Dal punto di vista termodinamico la risposta a questa domanda è analoga a quella già affrontata relativamente alla bassa temperatura di ebollizione di alcuni gas (in particolare dei gas nobili) a cui rimando:
Nel caso specifico, la bassa temperatura di fusione dipende da una bassa energia di legame degli atomi di mercurio nello stato solido. Quindi la domanda si sposta sul capire il perché, nel mercurio, l’energia di legame è più bassa rispetto a quanto avviene in altri metalli.
La risposta non è semplicissima e richiede, per una completa comprensione, la conoscenza di entrambe le meccaniche quantistica e relativistica. Di seguito illustro una traccia di ragionamento.
Solitamente si descrive il legame metallico come dovuto a un effetto collante prodotto da una densità più o meno omogenea di carica negativa (data dagli elettroni di valenza, scarsamente legati, dei metalli) nella quale sarebbero immersi i core atomici (nuclei e elettroni più interni) a carica positiva. Il punto essenziale perché uno stato legato possa formarsi sta comunque nel fatto che la densità elettronica deve essere maggiormente concentrata nelle regioni internucleari, rispetto a qualsiasi altra regione. Per questo, nel discutere anche solo qualitativamente di come possa formarsi un legame, occorre tenere in conto quali siano i fattori che influenzano la distribuzione degli elettroni. Tra questi abbiamo l’attrazione Coulombiana esercitata dai nuclei su questi ultimi e la repulsione interelettronica; inoltre (fattore essenziale) il principio di antisimmetria impone che due elettroni aventi lo stesso spin non possano occupare la medesima regione di spazio, e ciò gioca un ruolo centrale nel determinare la forma della distribuzione elettronica. Per un accenno al principio di simmetria si veda anche la risposta
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=12143
Vediamo alcuni esempi:
- Prendiamo il semplice caso dell’idrogeno (H): questo ha un singolo elettrone 1s; nella formazione del legame H-H, entrambi gli elettroni vengono attratti da entrambi i nuclei e andranno a occupare la medesima regione di spazio internucleare assumendo spin opposti: i due elettroni eserciteranno quindi un’azione attrattiva sui due nuclei tenendoli in tal modo legati.
- Consideriamo adesso il caso dell’elio (He) che è il gas nobile a numero atomico più basso (2), con configurazione elettronica 1s2 nello stato fondamentale; avvicinando i due nuclei di He, in assenza del vincolo imposto dal principio di antisimmetria, e sentendo l’attrazione Coulombiana, tutti gli elettroni tenderebbero a concentrarsi nella regione internucleare producendo un legame He-He. Però, proprio a causa di detto principio, la presenza di un elettrone con spin, poniamo up, nella regione internucleare esclude la presenza di altri elettroni aventi lo stesso spin nella medesima regione: solo un elettrone con spin down potrà posizionarsi tra i due nuclei e, di conseguenza, la regione internucleare verrà occupata da due elettroni a spin opposto, mentre gli altri due saranno forzati ad occupare le altre regioni esterne; tutto questo, indipendentemente dall’intensità delle forze attrattive o repulsive Coulombiane (è il principio di antisimmetria che, in ultima analisi, impone la forma della densità elettronica). Ne deriva che due elettroni si troveranno nella regione internucleare esercitando un effetto legante, mentre (a differenza del caso dell’idrogeno) gli altri due elettroni si concentreranno nelle regioni esterne, esercitando un effetto antilegante sui due nuclei che compensa (e annulla) il precedente. In definitiva, il legame He-He non si forma e la molecola He2 non esiste.
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Vediamo ancora il caso del berillo (Be) che ha configurazione elettronica 1s22s2: apparentemente questo caso è simile a quello di He (entrambi hanno una configurazione elettronica esterna del tipo ns2), però in Be esistono gli orbitali 2p che hanno una energia molto vicina a quella dei 2s. Ciò offre possibilità diverse per la distribuzione degli elettroni, potendosi avere un parziale mescolamento degli orbitali s con i p (si parla in tali casi di ibridizzazione) e un debole legame può in effetti formarsi.
Consideriamo ora il mercurio (Hg): questo ha configurazione elettronica [Xe]4f145d106s2. L’elevato numero atomico (80) rende importanti gli effetti relativistici: essendo fortemente attratti dal nucleo, gli elettroni più interni hanno alte energie e alta massa relativistica; ciò produce una contrazione delle distanze medie dal nucleo, rispetto a quelle calcolabili trascurando tali effetti. La contrazione degli orbitali di core verso il nucleo (e la loro conseguente stabilizzazione) è importante per gli s a causa delle loro caratteristiche specifiche (per esempio, l’orbitale 1s non si annulla sul nucleo, il che corrisponde a una probabilità non nulla di trovare l’elettrone in prossimità di quest’ultimo, con conseguente innalzamento dell’energia e della massa) e in misura minore per i p; gli orbitali d e f vengono invece destabilizzati. Questi effetti relativistici sugli elettroni più interni si riflettono su quelli più esterni a causa dei vincoli quantomeccanici che esistono tra tutti gli orbitali atomici (per esempio, proprio il vincolo sull’antisimmetria indotto dal principio discusso sopra). Ne consegue una notevole contrazione e stabilizzazione degli elettroni 6s2, ciò che rende il mercurio più simile in comportamento a He (1s2) che non a Be (2s2): si ha una bassa energia di legame tra gli atomi, e ciò comporta un abbassamento della temperatura di fusione.