Die meisten Metallelemente schmelzen bei Temperaturen von mehreren Hundert Grad, für Quecksilber liegt diese jedoch bei -38,9 °C (-38,0 °F). Warum unterscheidet sich dieses Metall von allen anderen? Es geht um die äußeren Elektronen und eine Kombination von Faktoren, die dazu führen, dass sie ungewöhnlich schlecht binden.
Zunächst ist zu beachten, dass die Titelfrage möglicherweise nicht ganz korrekt ist. Möglicherweise gibt es zwei transuranische Elemente, die in der Natur nicht vorkommen, weil sie viel zu schnell zerfallen, um von ihrer Entstehung in Supernovae oder Kilonovae, die bei Raumtemperatur flüssig sind, überlebt zu haben. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit, die dazu führt, dass sie künstlich hergestellt werden müssen, bleibt uns nicht viel Zeit, sie zu untersuchen. Es wird vermutet, dass Copernicium und Flerovium bei Raumtemperatur flüssig sind. Da das eine jedoch nur Sekunden dauert, bevor es zerfällt, und das andere sogar noch weniger, besteht diesbezüglich ein gewisses Maß an Unsicherheit. Wir haben sicherlich nicht viel davon gemacht, um zu lernen.
Abgesehen von diesen Kuriositäten sticht Quecksilber unter den stabilen Elementen hervor. Auf der einfachsten Ebene liegt der Grund darin, dass die äußersten Elektronen von Quecksilber keine sehr starke Bindung eingehen, wodurch die Anziehungskraft zwischen einem Quecksilberatom und einem anderen geschwächt wird. Diese Schwäche bedeutet, dass die Organisation eines Feststoffs zusammenbricht und die Atome beginnen, sich freier zu bewegen, sobald Quecksilber auch nur eine bescheidene Energiemenge aufnimmt.
Eine andere Sichtweise besteht darin, dass bei der Bindung von Atomen ein Teil ihrer kinetischen Energie in die Energie der Bindung umgewandelt wird. In den Bindungen von Quecksilber mit sich selbst steckt so wenig Energie, dass es keiner großen Bewegung bedarf, um sie aufzubrechen. Da auf atomarer Ebene die zufällige kinetische Energie Wärme bedeutet, muss Quecksilber nicht warm, geschweige denn heiß sein, um flüssig zu werden, was bei anderen Metallen, in deren Bindungen mehr Energie gespeichert ist, jedoch der Fall ist.
Der Flüssigkeitsstatus von Merkur war schon vor mehr als dreitausend Jahren bekannt, aber das hätten wir nicht vorhersagen können, wenn das Element erst beim Auffüllen des Periodensystems entdeckt worden wäre. Die meisten bekannten Flüssigkeiten haben eine recht geringe Dichte, so dass man so weit unten auf eine Flüssigkeit stößt Das Periodensystem widerspricht völlig unseren Erwartungen. Seine Nachbarn im Periodensystem, Gold und Thallium, schmelzen bei mehr als 1000 bzw. 300 Grad Celsius. Es ist jedoch nützlich: Aufgrund der Kombination aus Dichte und Flüssigkeit eignet sich Quecksilber so gut für Thermometer, Barometer und die Messung des Blutdrucks.
Was ist es also mit den äußeren Elektronen von Quecksilber, die zu einer Bindung führen, die so viel schwächer ist als die der anderen Metalle? Es stellt sich heraus, dass sich Quecksilber an einem idealen Punkt auf dem Tisch befindet, wo drei Effekte kombiniert werden. Das erste ist, dass seine äußere Elektronenhülle voll ist. Für Elektronen in einer teilweise gefüllten Hülle ist es viel einfacher, zu entkommen und Teil eines Nebels aus Valenzelektronen zu werden, der die Atome zusammenhält. Metalle mit leichter zu teilenden Elektronen haben normalerweise höhere Schmelzpunkte, sicherlich weit über Raumtemperatur.
Allerdings ist Quecksilber nicht das einzige Metall mit einer vollständigen Hülle, das kann also nicht der einzige Grund sein. Die beiden anderen Faktoren führen dazu, dass die äußeren Elektronen der betroffenen Atome näher an ihrem Kern bleiben, was ihre Fähigkeit, sich mit anderen Atomen zu verbinden, beeinträchtigt.
Mitglieder der Lanthanoid-Reihe von Elementen, die sich die sechste Periode von Quecksilber im Periodensystem teilen, erfahren eine sogenannte „Lanthanoid-Kontraktion“. Die Elektronen der 4f-Unterschale schirmen weiter entfernte Elektronen nicht so stark von der positiven Ladung des Kerns ab wie andere, was dazu führt, dass die äußeren Elektronen nach innen gezogen werden. Folglich haben die meisten Elemente in Periode 6 Atomradien von ähnlicher Größe wie die in der darüber liegenden Periode, was zu einer viel größeren Dichte führt.
Darüber hinaus erfahren die äußeren Elektronen von Quecksilber eine relativistische Kontraktion und bewegen sich so schnell, dass die Effekte einer Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit zum Tragen kommen. Dies ist nur bei schwereren Elementen von Bedeutung, da die Elektronen durch die größere Masse stärker beschleunigt werden. So wie sich der Planet Quecksilber schneller um die Sonne bewegt als Objekte weiter draußen, bewegen sich Elektronen, die in die Nähe des Kerns gezogen werden, schneller, in Fällen wie Quecksilber schnell genug, damit relativistische Effekte eine Rolle spielen.
Die Kombination dieser beiden Effekte stört die Bindung zwischen Quecksilberatomen. Sie halten es nicht nur bei Raumtemperatur flüssig, sondern stellen auch sicher, dass sich Quecksilberatome nicht paaren, wenn es so weit erhitzt wird, dass es ein Gas bildet, wie es bei den meisten elementaren Gasen der Fall ist (denken Sie an H2Ö2 oder N2). Stattdessen bleiben Quecksilberatome wie die Edelgase unter sich.