Warum ist Quecksilber flüssig? Die Antwort gibt die Relativität

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Kurzantwort: Quecksilber ist bei Raumtemperatur flüssig, weil seine äußeren Elektronen ungewöhnlich fest am Atomkern hängen und kaum für Bindungen zwischen den Atomen zur Verfügung stehen. Ursache sind relativistische Effekte: Die inneren Elektronen des schweren Atoms bewegen sich so schnell, dass Einsteins spezielle Relativitätstheorie ihre Masse erhöht und die 6s-Schale schrumpfen lässt. Die Metallbindung wird dadurch so schwach, dass das Gitter schon bei −38,83 Grad Celsius zerfällt. Eine Simulation von 2013 zeigte: Ohne diese Effekte läge der Schmelzpunkt um 105 Grad höher, und Quecksilber wäre bei Zimmertemperatur ein festes Metall.

Quecksilber ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist. Es glänzt wie Silber, wiegt 13,5-mal so viel wie Wasser und rollt als Kugel über den Tisch. Warum ausgerechnet dieses Element aus der Reihe tanzt, konnten Chemiker lange nur vermuten. Seit 2013 gibt es eine gerechnete Antwort.

Hier liest du, was Quecksilber von seinen Nachbarn im Periodensystem unterscheidet, welche Rolle die Relativitätstheorie dabei spielt und was die Zahlen dazu sagen. Die physikalischen Daten stammen aus der Wikipedia, die Erklärung aus einer Pressemitteilung der Universität Heidelberg zur Studie in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

Die Zahlen: Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dichte

Quecksilber schmilzt laut Wikipedia bei −38,83 Grad Celsius und siedet bei 356,6 Grad. Die Dichte beträgt 13,55 Gramm je Kubikzentimeter, ein Liter wiegt also 13,5 Kilogramm. Ein Eisenstück schwimmt darauf wie Kork auf Wasser. Zum Vergleich: Gold, der linke Nachbar im Periodensystem, schmilzt erst bei 1.064 Grad. Cadmium, das Element direkt über dem Quecksilber, bei 321 Grad. Nur Gallium (29,8 Grad) und Caesium (28,4 Grad) kommen dem Quecksilber nahe, beide sind aber bei 20 Grad noch fest.

Was ein Metall zusammenhält

In einem Metall geben die Atome ihre äußeren Elektronen in ein gemeinsames „Elektronengas“ ab. Diese frei beweglichen Elektronen halten die positiv geladenen Atomrümpfe zusammen wie Kitt. Je leichter die Atome ihre Außenelektronen abgeben, desto stärker ist die Bindung und desto höher der Schmelzpunkt. Bei Wolfram, dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt, sind es 3.422 Grad.

Quecksilber hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s2. Alle Unterschalen sind voll besetzt, auch die äußere 6s-Schale mit ihren zwei Elektronen. Volle Schalen sind stabil, das kennt man von den Edelgasen. Quecksilber verhält sich laut Universität Heidelberg deshalb „häufig eher wie ein Edelgas als wie ein Metall“. Die beiden 6s-Elektronen gehen nur widerwillig ins Elektronengas. Die Bindung bleibt schwach.

Warum die Relativitätstheorie mitspielt

Das allein erklärt den Effekt noch nicht, denn Cadmium und Zink haben dieselbe Struktur der Außenschale und sind fest. Der Unterschied ist die Masse des Kerns. Quecksilber hat 80 Protonen. Die innersten Elektronen werden von dieser Ladung so stark angezogen, dass sie sich mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Bei solchen Geschwindigkeiten greift Einsteins spezielle Relativitätstheorie: Die Masse der Elektronen nimmt zu, ihre Bahnen ziehen sich zusammen.

Diese Kontraktion wirkt sich bis auf die 6s-Schale aus. Sie rückt näher an den Kern, ihre Energie sinkt, die beiden Elektronen sitzen fester als bei einem Atom ohne relativistische Korrektur. Genau diese zwei Elektronen wären aber für die Metallbindung zuständig. Weil sie kaum mitmachen, hält das Kristallgitter nur bis −38,83 Grad. Ein weiterer Beitrag kommt von den 14 Elektronen der 4f-Schale, die die Kernladung schlecht abschirmen und den Effekt verstärken.

Die Rechnung von 2013

Lange war das eine plausible Vermutung. 2013 rechneten Florent Calvo (Lyon), Elke Pahl und Peter Schwerdtfeger (Massey University, Neuseeland) sowie Michael Wormit (Heidelberg) den Schmelzpunkt von Quecksilber am Computer nach. Sie kombinierten quantenchemische Rechnungen mit einer Monte-Carlo-Simulation, bei der sehr viele Zufallsexperimente das Verhalten des Kristalls beim Erwärmen nachbilden. Einmal rechneten sie mit relativistischen Effekten, einmal ohne.

Das Ergebnis, veröffentlicht in der Angewandten Chemie: Mit Relativität landet der Schmelzpunkt nahe am gemessenen Wert. Ohne Relativität „läge der Schmelzpunkt von kristallinem Quecksilber um 105 Grad Celsius höher“, so die Universität Heidelberg. Quecksilber würde dann erst bei etwa 66 Grad schmelzen und wäre bei Raumtemperatur ein fester, silbriger Klumpen. Auch die Dichte wäre laut Wikipedia höher, rund 16,1 statt 13,5 Gramm je Kubikzentimeter.

Andere Folgen desselben Effekts

Die relativistische Kontraktion erklärt noch mehr Merkwürdigkeiten der schweren Elemente. Gold ist gelb statt silbrig, weil die verschobenen Energieniveaus blaues Licht absorbieren. Und Quecksilber bildet mit anderen Metallen Amalgame, weil es flüssig ist und fremde Atome leicht aufnimmt. Das nutzten Zahnärzte über 150 Jahre für Füllungen.

Wo die Eigenschaft genutzt wurde

Ein flüssiges Metall, das sich gleichmäßig mit der Temperatur ausdehnt, war ideal für Thermometer und Barometer. Seit dem 3. April 2009 dürfen in der EU keine neuen quecksilberhaltigen Fieberthermometer, Barometer und Blutdruckmessgeräte mehr verkauft werden, weil der Dampf giftig ist. Bei −38,83 Grad wäre ohnehin Schluss gewesen: Für arktische Messungen brauchte man schon immer Alkoholthermometer. Heute steckt Quecksilber vor allem noch in Leuchtstofflampen, in der Chlorproduktion und in Amalgamfüllungen, deren Einsatz die EU seit 2018 schrittweise einschränkt.

Häufige Fragen

Bei welcher Temperatur wird Quecksilber fest?

Bei −38,83 Grad Celsius. Darunter ist es ein silbriges, verformbares Metall ähnlich wie Zinn.

Ist Quecksilber das einzige flüssige Metall?

Bei Raumtemperatur ja. Gallium (29,8 Grad) und Caesium (28,4 Grad) schmelzen in der Hand oder an einem warmen Sommertag.

Warum ist Gold fest, Quecksilber aber flüssig?

Gold hat nur ein 6s-Elektron, die Schale ist halb leer und bindet stark. Quecksilber hat zwei, die Schale ist voll und relativistisch zusammengezogen.

Was hat Einstein mit Quecksilber zu tun?

Die inneren Elektronen bewegen sich so schnell, dass ihre Masse nach der speziellen Relativitätstheorie zunimmt. Das zieht die Elektronenhülle zusammen und schwächt die Metallbindung.

Wie schwer ist ein Liter Quecksilber?

Rund 13,5 Kilogramm. Eisen, Blei und sogar Stahlkugeln schwimmen darauf.

Verdampft flüssiges Quecksilber bei Raumtemperatur?

Ja, langsam. Der Siedepunkt liegt bei 356,6 Grad, aber schon bei 20 Grad geht ständig etwas Dampf in die Luft. Deshalb gehört verschüttetes Quecksilber sofort entsorgt.

Quellen

Geschrieben von Clara, Redaktion wissens-bote.de — sie erklärt hier Alltagsfragen mit belegten Antworten.