Inicio Física Respuestas cortas (II): ¿Por qué el mercurio es líquido (a temperatura ambiente)?

Respuestas cortas (II): ¿Por qué el mercurio es líquido (a temperatura ambiente)?

by Jordi Pereyra

De entre todos los metales, el mercurio es uno de los más llamativos porque es capaz de permanecer en estado líquido a temperatura ambiente. Una muestra de la fascinación que ha despertado este metal líquido a lo largo de la historia es el caso del emperador chino Qin Shi Huang, que consumía con frecuencia brebajes que contenían mercurio porque creía que este elemento guardaba la clave de la inmortalidad. Pero, en un giro inesperado del destino, al final lo único que descubrió fue la clave para morir intoxicado por mercurio a los 49 años.

Pero, aunque está claro que este elemento no nos hará vivir para siempre, el mercurio sigue siendo un elemento muy interesante porque, mientras la mayor parte de los metales necesitan temperaturas de cientos o miles de grados para convertirse en líquidos, el mercurio se funde a -39ºC. Como resultado, el mercurio es uno de los pocos metales que podemos encontrar en estado líquido en nuestro día a día.

Bueno, habla por ti, porque no sabes si alguien está leyendo esto en invierno desde algún sitio como Oymyakon, Rusia. Creo que ahí el mercurio pasa más tiempo en estado sólido que en estado líquido.

Correcto, voz cursiva, gracias por el dato. En cualquier caso, la entrada de hoy va a ser bastante completa porque, para entender por qué el mercurio se funde a temperaturas tan bajas, tendremos que hablar del concepto de temperatura, de los enlaces químicos y de la teoría de la relatividad especial.

Así que pongámonos manos a la obra.

En primer lugar, como ya comenté en esta otra entrada en la que hablaba sobre la temperatura más alta posible, la temperatura de un objeto no es más que un reflejo de lo rápido que se mueven los átomos o las moléculas que lo componen. Dicho de otra manera, cuando un objeto está muy caliente, significa que sus átomos están vibrando muy deprisa. Si el objeto está frío, sus átomos se estarán moviendo más despacio.

Por otro lado, cuando los electrones de dos átomos interaccionan, pueden unirse formando enlaces químicos. Cuando esos enlaces son muy fuertes, los átomos quedan unidos formando una estructura rígida o, lo que es lo mismo, lo que en el mundo macroscópico llamamos un sólido. En cambio, si las fuerzas que mantienen los átomos unidos son muy débiles, no serán capaces de formar ninguna estructura y simplemente quedarán desperdigados unos junto a otros de cualquier manera, moviéndose de un lado a otro cuando algo los perturbe… Y eso es precisamente un líquido (hablaba con más detalle de todo esto en esta otra entrada o en este vídeo).

De hecho, si unimos estos dos conceptos, podremos entender por qué unas sustancias se funden a una temperatura distinta que otras.

A medida que la temperatura de un material sólido aumenta, la vibración de sus moléculas se vuelve cada vez más rápida hasta que llega un momento en el que se vuelve tan violenta que los enlaces químicos no pueden soportarlo más y la estructura rígida se desmorona. Cuando esto ocurre, los átomos terminan desperdigados sin ningún orden y la sustancia habrá pasado de encontrarse en estado sólido a ser un líquido.

La temperatura a la que se funde una sustancia o, lo que es lo mismo, la velocidad a la que tienen que vibrar sus átomos para que su estructura se desmorone, depende de lo fuertes que sean sus enlaces químicos. Por ejemplo, el tungsteno se funde a 3.422ºC porque sus átomos están unidos por enlaces muy fuertes que pueden soportar una vibración muy intensa. En cambio, los enlaces que unen los átomos de otros metales son más débiles, como es el caso del plomo, que se funde a sólo 327ºC.

Pero, de entre todos los metales, los átomos de mercurio son los que se enlazan entre ellos con menos fuerza, y ese es precisamente el motivo por el que el mercurio se funde a -39ºC: sus enlaces son tan flojos que una vibración muy leve (una temperatura muy baja) basta para que su estructura se desmorone. De ahí que, a temperatura ambiente, los átomos de mercurio no puedan formar una estructura rígida y permanezcan en estado líquido.

Vale, te compro el concepto, los enlaces entre los átomos de mercurio son muy débiles. Pero eso aún no responde del todo a la pregunta de hoy: ¿qué es lo que hace que los enlaces del mercurio sean tan débiles?

Tienes razón, voz cursiva. Para entender por qué los enlaces del mercurio son tan débiles y, por tanto, por qué se funde a una temperatura tan baja, habrá que hablar un poco de la teoría de la relatividad.

En las últimas entradas (aquí, aquí y aquí) he estado dando bastante la turra con el concepto de masa y, en concreto, en este artículo vimos que, debido a los efectos de la teoría de la relatividad, la masa de los objetos aumenta con la velocidad. El concepto es algo más complejo de lo que esta frase sugiere, pero, en resumidas cuentas, cuando algo se mueve a un fracción considerable de la velocidad de la luz, su energía cinética aumenta y ese aumento de energía se ve reflejado en la masa (o inercia) del objeto.

Y, curiosamente, eso es justo lo que hace que el mercurio sea líquido.

Ya hemos visto otras veces que los átomos poseen un núcleo que contiene protones (con carga positiva) y que está rodeado de electrones (con carga negativa). Por otro lado, cada elemento de la tabla periódica contiene un número distinto de protones en su núcleo: el hidrógeno tiene 1, el helio 2… Y así hasta el oganesón, el último elemento que se ha descubierto, que tendría 118 (aunque este elemento no existe en la naturaleza y sólo se han producido unos pocos átomos de manera artificial).

A medida que avanzamos por la tabla periódica, la cantidad de protones que hay en el núcleo de los átomos va en aumento y, por tanto, la fuerza con la que atraen a los electrones que los rodean se vuelve cada vez mayor. Como resultado, llega un momento en el que los electrones que rodean los núcleos de los elementos más pesados tienen que moverse muy deprisa para mantenerse en órbita a su alrededor.

De hecho, en el caso del mercurio, los electrones que orbitan más cerca del núcleo se tienen que mover al 58% de la velocidad de la luz para no precipitarse contra él. A esta velocidad tremenda, los efectos relativistas se manifiestan y la masa de los electrones aumenta un 23% respecto a su masa en reposo. Estos electrones ligeramente más masivos se ven atraídos con más fuerza por el núcleo del átomo y se ven obligados a orbitar más cerca de él de lo normal, una contracción que se extiende por el resto de las órbitas, haciendo que todas se encojan.

Y, ahora sí, esa es la causa fundamental de que el mercurio sea líquido a temperatura ambiente: como las órbitas de los electrones están contraídas, éstos se ven atraídos con más fuerza hacia el núcleo de su propio átomo que hacia los electrones de sus átomos de mercurio vecinos, así que no pueden formar enlaces con ellos.

Por tanto, la única que fuerza que atrae los átomos de mercurio entre ellos su atracción electrostática, un efecto muy débil que sólo es capaz de agruparlos en estructura sólida cuando están muy quietos o, lo que es lo mismo, cuando se encuentran a una temperatura muy baja. A temperatura ambiente, esta fuerza sólo los atrae con la intensidad suficiente como para mantenerlos cerca unos de otros, formando una masa desordenada de átomos… O un líquido, vaya.

Qué curioso, ¿y qué pasaría si estos efectos relativistas no existieran?

Pues, según las simulaciones, que el mercurio se fundiría a unos 66ºC, en lugar de a -39ºC.

ACTUALIZACIÓN (ya que ha surgido una duda recurrente): Aún me queda una duda. Si todo esto es cierto: ¿entonces por qué no todos los elementos pesados son líquidos a temperatura ambiente? Por ejemplo, los átomos de oro contienen más protones en su núcleo que los de mercurio, así que deberían estar aún más contraídos y el oro se debería fundir a una temperatura aún más baja. Pero, en cambio, su temperatura de fusión ronda los 1.000ºC. ¿Cómo se explica eso?

Muy buena observación, voz cursiva.

Una cosa que no he mencionado en la entrada (aunque debería haberlo visto venir) es que, además de la contracción relativista, hay otros factores que determinan tanto la fuerza con la que se enlazan los átomos como su punto de fusión.

Por ejemplo, el factor que más afecta al comportamiento químico de un elemento es el número de electrones que tienen sus átomos en su órbita más externa, que, al fin y al cabo, son los que están disponibles para interaccionar y enlazarse con otros átomos. Como los átomos siempre tienden a tener el mismo número de electrones que de protones y, además, cada elemento contiene una cantidad de protones distinta, eso significa que cada metal pesado poseerá un número de electrones diferente en su órbita más externa y, por tanto, que el comportamiento químico exacto de cada uno será un poco distinto, independientemente de si sus átomos están más o menos contraídos.

En el caso de la comparación entre el mercurio y el oro, los átomos de mercurio tienen más dificultad para unirse entre ellos porque sus subcapas más externas están llenas de electrones, así que no pueden compartirlos y enlazarse. En cambio, los átomos de oro no tienen este problema y pueden compartir sus electrones sueltos con facilidad, formando enlaces más fuertes.

De nuevo, el tema es mucho más complejo y cada elemento tiene sus particularidades. En este post de Stack Exchange tenéis una lista de varios factores más que influyen en este fenómeno .

