Civa hariç bütün metaller oda sıcaklığında katı haldedirler ve belirli bir sıcaklıkta da erirler. Civayı liste dışında bırakacak olursak en düşük sıcaklıkta eriyen metal kalaydır (231.8 C˚), en yüksek sıcaklıkta eriyen ise 3422 C˚ile tungstendir. Peki, kendisine en yakın erime sıcaklığına sahip metalden bile yüzlerce santigrad derece (civa -40 C˚’de erir) daha düşük sıcaklıkta sıvı hale geçen civanın bu özelliği nereden geliyor?

Herhangi bir malzemede enerji ile yapılacak her değişiklik bağlar ile alakalıdır. Erime noktasını belirleyen şey de maddenin atomları arasındaki bağların kuvvetidir. Dışardan verilecek enerji ile bu bağların zayıflatılması, maddenin erimesine neden olur. Maddenin belli başlı özelliklerini belirleyen, atomlar arası bağlar oluşurken, kinetik enerjinin bir kısmını bağ enerjisine dönüştürür. Civada da, atomlar arası bağ enerjisi oldukça düşüktür. Bu sebeple civa, düşük sıcaklıklarda düzensiz olma eğilimi gösterir.

Bu noktada bir soru daha ortaya çıkıyor, civanın atomlarının arasındaki bağı zayıf yapan şey nedir? 

Görelilik kuramına göre, nesneler ne kadar hızlı hareket ederlerse o kadar fazla ağırlaşırlar. Atomlar özelinde ise, en içteki elektronun hızı çekirdek yüküyle ilgilidir. Çekirdek büyüdükçe daha fazla elektrostatik çekim kazanır ve elektronlar bu çekime kapılmaktan kaçınmak için daha hızlı hareket ederler. Yani, periodik tabloda aşağı doğru indikçe 1s yörüngesindeki elektronlar daha da hızlanıp ağırlaşırlar ve bu sebeple atom çapı küçülür. Bu durum bazı orbitalleri daha kararlı hale getirirken, diğerlerini kararsızlaştırır. Bu karşılıklı etkileşim altın ve civa gibi ağır elementler için, en dış yörüngedeki elektronun kararlı hale getirilmesi anlamına gelmektedir. Civa özelinde ise, elektronlar komşu civa atomlarıyla bağ kurmak yerine kendi çekirdekleriyle ilişkili kalırlar, ve atomlararası kuvvetler ( atomları bir arada tutan van der Waals bağları gibi) zayıflar. Atomlar arası kuvvetlerin zayıf olması da, maddenin daha düşük sıcaklıkta erimesi anlamına gelir.

Civanın Sıvı Oluşunun Arkasındaki Görelilik: 

Bu konu üzerine yapılan bir çalışmada, Yeni Zelanda Massey University Auckland’dan Peter Schwerdtfeger’in öncülük ettiği uluslararası araştırma takımı görelilik etkisini dahil ve hariç tutup, kuantum mekaniği kullanarak metallerin ısı sığalarının hesaplamalarını yaptılar. Araştırmacıların bulgularına göre, eğer görelilik etkisi hariç tutulup hesaplamalar yapılarsa civa için hesaplanmış erime noktası 82 C° oluyor ve bu sıcaklık deneylerde ölçülenden oldukça farklı. Fakat, eğer hesaplamalara görelilik etkisi dahil edilirse hesaplanmış erime noktası (-39 C°), deneylerde ölçülen erime noktasına (40 C°) oldukça yakın çıkıyor.

 

 

Kaynaklar:

1. Evidence for Low-Temperature Melting of Mercury owing to Relativity; F Calvo et al, Angew. Chem., Int. Ed.. 2013, DOI: 10.1002/anie.201302742


2. Relativistic Effects in Chemistry, D. McKelvey, J. Chem. Ed. 1983, p. 112