lunedì 11 marzo 2019

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). 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. Ecco quindi spiegato perché il mercurio, pur essendo un elemento molto pesante, lo troviamo allo stato liquido.
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 gli atomi di questo metallo: il liquido offre perciò all'aria la minore superficie possibile, racchiudendosi in goccioline.

26 commenti:

  1. "e in questo caso è abbastanza facile capire il perché"...
    Non sopravvalutare i miei neuroni ormai ampiamente degenerati ;-)

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    1. Beh, dai... la spiegazione è lì riportata! 😁

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  2. Beh, complimenti per il tuo anniversario di laurea e complimenti per la nuova rubrica.

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    1. Grazie e grazie.
      Cerco un po' di dosarle rubriche del genere, perché non credo interessino molto. Vedi quella sui Supereroi.

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  3. Tantissimi auguri di buon anniversario. Solo dieci anni fa ti sei laureato? Sei giovanissimo! :)

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    1. Giovanissimo? Non sono gli anni, sono i chilometri...
      Poi in realtà, soprattutto negli ultimi 5 anni, ho continuato a studiare, anche se per conto mio e non in contesti istituzionali.

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  4. Invece, io che invece sono un dummy assoluto, ti avrei chiesto come mai il mercurio nei termometri sale con la temperatura...

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    1. Dilatazione termica. A parte pochissime eccezioni, all'aumentare della temperatura aumenta il volume delle sostanze. Questo perché aumentano i moti vibrazionali all'interno della struttura del solido e quelli traslazionali nel liquido, ovvero diminuendo l'intensità delle forze di aggregazione, che rendono più coesa la sostanza.
      E' il motivo per cui i ponti hanno delle interruzioni lungo la struttura: altrimenti col caldo dei mesi estivi i volumi aumenterebbero compromettendone l'integrità e la stabilità.

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  5. E poi ci sono io che, durante la lezione di chimica inorganica 2, alla domanda della prof "Dove si trovano grandi quantità di mercurio?" ho risposto "NEI TERMOMETRI!".....xD Mi domando come mai la prof non m'abbia strozzata :D Di certo è stata una risposta da chemistupidario :P
    Comunque, auguri per il tuo anniversario di laurea!

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    1. Ahahah! 😁
      Grazie, e rispondo io per te: nei vulcani. Metà dell'inquinamento marino da mercurio è di origine antropica, mentre l'altra metà è di origine naturale ed è dovuta all'attività vulcanica.

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    2. Infatti la prof voleva proprio questa risposta anche se, ad esser onesti, voleva concentrarsi più sull'origine antropica del Hg nel mare (e quindi sulla bio-accumulazione ecc). Però quanto meno le ho strappato una risata :D E credimi, è difficile!

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    3. Il mercurio lo si trova comunemente anche sugli anelli d'oro, visto che i due elementi sembrano piacersi parecchio...

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    4. Oro e mercurio formano un legame molto forte.

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  6. Complimenti, sei riuscito ad interessarmi ed avvicinarmi ad una materia che di solito non mi emoziona particolarmente. Sei stato chiaro ed esaustivo. Arrivo dal blog di Moz e mi fa piacere di averti potuto leggere.

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    1. Ne sono lieto, ti ringrazio! Sono sempre in dubbio su post del genere, perché non so mai se possano piacere o meno. Spesso cerco infatti di abbinarli ad altri argomenti, come la letteratura o il cinema. Se ti interessa, cliccando sul tag "Chimica" puoi darci un'occhiata.

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  7. Io non avrei fatto domande, per evitare di sparare boiate.
    Auguri per l'anniversario!

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    1. Il problema non sono le domande, ma le risposte che mi danno, perché quelle a volte sì che sono delle boiate.
      Grazie! 😃

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  8. Ovviamente per me è una vera e propria lezione.
    Non mi ero mai posto nemmeno il quesito sul perché fosse fluido.
    Per me il mercurio è tipo un Terminator che prende forma, e S P D la sigla di una serie dei Power Rangers... in effetti potevano fare SPDF come stagione aggiuntiva XD
    P.s. va bene dire fluido o si dice solo liquido? :o

    Moz-

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    1. Con fluido si intendono sia i liquidi che vapori e gas. Quindi non è proprio sbagliato, però in questo caso stiamo parlando proprio di quello liquido.

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  9. Aspetta, credo di non aver capito. Se un elemento è stabile e quindi gli elettroni occupano interi sottolivelli, l'elemento non dovrebbe avere punti di fusione più alti?

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    1. Sì, infatti: hai capito giusto!
      Il mercurio, essendo più stabile, ha un punto di fusione più alto. Ovvero la temperatura a cui da solido diviene liquido è più alta: se fosse più bassa (come ad esempio per zinco e cadmio) a temperatura ambiente sarebbe solido.

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    2. Ma allora non mi è chiaro questo pezzo:"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"

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    3. Si tratta di un refuso! Grazie di avermelo segnalato, lo correggo subito!

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    4. Rompo un'ultima volta e poi la smetto, ma è che non riesco a chiarirmi la situazione. C'è qualcosa che mi sfugge. Innanzitutto, probabilmente il testo era giusto nella prima versione e cioè con "temperatura di fusione più bassa", infatti se a temperatura ambiente il mercurio è liquido vuol dire che è fuso, giusto? Quindi se a temperatura ambiente il mercurio è fuso mentre lo zinco e il cadmio no, questi ultimi due hanno il punto di fusione più alto di quello del mercurio.

      Se fino a questo punto il discorso è corretto, quello che non riesco a capire è la spiegazione. Io ho capito che i legami del mercurio, a livello di elettroni, sono molto forti quindi le mie due domande sono:
      1) se sono forti, perché il mercurio non è allo stato solido?
      2) i sottolivelli del cadmio e dello zinco come sono rispetto a quelli del mercurio? sono altrettanto riempiti di elettroni?

      Scusa la rottura, ma mi interessava capire.

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    5. Non è una rottura, anzi! :)
      E' facile confondersi, infatti ti confermo che il testo originale era corretto, ieri sera evidentemente ero distratto e mi era parso di aver scritto sbagliato. Le T di fusione sono: Zn (420 °C), Cd (321 °C), Hg (-39 °C, infatti è liquido).

      Comincio con la domanda 2.
      Cd e Zn hanno pieni i sottolivelli s e d, Hg ha pieni i sottolivelli s, d e f. Sono quindi più stabili di altri elementi. Quando si chiude un sottolivello (ovvero lo si colma di elettroni), è come se quegli elettroni non fossero più "giocabili", quindi diventano simili a quelli interni. Avendo il sottolivello d pieno, questi tre metalli non hanno l'esigenza di colmare lacune elettroniche come gli altri. Quindi sono più stabili, ma non avendo il sottolivello p pieno, non sono al massimo della stabilità; oltre al legame metallico, possono giocarsela solo perdendo 1 o 2 elettroni dal sottolivello s, facendo legami ionici. Questa spiega la loro chimica meno ricca rispetto agli altri metalli di transizione.

      Veniamo alla 1.
      È giusto quando dici che più un legame tra atomi o molecole è forte, più i punti di fusione ed ebollizione sono alti (perché ci vuole maggiore energia = calore per romperli).
      Hg è in controtendenza proprio per questa situazione elettronica così stabile. Ma vale anche per Zn e Cd, infatti le T di fusione degli elementi vicjni sono: Cu (1085 °C) e Ag (962 °C).
      Per ragioni relativistiche dovute all'elevato numero di elettroni (80), che causa una “contrazione” nei livelli energetici, e alla situazione elettronica particolare, il legame tra atomi di Hg è MENO forte rispetto agli altri metalli (livelli più vicini, meno energia per un elettrone per saltare da uno all'altro, minore forza di legame). Di conseguenza si ha una T di fusione molto più bassa.

      Non è semplicissimo, nel post ho cercato di renderlo “comprensibile” a tutti!

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