 

 

12 comentarios

12 comentarios

Ale julio 5, 2018 - 8:50 pm

Hola, no entiendo de donde sacaste esa conclusión, con todo respeto, de que es por la relatividad y la masa de los electrones que los acerca al núcleo, con esa lógica, los metales se fundirían cada vez a menor temperatura según su ubicación en la tabla periódica y su masa atómica, el oro que está una ubicación antes funde a 1000 ºC y el plomo que esta dos después, funde a 327, la plata (antes que el oro) a 969
Y aclaro que tampoco se la explicación de que por que es que funde a la temperatura que lo hace, si no es por lo que explicas
te felicito por el blog! siempre que puedo entro a ver tus explicaciones sobre ciencia!

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Jordi Pereyra julio 5, 2018 - 10:37 pm

Muchas gracias! He añadido una aclaración al final del artículo respondiendo a la duda que planteas!

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Ale julio 10, 2018 - 3:09 pm

Muchas gracias por la respuesta, y es un honor ser «voz cursiva»!! 😀

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Óscar julio 5, 2018 - 9:24 pm

joder Jordi, no sólo explicas muy bien, es que además de cualquier cosa sacas un artículo superinteresante…si tuviera sombrero, me lo quitaría. Muy buen trabajo, gracias x tu tiempo!

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Federico julio 6, 2018 - 7:54 am

Creo que hay una errata en el artículo, donde dice «está rodeado de neutrones (con carga negativa)», debería decir «está rodeado de *electrones* (con carga negativa)».
Gracias por las explicaciones que das, aprendo mucho de ellas.
«El universo en una taza de café» me pareció buenísimo, en cuanto resuelva unos asuntillos que tengo con unos exámenes que me quitan mi tiempo, compraré «Las cuatro fuerzas».
Una pregunta, ¿te viene mejor la compra del ebook o en papel? (me refiero a si hay una diferencia económica significativa para ti como autor, que se pueda decir).
¡Saludos!

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Jordi Pereyra julio 6, 2018 - 8:54 am

Corregido, muchas gracias! Me alegra que te interese también el segundo libro, si te ayuda a elegir, yo gano lo mismo con cualquiera de las dos opciones 🙂

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supermiguelitom julio 6, 2018 - 8:06 am

Erratilla: «Ya hemos visto otras veces que los átomos poseen un núcleo que contiene protones (con carga positiva) y que está rodeado de neutrones (con carga negativa). »

O bien te referias a electrones o a carga neutra 😛
Por todo lo demás, genial artículo!

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Jordi Pereyra julio 6, 2018 - 8:53 am

Cierto, me he despistado. Corregido, gracias!

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Juanma Herruzo julio 6, 2018 - 9:16 am

Hola Jordi.
Como siempre genial con los post, pero siempre que hablas de los estados de la materia y de las temperaturas de cambio entre ellos, me surge una duda.
Cuando hablas de la temperatura a la que se funde un metal, plata por ejemplo, pienso que si es correcto hablar de la fuerza con la que se atraen sus atomos, pero cuando hablas de algo que no sean metales o elementos puros, agua por ejemplo, deberias de hablar de la fuerza con la que se unen sus moleculas (los puentes de hidrogeno, las fuerzas de van der walls y demás), ya que si la vibración de los átomo hiciera que se rompiesen los enlaces entre los átomos del agua, dejariamos de tener agua para tener hidrogeno y oxigeno, en lugar de tener moleculas de agua en estado liquido o gaseoso.

Un saludo

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Galo julio 10, 2018 - 10:21 pm

yo sabía que los electrones a medida que se van acercando al núcleo pierden energía (a cada cambio de nivel energético descendiendo al núcleo emiten fotones ), quedando con la mínima (energía del punto cero) debido a ello no se pueden precipitar finalmente . además la interacción nuclear fuerte residual es extremadamente de corto alcance como para atraerlos (además no actúa con los leptones) . en cambio los exteriores disponen de mayor energía ya que no sufren la fuerza atractiva del núcleo debido también al efecto de apantallamiento que ejercen las capas electrónicas interiores … lo que tu comentas me recuerda a lo que le sucede a los planetas con respecto a su estrella ; los más cercanos a ella orbitan más rápido y con mayor excentricidad para precisamente no caer a esta . quisiera que respondieras a estas dudas que me ha generado tu entrada . gracias por todo y te felicito por tan buen blog.

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Javier julio 14, 2018 - 9:20 am

Creo que hay un error:
«Por ejemplo, los átomos de oro contienen más protones en su núcleo que los de mercurio».
El número atómico del oro es 79. El del mercurio 80.

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Jorge David Palacios Piedra junio 15, 2020 - 3:13 pm

Voz cursiva representa todas las preguntas que tuve en mente mientras leía. Eres un crack. Gracias por el artículo.

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