bei Hg sind nun mal darauf zurückzuführen, dass die d und s Außenelektronen des Hg durch die f-Elektronen der drittinersten Schalle schlecht abgeschirmt werden ..
Somit haben auch die Elemente neben Hg folgenweise auch andere Smp etc.
Nur Gold zeigt noch ähnliche Eigenschaften wie Hg auf..

Bei Hg treffen nun mal alle Vorausetztungen auf einen Punkt :)

Richtige Kernladungszahl und e-Konfiguration und die damit verbundenen Effekte (siehe auch Dirk)
-kleinerer Atomradius als erwartet in der homologen Reihe
-große Ionisierungsenrgie
etc.


Gruß
Adam

Tomboy
22.04.2002, 16:56
Ja, OK, soweit klar: schlechtere Abschirmung des 6s-Orbitals, dadurch Kontraktion, dadurch niedrigere Schmelztemperatur.

Nur warum nun die Kontraktion bei Hg stärker als bei z.B. Au ist, darüber bin ich mir noch nicht ganz im Klaren...

Originalnachricht erstellt von Adam
Bei Hg treffen nun mal alle Vorausetztungen auf einen Punkt :)

Richtige Kernladungszahl und e-Konfiguration und die damit verbundenen Effekte (siehe auch Dirk)
-kleinerer Atomradius als erwartet in der homologen Reihe
-große Ionisierungsenrgie
etc.


Damit sprichst du vermutlich wieder auf die Kontraktion an, wie wir sie schon genannt hatten, oder spielen da auch noch andere Faktoren mit rein?

Adam
22.04.2002, 22:40
Nur warum nun die Kontraktion bei Hg stärker als bei z.B. Au ist, darüber bin ich mir noch nicht ganz im Klaren.


Ne nicht unbedingt. Genau die umgekehrten Verhältnise liegen ja gerade vor.:
Da Au (6s1)ein Außenelektron weniger hat als Hg[6s2] bei gleichen Anzahl an f- und d-Elektronen wird hier die Kontraktion der 6s-Orbitale noch stärker...ausfallen als bei Hg.
Schauen wir uns mal die Atomradien an:

Zuerst die Zn-Gruppe:

Zn: 1.335
Cd: 1.489
Hg: 1.62

der Atomradius des Hg nimmt zu aber weniger stark zu als beim Übergang von Zn nach Cd.

Cu: 1.278
Ag: 1.445
Au: 1.442

Angaben in [A]

Hier nimmt der Atomradius von Ag nach Au sogar ab!!

Au weist also die stärkste Kontraktion der 6s-Elektr. in der Cu-Triade auf.

Damit sprichst du vermutlich wieder auf die Kontraktion an, wie wir sie schon genannt hatten, oder spielen da auch noch andere Faktoren mit rein?

Ein Grund der sehr wichtig ist denke ich..sind die relativistsichen Effekte (Stärkere Anziehung der s und p -Orbitale an den Kern)die auch in den tieferen Schallen eine Rolle spielen.
Und dann kommt als zweiter Grund die schlechte Abschirmung durch die f-Elektronen und damit die starke 6s-Orbitalkontraktion; jetzt speziell zu sehen bei Au. Denn nur durch den zu letzt gennanten Punkt würde Au nur auf den Atomradius von Ag kommen, aber bestimmt nicht darunter.

Mensch Du bist aber Neugierig :)


gruß
Adam

Tomboy
22.04.2002, 23:28
:) Wie ging doch dieses Zitat...

"O Jahrhundert, o Wissenschaften!
Es ist eine Lust zu leben...
Die Geister regen sich und die Studien blühen auf.
Du aber, Barbarei, nimm einen Strick und erwarte die Verbannung!"
(Ulrich v. Hutten)

In diesem Sinne auf zum Kampf gegen meine Unwissenheit... :D
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Also nun sagst du, dass die Kontraktion noch stärker bei Gold ist... Aber hieß es nicht, dass eben diese Kontraktion die höhere Ionisierungsenergie und somit die flüssigen Eigenschaften von Quecksilber bedingt?
Dann müsste doch Gold auch flüssig sein, oder? :silly:

Adam
22.04.2002, 23:55
Also nun sagst du, dass die Kontraktion noch stärker bei Gold ist... Aber hieß es nicht, dass eben diese Kontraktion die höhere Ionisierungsenergie und somit die flüssigen Eigenschaften von Quecksilber bedingt?
Dann müsste doch Gold auch flüssig sein...


Ja, aber Hg hat im Gegensatz zu Gold eine abgeschlossene ( 6s2 ) Außenschale, wodurch es Edelgascharakter (He) besitzt und somit sehr gerne atomar vorkommt (und damit flüssig, da die Wechselwirkungen HgHg sehr gering sind)...im Gegensatz zu Au.
Natürlich spielen da die Ionisierungsenergien auch eine große Rolle...

Wie gesagt beim Hg passt einfach Alles...deswegen ist Hg ja auch nur die Ausnahme :)


.



In diesem Sinne auf zum Kampf gegen meine Unwissenheit..

Si, wir führen den Kampf erfolgreich, so hoffe ich doch, bis zum bitteren Ende :D

Tomboy
23.04.2002, 00:01
Ahja... :)
Also ich denke (und hoffe!), dass ich das jetzt mal so langsam einigermaßen verstanden habe... ;)

Danke auf jeden Fall für die ausführlichen Erläuterungen! :)

Und dann Mittwoch mal sehen, ob ich das auch ordentlich meinem Stammkurs erklären kann... :D

Adam
23.04.2002, 00:08
Danke auf jeden Fall für die ausführlichen Erläuterungen!


Nichts zu danken :)
Dazu ist das Forum da zum diskutieren..und lernen...ich habe mich mit dem ganzen Thema bis jetzt auch nicht sehr tiefsinnig befasst...

Und dann Mittwoch mal sehen, ob ich das auch ordentlich meinem Stammkurs erklären kann.

Mit dem Wissen, dass Du jetzt hast ...lächel..sollte es kein Problem werden :)


.

Ach, und deine Neugier ist schon mal eine sehr gute Voraussetzung für ein Chemiestudium ;)

Tomboy
23.04.2002, 00:22
Originalnachricht erstellt von Adam
Ach, und deine Neugier ist schon mal eine sehr gute Voraussetzung für ein Chemiestudium ;)

Jep. :D und dann noch der Riedel und der Vollhardt, die hier bei mir rumliegen und wer weiß was bis zum Studium noch für Bücher kommen... ;)
Und dann haben wir den selben Fall wie beim Quecksilber, es treffen alle Voraussetzungen auf einen Punkt... ;) ;) :D

Ach ja, und jetzt gehe ich schlafen. :D

.. :sleep: