Chimica for Lovers #1: Mercurio

Con questo post, che tra l'altro cade nel decimo anniversario della mia laurea, prende il via una nuova rubrica. Vi ricordate di Chimica for Dummies? Era la rubrica in cui ho raccontato le stupidate dette dai miei studenti, un terrificante ritrovo di ignoranza e demenzialità, diventato persino un libro, Il Chemostupidario (potete trovarlo cliccando qui). Ma non è che tutti i miei studenti siano messi così (per fortuna loro) e io non ho sempre classi come quei fenomeni da circo dell’anno passato (per fortuna mia). La maggior parte dei miei studenti sono simpatici, educati e fanno interventi intelligenti, ponendomi anche delle belle domande. In questa rubrica compariranno le domande più interessanti che mi sono state poste, assieme alla risposta che ho dato. Ovviamente alcune sono abbastanza tecniche, perché connaturate all'argomento svolto a lezione; perciò qui sul blog mi limiterò a riportare quelle facilmente comprensibili anche da un pubblico non specializzato.

In una lezione sul sistema periodico degli elementi, una volta uno studente mi ha chiesto come mai il mercurio, pur essendo un metallo, sia liquido.

Intanto qualsiasi elemento può essere in uno qualsiasi dei tre stati di aggregazione, perché dipende dalle condizioni di temperatura e pressione: il mercurio è infatti liquido a temperatura e pressione ambiente. Nelle stesse condizioni l’unico altro elemento a essere liquido è il bromo, e in questo caso è abbastanza facile capire il perché. Lungo la tavola periodica, scendendo giù lungo il gruppo degli alogeni (a cui appartiene il bromo), gli elementi hanno le stesse proprietà chimiche, ma si può notare che fluoro e cloro sono gassosi, il bromo è liquido, lo iodio è solido. Questi elementi sono via via sempre più pesanti, quindi bisogna fornire un maggior calore per portarli allo stato di aggregazione superiore (ovvero si hanno temperature di fusione e di ebollizione più alte). Questo perché le forze che tengono assieme le molecole nello stato solido e liquido hanno natura elettrostatica: scendendo lungo un gruppo gli elementi hanno un maggior numero di elettroni, quindi le forze di aggregazione diventano sempre più forti, ovvero ci vuole maggiore energia per romperle.

Per il mercurio sembra invece il contrario: nel suo gruppo zinco e cadmio sono solidi, mentre il mercurio, pur essendo più pesante, è liquido. Il motivo è che il mercurio è un elemento particolarmente stabile, e per questa ragione la sua temperatura di fusione è più bassa. La spiegazione del perché però è un po' più complicata.

Nel modello atomico quantistico l’atomo è visto come una sorta di cipolla, cioè a strati, che in realtà sono dei livelli energetici, suddivisi a loro volta in sottolivelli (chiamati s, p, d, f). Se un atomo riesce a occupare completamente di elettroni un intero livello, risulta molto stabile; se invece riesce a riempire completamente un sottolivello, raggiunge comunque una certa stabilità. 
Nel mercurio i sottolivelli s, d e f sono pieni, il che lo rende più stabile della maggior parte degli altri elementi: infatti nella tavola periodica non c’è nessun altro che abbia una situazione elettronica simile (a eccezione del copernicio, che però è un elemento artificiale). Gli atomi di mercurio interagiscono meno tra di loro, perciò a temperature a cui gli altri metalli sono solidi, può "permettersi" di stare allo stato liquido. Se poi si riempie anche il sottolivello p, si hanno i gas nobili, gli elementi chimicamente più stabili della tavola periodica, di cui anche i più pesanti sono allo stato gas.
Il mercurio ha poi un'ulteriore caratteristica: un'elevata tensione superficiale. A differenza di un normale liquido che, una volta versato, si spande creando del bagnamento, il mercurio forma delle "palline". La tensione superficiale è legata alla coesione molecolare, che nel mercurio è particolarmente forte, trattandosi di legami tra i suoi atomi: il liquido offre perciò all'aria la minore superficie possibile, racchiudendosi in goccioline.